虛擬疲勞分析軟件DesignLife應(yīng)用案例

2016-01-06 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

傳統(tǒng)的汽車整車和零部件開發(fā)通常都通過(guò)產(chǎn)品在試驗(yàn)室中的臺(tái)架耐久性試驗(yàn),或試車場(chǎng)道路試驗(yàn),以驗(yàn)證產(chǎn)品是否滿足其設(shè)計(jì)目標(biāo),這一過(guò)程周期很長(zhǎng),成本很高,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題較晚。在當(dāng)今的產(chǎn)品開發(fā)中,汽車企業(yè)越來(lái)越多地應(yīng)用虛擬模擬分析技術(shù),在實(shí)物樣機(jī)出來(lái)之前就對(duì)其進(jìn)行疲勞耐久性預(yù)測(cè),在設(shè)計(jì)的早期消除不合格的設(shè)計(jì),并通過(guò)設(shè)計(jì)比較,挑選出好的設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明,進(jìn)行虛擬壽命分析,能大大加快產(chǎn)品的開發(fā),減少試驗(yàn)的工作量,節(jié)省成本。

新一代CAE疲勞分析軟件ICE-flow DesignLife是nCode公司的旗艦產(chǎn)品之一。它不僅繼承了已經(jīng)在工程上得到廣泛應(yīng)用的FE-Fatigue的功能特點(diǎn),而且在軟件的使用方便性方面也有了極大的改進(jìn)。本文首先介紹虛擬壽命分析的一般步驟,然后將重點(diǎn)介紹在汽車零部件疲勞分析中應(yīng)用DesignLife的幾個(gè)案例,以幫助讀者深入了解并把握虛擬疲勞分析中的一些要點(diǎn)和難點(diǎn)。

典型步驟

疲勞分析是一項(xiàng)較為復(fù)雜的工作,通常需要分析者對(duì)所分析的問(wèn)題,以及需要從分析中獲得什么樣的結(jié)果有一個(gè)深刻的理解。通常所說(shuō)的虛擬疲勞分析,指的是基于有限元分析結(jié)果的疲勞分析,就是將有限元分析結(jié)果,通常是應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果,作為疲勞分析的一個(gè)主要輸入。通過(guò)一個(gè)疲勞分析模型,計(jì)算出零部件或結(jié)構(gòu)表面的疲勞壽命分布,以幫助判斷設(shè)計(jì)壽命是否達(dá)到,或進(jìn)行壽命優(yōu)化設(shè)計(jì)。步驟如下:

1. 選擇一個(gè)合適的疲勞分析模型

汽車疲勞分析中常用的分析模型有局部應(yīng)力法、局部應(yīng)變法、焊點(diǎn)疲勞分析法和焊縫疲勞分析法,另外還有較為復(fù)雜的Dang Van多軸安全因子法、振動(dòng)疲勞分析和高溫疲勞分析等。不同的分析方法需要不同的有限元分析結(jié)果和材料性能輸入。

2. 準(zhǔn)備有限元分析結(jié)果

一旦疲勞分析模型已經(jīng)選擇,那么需要什么有限元分析結(jié)果也將明確。比如,局部應(yīng)力或應(yīng)變法通常需要應(yīng)力結(jié)果,而焊點(diǎn)分析法則需要焊點(diǎn)單元的力和力矩。有限元分析通常對(duì)每一個(gè)作用在零部件或結(jié)構(gòu)中的力和力矩做單位靜力線性計(jì)算,應(yīng)力輸出結(jié)果可以是未平均的,或已平均的節(jié)點(diǎn)值,或者單元值。

3. 準(zhǔn)備載荷輸入數(shù)據(jù)

使用什么載荷數(shù)據(jù)對(duì)于疲勞分析至關(guān)重要,載荷定義了汽車的使用環(huán)境,也決定了疲勞分析的結(jié)果。比如,載荷輸入如果是試車場(chǎng)中采集的信號(hào),那么疲勞分析結(jié)果將會(huì)是汽車在試驗(yàn)場(chǎng)中行駛的壽命,而不是在公共路面行駛的壽命。特別需要指出的是,對(duì)于汽車零部件或結(jié)構(gòu)的疲勞分析,通常需要相對(duì)真實(shí)的時(shí)域載荷數(shù)據(jù),以保證疲勞分析結(jié)果的合理性。如果無(wú)法測(cè)得實(shí)際的數(shù)據(jù),那么多體動(dòng)力學(xué)是分析載荷傳遞的強(qiáng)有力的工具。

