U型缺口疲劳传感器设计与建模：ANSYS软件预测结构构件疲劳寿命的健康监测

工程科学与技术，国际期刊22（2019）405完整文章预测结构构件疲劳寿命的U型缺口疲劳传感器设计与建模Tariq Alshahbouni先生，Ali GüngörKarabük大学，工程学院，冶金和材料工程系，土耳其阿提奇莱因福奥文章历史记录：2018年6月11日收到2018年9月25日修订2018年9月25日接受在线发售2018年关键词：ANSYS软件疲劳传感器健康监测U型槽传感器A B S T R A C T疲劳传感器被用作结构健康监测（SHM）机制，以在任何故障发生之前检测结构部件上的损伤在这项研究中，一个U型缺口疲劳传感器的设计和分析，预测疲劳寿命之前的灾难性故障利用ANSYS workbench软件传感器模型由四个尺寸为305 ×76.2× 1.6 mm（长×宽×厚）的梁组成，不同的疲劳U形切口半径。据观察，疲劳寿命随着U-的增加而增加切口半径然而，最大等效应力的值随着切口半径的增加而减小。此外，当U形切口半径等于或小于6.4 mm时，疲劳损伤发生在U形切口半径周围。©2018 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍材料的疲劳问题早已为人们所知。随着工业革命的到来，对研究的兴趣疲劳的现象变得更加频繁和至关重要[1]。近年来，许多研究已经进行，以检测和防止疲劳损伤的结构构件的机械系统，运输车辆等，这些研究之一，需要开发一种疲劳传感器，以监测结构健康状态的系统。疲劳传感器通常有多个平行梁，每个梁对不同的疲劳水平敏感，这是专门为疲劳失效设计的[2]。疲劳传感器具有设计简单、成本低、易于粘贴于结构表面等优点，可用于监测结构的疲劳累积。传感器的实际用途是监测结构构件的健康状态，例如飞机机翼、桥梁和海洋船舶等。世界各地有许多结构健康监测应用。目前，大多数结构健康监测（SHM）系统包括定期检查，基础和进展正在进行中，以实现有效的自动化形式的基于状态的维护[3，4]。此外，结构健康监测和损伤识别也变得越来越重要。*通讯作者。电子邮件地址：talshahbouni@yahoo.com（T.Alshahbouni）。由Karabuk大学负责进行同行审查。工程领域的专家。结构健康监测定义为使用疲劳传感器、非破坏性传感和分析结构特性，以识别是否发生损伤、确定损伤位置、估计损伤严重程度并评估损伤对结构剩余寿命的影响[5]。结构健康监测方法使用适当的激励信号激励系统并监测系统的响应。在估计缺陷位置、严重程度和类型的主动SHM方法中，机电阻抗（EMI）方法通过使用压电传感器测量结构的机械阻抗来检查结构的健康状况[6]。然而，材料的缺口敏感性是材料对缺口或几何不连续性的敏感程度的量度。缺口灵敏度受许多参数的影响，例如缺口几何形状[7]。Gokanakonda等人描述了专用疲劳监测传感器的概念，以及重要的设计细节、模拟数据及其测试结果，这些都将提供概念验证。Gokanakonda研究的疲劳传感器具有一定的优点，例如将传感器放置在离结构上的临界位置适当的距离处。疲劳传感器经受与结构所经历的环境条件相同的环境条件[8]。 Wang等人简要介绍了8种现有的用于检测结构早期疲劳损伤的疲劳损伤传感器，并提出了利用碳膜作为然后提出并讨论了疲劳监测传感器[9]。此外，Liu等人研究了U形切口聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）板的疲劳寿命预测https://doi.org/10.1016/j.jestch.2018.09.0112215-0986/©2018 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestch406T. Alshahbouni，A.Güngör/工程科学与技术，国际期刊22（2019）40522结合疲劳损伤机理和疲劳裂纹扩展机理，利用有限元软件ABAQUS通过结合裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命计算缺口板的总疲劳寿命[10]。本研究的主要目标是设计，分析和评估的疲劳寿命的U形切口传感器，以检测飞机的结构构件，如飞机机翼的疲劳失效，因为在文献中的所有其他研究没有主要考虑这种类型的应用。许多研究都集中在桥梁的结构部分，他们使用钢作为应用材料。在此，我们采用了一个具有四个不同U型切口半径的梁的传感器，以7075铝合金作为机翼材料，利用ANSYS workbench软件对传感器的疲劳寿命进行检测，为工程师提供信息。2. 材料和方法本文是基于设计，实施，并通过使用ANSYS工作台软件的模拟的传感器的疲劳寿命的分析该传感器模型由四个梁与U形切口的几何形状，已被设计成平行于施加在结构上的张力负载测量了为本研究设计的上述疲劳传感器宽度、长度和厚度的量值如表1和图2所示。1.一、此外，根据第一光束假设选择传感器的尺寸，使得U形切口半径为25.4 mm（参考文献[11]中给出了假设的更多细节）。我们将其他三 个 梁 分 为 25% （ 6.4 mm ） 、 50% （ 12.7 mm ） 和 75% （ 19mm），以获得基于这些划分的疲劳重要的是要注意，对于当前的研究，使用了铝合金7075-T6，因为它是广泛可用的，具有良好的材料特性。为了实现准确的模拟结果，为了确保应力集中与单元尺寸无关，进行了网格敏感性研究。对表2所列的五种元件尺寸进行了网格敏感性研究。考虑了等效应力对网格敏感性的影响。网格必须在全局和/或局部进行细化，以改善关键区域的应力预测对临界位置进行了网格（r = 6.4 mm）的高应力区域中的应力分布。图图4显示了等效应力随单元数的变化。从网格灵敏度分析中可以清楚地看出虽然121，561个单元也会产生相同的结果，但计算成本更高，因为在121，561个单元之后结果没有变化，因此这种细化的网格对于所有未来的分析也是必要的基于此结果，应力集中是由于缺口而不是网格本身。传感器具有不同的施加拉伸载荷，以估计U形切口传感器在不同载荷下的疲劳寿命的变化，并优化传感器在发生故障之前所承受的高载荷。表3中给出了载荷的大小。此外，传感器的一侧有固定的边界条件，另一侧有一个施加的张力载荷，如图所示。 五、3. 数学建模与软件实现在这一节中，提出了问题的数学公式以及寻找解决方案的程序。为了简化问题，下面列出了所有求解程序的方程：应力范围定义：rr¼ r最大值- r最小值交变应力分量：在U形切口的关键区域的元素，细化网格变得必要，如图11和12所示。2和3为此，使用了1，212，561个网格单元和204，067个节点表1传感器的尺寸宽度（mm）长度（mm）厚度（mm）ra¼rmax-rmin平均应力分量：rm²rmaxrmin应力比：rminð2Þð3Þ76.2 305 1.6R¼r最大值为400Fig. 1. 传感器型号的尺寸。T. Alshahbouni，A.Güngör/工程科学与技术，国际期刊22（2019）405407图二. 传感器模型的细化网格。图三. 用元素和节点进行网格划分。表2网格敏感性研究的有限元模型细节。号等效应力（MPa）（r = 6.4 mm）Sf 0¼19kpsi130MPa，适用于SutP48kpsi330Mpa5：b我们知道铝没有疲劳极限，因此它的疲劳强度Sf3 39，367 91.0714 55，222 91.0235 121，561 90.8153.1. 极限强度与持久极限的关系极限强度（Sut）和理论疲劳强度（Sf）之间的关系可定义为[12]：Sf 0¼0：4Sut，适用于Sut48kpsi330MPa2015：a2015最低材料，将是：SF ¼C负载C尺寸C表面 CtempC reliabC miscellanS f63.2. 缺口敏感性有些材料对缺口不敏感，可借助理论应力集中系数进行分析。这种材料需要降低的Kt值，用Kf表示。在这种情况下，最大应力为：111,71793.421N = 5e+8次循环时的应力然后我们需要估计校正后的221,09592.023疲劳强度或疲劳极限（Sf）为我们的模型与铝-408T. Alshahbouni，A.Güngör/工程科学与技术，国际期刊22（2019）405¼f见图4。 等效应力随单元数的变化。表3拉伸载荷的量值。