4. 準(zhǔn)備材料數(shù)據(jù)

疲勞分析需要材料的疲勞性能數(shù)據(jù),高精度的疲勞壽命預(yù)測(cè)離不開真實(shí)的材料性能輸入。如果獲得真實(shí)數(shù)據(jù)有困難,那么可從軟件自帶的材料數(shù)據(jù)庫(kù)中尋找,nCode的DesignLife自帶的200多種材料大多數(shù)是汽車用鋼,如果數(shù)據(jù)庫(kù)中也沒(méi)有相對(duì)應(yīng)的材料,那么軟件可以根據(jù)材料的抗拉強(qiáng)度估算出S-N或E-N曲線。值得指出的是,汽車的疲勞分析有時(shí)著重于壽命的相對(duì)比較,材料性能的精確性并不是必須的。

5. 進(jìn)行疲勞分析

設(shè)定疲勞分析參數(shù)是一項(xiàng)非常重要的工作,一個(gè)疲勞分析模型一般包含許多選項(xiàng),比如,平均應(yīng)力修正、缺口修正和多軸性考慮等。同時(shí),有限元結(jié)果、載荷數(shù)據(jù)和材料性能也有不同的輸入類型,這些都需要設(shè)定。DesignLife還包括了一些諸如多分析任務(wù)、熱點(diǎn)計(jì)算、多處理器并行計(jì)算、眾多的疲勞結(jié)果輸出格式及計(jì)算加速等高級(jí)功能。

6. 疲勞分析結(jié)果評(píng)價(jià)

從一個(gè)疲勞分析中,通常可以得到疲勞壽命或疲勞損傷云圖,以及每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)或單元的疲勞結(jié)果和多軸性結(jié)果。正確判斷分析結(jié)果的合理性、可靠性至關(guān)重要。對(duì)于疲勞理論的深刻理解,以及和以前的試驗(yàn)結(jié)果比較,有助于對(duì)結(jié)果作出準(zhǔn)確的解讀。

應(yīng)用案例

1. 減振器上支座疲勞分析

減振器上支座受力比較復(fù)雜,在開發(fā)試驗(yàn)中容易產(chǎn)生疲勞開裂。在設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)它的疲勞壽命能否達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)非常重要。圖1所示的是用DesignLife構(gòu)建的對(duì)減振器上支座鈑金件材料和焊點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行疲勞分析的一個(gè)流程。分析的目的是預(yù)測(cè)該結(jié)構(gòu)在試車場(chǎng)一段強(qiáng)化路面行駛時(shí)的疲勞耐久性。對(duì)于這一問(wèn)題,我們選擇DesignLife軟件中預(yù)置的應(yīng)變壽命和焊點(diǎn)分析模型,分別對(duì)基體材料和結(jié)構(gòu)中的焊點(diǎn)進(jìn)行疲勞分析。支座結(jié)構(gòu)已經(jīng)被簡(jiǎn)化為受3個(gè)方向的變化的力,見圖1。

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圖1 在一個(gè)分析流程中同時(shí)計(jì)算基體材料和焊點(diǎn)的疲勞壽命

在疲勞分析之前,我們需要對(duì)這3個(gè)力分別進(jìn)行單位靜力有限元分析,獲取支座中產(chǎn)生的應(yīng)力以及通過(guò)焊點(diǎn)所傳遞的力和力矩,作為疲勞分析的輸入。本案例的動(dòng)載荷輸入是根據(jù)從強(qiáng)化路面實(shí)測(cè)的車輪六分力,經(jīng)過(guò)多體動(dòng)力學(xué)獲得的。支座所用的鋼板厚度為0.8~3mm,抗拉強(qiáng)度約為600MPa,焊點(diǎn)均為自動(dòng)焊。疲勞分析所需的鋼板材料的E-N曲線和焊點(diǎn)S-N曲線均從DesignLife軟件中自帶的材料庫(kù)中選取。E-N疲勞分析采用絕對(duì)值最大主應(yīng)力作為計(jì)算參量,并考慮應(yīng)力多軸性的影響,平均應(yīng)力修正選用SWT方法。焊點(diǎn)的分析也考慮了平均應(yīng)力的影響,沿焊點(diǎn)周向每隔10°計(jì)算疲勞損傷。分析結(jié)果的輸出為基體材料的疲勞壽命(或損傷云圖),和每個(gè)焊點(diǎn)的壽命標(biāo)志圖,見圖1。每個(gè)單元的疲勞壽命列表,以及每個(gè)焊點(diǎn)的壽命結(jié)果列表也同時(shí)輸出并排序。從結(jié)果云圖中很容易發(fā)現(xiàn)可能的開裂位置和容易開裂的焊點(diǎn)。