号案件拉伸载荷（N）11000220003300044000rmax<$Kfωrnor100疲劳缺口系数Kf由[13]给出迄今为止，已经提出了许多计算疲劳缺口系数的方法。疲劳缺口系数[14] q的Petersonq¼Kf-1= Kt-1 9一般来说，应用的过程需要首先通过使用结构的几何计算来计算Kt，然后选择材料并针对图表中给出然后，我们确定Kf[15]，因此：无缺口疲劳强度ð8ÞKt-100000图五. 疲劳U形槽传感器的拉伸载荷和边界条件。T. Alshahbouni，A.Güngör/工程科学与技术，国际期刊22（2019）405409R1个月q1- Ra¼1/4 -5：699SF：如果材料承受应力、任何类型的载荷或缺口敏感性，则应分析其抵抗应力集中的能力样品的缺口灵敏度（q）可以通过一些曲线来定义，并且可以使用Khun-Hardrath公式[16]来确定。根据Peterson该结构便于在不接近传感器的情况下监测预期疲劳寿命的进展。通常，结构在达到其预期疲劳寿命的90%之前以及在任何灾难性故障发生之前被更换。4. 结果和讨论Kf¼ 1Kt-1ð11Þ本文的主要工作是设计疲劳传感器，利用疲劳传感器对飞机机翼等关键部件的失效进行预测其中q是材料常数，对于铝合金，q3.3. S-N曲线可以通过下面给出的任何或所有方法来估计材料的疲劳特性。应力寿命（S-N）应变寿命（e-N）裂纹扩展速率（da/（dN-DK））应力-寿命（S-N）曲线法是确定不同材料疲劳寿命的常用方法。通过S-N曲线实现性能的一般在这种情况下，应特别注意交变应力及其与失效循环次数的比较[18]。S-N方程为[19]Snab12哪里ANSYS模拟，以估计疲劳寿命，通过使用不同半径的U形切口传感器尽可能多的真实结构。在这种情况下，对铝合金7075-T6进行评估，其用于传感器的机械性能如表4所示。** 疲劳延性系数定义为常规对数延性或单调断裂延性，ef定义为：fln.1Σð1 3Þ其中RA是拉伸试验后试样的面积减少量。表4铝合金7075-T6的机械性能[20]。属性值密度2.77 g/cm3杨氏泊松a0：9SutSf和b1日志0： 9SUT第12章：你12 B剪切模量27 GPa疲劳强度（耐久极限）160 MPa屈服强度468.8 MPa极限强度579 MPa疲劳强度系数887.6 Mpa疲劳延性系数**0.4664疲劳寿命百分比的拟议传感器建模如图所示。 六、表5疲劳缺口系数（Kf）的量值。如图所示，有四种类型的百分比。在该模型采用了不同疲劳寿命的第四种情况切口半径（mm）应力集中系数（Kt）疲劳缺口系数（Kf）该传感器利用易碎材料向内的手指。6.412.71.061.031.0561.028利用不常见的几何细节来制造191.021.021向内的手指。这就保证了手指会断裂，25.41.011.009达到预期疲劳寿命的25%、50%、75%和90%，见图6。传感器的疲劳寿命百分比ð410T. Alshahbouni，A.Güngör/工程科学与技术，国际期刊22（2019）405使用图2.6[21]计算了受拉时带有相对浅U形切口的平板的应力集中系数Kt。疲劳缺口系数（Kf）也可根据Peterson公式（11）计算ANSYS模拟结果表明，最大方向变形存在于传感器左侧的Y轴上（图7），并且传感器的左右部分之间是对称的。事实上，在这种情况下，对称是必需的;因此，该术语适用于几何形状，约束-各种条件和施加的载荷。此外，Fig. 图8和图9示出了传感器中部的总变形（长度为最小U形切口半径（ r = 6.4 mm）的应变（r = 152.5 mm ）为0.14872 mm，最大U形切口半径（r = 25.4 mm）的应变（r =152.5 mm）为0.15166 mm。因此，该数据表明，由于切口几何形状不同，切口根部的应变将不同。压力比其他区域更集中。因此，工程师们更感兴趣的是了解裂纹尖端附近的最大应力以及它是否超过断裂韧性。见图7。 沿传感器Y轴的方向变形。见图8。 r = 6.4 mm时疲劳传感器模型的总变形。T. Alshahbouni，A.Güngör/工程科学与技术，国际期刊22（2019）405411见图9。 r = 25.4 mm时疲劳传感器模型的总变形。实际上，很难估计这些区域的应力因此，应力强度决定裂纹是否会扩展。因此，图10显示了U形切口几何形状附近的最大应力强度。最大应力强度的值r = 6.4mm时，压力为91.009MPa。另一方面，图11显示了等效应力。等效应力是最大等效应力失效理论的一部分，用于预测韧性材料的屈服，它允许将任意二维应力状态表示为单个正应力值。最大等效应力值为90.815 MPa。表6显示了从模拟结果中获得的等效应力的大小，并且为了更加清楚，将结果绘制到图中，如图1所示。 12个。这些结果与U形切口路径的比较如图所示。 13岁小半径的U形切口可能在低于屈服应力的应力下失效J. Bannantine研究了许多金属疲劳分析模型，以及如何获得实验测试数据并将数据转换为应力应变寿命模型[22]。B. Joadder等人研究了应变控制下圆缺口试件的失效循环见图10。传感器的应力强度412T. Alshahbouni，A.Güngör/工程科学与技术，国际期刊22（2019）405见图11。 等效应力与U形切口半径。表6等效应力与U形切口半径。U形切口半径（mm）等效应力（MPa）6.490.81512.778.6861974.4125.468.715循环载荷，预测使用的应变寿命关系，从实验上的平面疲劳圆标本，并通过使用有限元模型和材料参数，通过比较有限元结果和实验结果的低周疲劳试验的圆标本进行最大应变值用于预测失效循环[23] 。 Cendon 等 人 使 用 数 值 研 究 方 法 （ LS-DYNA 971 软 件（ Livermore Software Technology Corporation ， Livermore ，California，USA））[24]，在不同加载模式下对由该材料制成的U形缺口和V形缺口样本进行了测试。所有这些论文都集中在同一个目的，并支持这些结果。图14所示结果表明，半径r = 25.4 mm时，U形缺口处的疲劳寿命较长，而半径r = 25.4 mm时，疲劳寿命较短见图12。 等效应力与U形切口半径。在U形切口半径r = 6.4 mm处，因为应力集中发生在较小的U形切口半径上，首先导致失效。为了更满意地绘制上图中的模拟数据到图中所示的图形形状。图15显示了疲劳寿命与U形切口半径的关系。理论分析包括利用主应力值求出结构构件的疲劳寿命它们需要找到平均应力和交变应力，以找到结构部件在特定疲劳应力下的疲劳极限给出了基于实测值的实际应力值这些公式用于计算第3节中的疲劳寿命。因此，传感器组件在最大应力下失效前可承受的循环次数为3.5760e+06。从表7可以看出，理论疲劳寿命为3.5760e+06次循环，而软件分析的数值疲劳寿命为1.6979e+06次循环。数值计算结果与理论计算结果吻合较好，但在应力水平上数值计算结果与理论计算结果的偏差比较这主要是因为通过模拟预测疲劳寿命的准确性取决于适当材料模型（尤其是网格参数）的选择和所用材料机械性能的可靠性[25]。图16显示了使用不同U形切口半径以及无切口几何形状时交变应力与循环次数之间的关系。结果表明，U形切口半径r = 25.4 mm时，疲劳寿命较长，而r = 6.4mm时，疲劳寿命较短，切口处应力集中程度较高，疲劳寿命较低的切口处最先失效。为了设计一个结构，表征不同因素之间的联系是至关重要的，这会影响疲劳寿命。一个流行的方法，这一目标的特点是使用S-N曲线的关系。这里，S表示循环应力范围，N表示部件或结构失效后的循环次数。缺口几何形状对材料的疲劳寿命有着深远的影响，这导致每个缺口梁的疲劳极限提高，这是所提出的疲劳损伤传感器的一部分。T. Alshahbouni，A.Güngör/工程科学与技术，国际期刊22（2019）405413图十三. 等效应力与U形切口路径之间的压缩。图14. 传感器模型的疲劳寿命。Collins（2010）分析了应变控制循环载荷下缺口圆形样本的疲劳寿命使用最大值预测失效循环，将预测结果与实验结果进行比较[19]。Kaplan和Ozkul介绍了一种新型疲劳传感器的细节，该传感器设计用于监测关键任务机械系统的健康状态，并描述了传感器如何在实际灾难性故障发生之前感知疲劳相关退化，并为更换疲劳部件提供充足的时间[26]。Liu等人研究了U形缺口聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）板的疲劳寿命预测，并使用ABAQUS基于疲劳损伤机制和疲劳裂纹扩展机制的组合进行了数值研究。通过结合裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命计算缺口板的总疲劳寿命[10]。Branco等人着重于应用总应变能密度法评估缺口试样的疲劳寿命414T. Alshahbouni，A.Güngör/工程科学与技术，国际期刊22（2019）405图15.疲劳寿命与U形切口半径。表7传感器模型的理论和数值疲劳寿命之间的比较。切口半径（mm）疲劳寿命（数值）疲劳寿命（理论）6.41.6979e+063.5760e+0612.73.8028e+064.1057e+06191.1032e+074.3092e+0725.41.000e+084.5217e+07承受多轴载荷。为了减少与疲劳主曲线生成相关的时间和成本，提出了一种基于仅两个单轴应变控制试验结果的简单方法[27]。然而，这项研究是基于设计，实施和分析，利用ANSYS Workbench软件对传感器的疲劳寿命进行了仿真，并与理论分析进行了比较。5. 结论建立了U形切口疲劳传感器的疲劳寿命仿真模型，并利用ANSYSWorkbench软件对不同切口半径的U形切口疲劳传感器进行了等效应力和疲劳寿命分析结果与以前的研究结果一致。主要结论如下：1. 最大等效应力值随切口半径的增大而减小。图16. 有缺口和无缺口的交变应力与循环次数。T. Alshahbouni，A.Güngör/工程科学与技术，国际期刊22（2019）4054152. 在缺口半径为6.4mm的有限元模型中，最大等效应力为90.815MPa。3. 疲劳寿命取决于U形切口半径和施加的应力。4. U形切口半径的增加也增加了疲劳寿命。5. 与铝合金7075-T6的疲劳极限相比，疲劳传感器的每个U形切口梁具有较低的疲劳极限6. 当U形切口半径等于或小于6.4 mm时，疲劳损坏发生在U形切口半径致谢作者感谢来自祖国的资金支持，并感谢土耳其Karabük大学冶金和材料工程系的教师的支持与合作。引用[1] S. 苏瑞什，材料疲劳，剑桥大学出版社，1998年。[2] T.厄兹库尔卡普兰，M。Dolen，用于结构健康监测的无线疲劳传感器，美国专利，2014年。[3] S. Gokanakonda，结构健康监测疲劳传感器的制造，测试和分析，哲学博士，机械和航空航天工程，西密歇根大学，2014。[4] F. 张，结构健康监测2000，第二版， CRC Press，1999.[5] C. Sikorsky，采用IV级非破坏性损伤评估方法开发土木结构健康监测系统，见：Proc.， 第二届结构健康监测国际研讨会，1999年，pp. 68比81[6] S. Tashakori ， A. Baghalian ， J. Cuervo ， V.Y. Senyurek ， I. N. 坦 塞 尔 湾Uragun，嵌入式传感器铝板上的加工特征检查，2017年第8届空间技术最新进展国际会议（RAST），2017年，第100页。 517- 522[7] G. Majzoobi，N. Daemi，缺口几何形状对疲劳寿命的影响，使用缺口敏感系数，印度金属学会学报63（2010）547-552。[8] S. Gokanakonda，M. Ghantasala，D. Kujawski，结构健康监测的疲劳传感器：原型传感器的设计，制造和实验测试，结构。控制运行状况监视器。 23（2016）237-251。[9] P. Wang，T.Takagi，T.竹野，H。Miki，早期疲劳损伤检测传感器-回顾和展望，Sens. 启动。答：物理。 198（2013）46-60。[10] W. Liu，X. Yao，Y.妈，X。Chen，G.郭湖，加-地马，U型切口PMMA板疲劳寿命的预测，疲劳断口。Eng. Mater. 结构。 40（2017）300-312。[11] G. 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