2. 白車身的組合工況疲勞分析

白車身的疲勞分析和上述的減振器上支座的疲勞分析基本類似。車身結(jié)構(gòu)上可能有七八十甚至上百個(gè)各個(gè)方向的力和力矩,材料及板厚也多種多樣。圖2為白車身鈑金件在試車場(chǎng)5種不同路面組合工況下的疲勞壽命分析流程。DesignLife可以組合各種路面載荷并計(jì)算其總壽命,同時(shí)也可以對(duì)各種載荷工況下的疲勞損傷進(jìn)行計(jì)算,幫助鑒別出最危險(xiǎn)的路面工況。本案例的3個(gè)主要輸入為:從MSC.NASTRAN獲得的近20個(gè)有限元單位力靜力分析應(yīng)力結(jié)果;各個(gè)鈑金件所對(duì)應(yīng)的MS EXCEL格式的材料表單;5種路面的道路載荷譜,它們之間的比例通過(guò)DesignLife中的任務(wù)工況創(chuàng)建器預(yù)先定義。疲勞分析采用E-N法。圖2中的右上圖為組合工況下的疲勞損傷圖,并標(biāo)出了疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)。疲勞分析結(jié)果也在圖2右下表中列出。

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圖2 白車身疲勞分析流程圖

3. 焊縫疲勞分析

薄板縫焊在汽車底盤件中經(jīng)常使用,這些焊縫的耐久性也對(duì)整個(gè)底盤的結(jié)構(gòu)完整性有著決定性的影響。本案例的分析對(duì)象是懸架系統(tǒng)中的縱臂,內(nèi)有一條環(huán)向焊縫。圖3表示了縱臂焊縫的疲勞分析DesignLife流程。該縱臂受軸頭傳遞過(guò)來(lái)的3個(gè)力和3個(gè)力矩,其中的左下圖為實(shí)測(cè)的路面道路載荷譜作為分析的一個(gè)輸入。分析的另一個(gè)主要輸入為對(duì)應(yīng)于3個(gè)力和3個(gè)力矩的有限元分析結(jié)果。疲勞分析采用和Volvo汽車集團(tuán)合作開發(fā)的焊縫分析器,其方法細(xì)節(jié)請(qǐng)參見nCode技術(shù)資料。分析只對(duì)焊縫單元進(jìn)行,通過(guò)DesignLife中內(nèi)置的焊縫S-N曲線,計(jì)算出焊縫單元上下兩排節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命值。圖3中的右上圖顯示了沿著焊縫的壽命分布,紅色區(qū)為薄弱區(qū)域,右下表同時(shí)給出了疲勞壽命的結(jié)果列表。

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圖3 縱臂焊縫的疲勞分析流程

4. 車輪的疲勞壽命分析

圖4是一個(gè)車輪的疲勞分析流程,用實(shí)測(cè)的軸頭垂向力對(duì)車輪的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。分析的主要輸入為:軸頭垂向力以及相對(duì)應(yīng)的方向正弦和余弦;車輪在不同角度時(shí)中心受力后的有限元應(yīng)力結(jié)果。分析采用關(guān)鍵面應(yīng)力壽命法,流程中內(nèi)含了一個(gè)將軸頭各個(gè)時(shí)刻的垂向力分解到車輪相對(duì)應(yīng)的各個(gè)旋轉(zhuǎn)角,以對(duì)應(yīng)于有限元應(yīng)力結(jié)果。圖中的疲勞損傷云圖清楚地給出了可能的開裂位置,可在設(shè)計(jì)的早期對(duì)車輪進(jìn)行壽命優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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圖4 車輪的疲勞分析

結(jié)語(yǔ)

本文所描述的CAE虛擬疲勞分析步驟是一般性的,對(duì)于汽車零部件和結(jié)構(gòu)相信具有指導(dǎo)意義。所給出的案例均為典型的實(shí)際應(yīng)用,已廣泛用于汽車的疲勞耐久性分析。值得指出的是,本文所給出的DesignLife分析流程,均可作為模板供類似的分析任務(wù)重復(fù)調(diào)用,或作進(jìn)一步的編輯修改。對(duì)流程也可以進(jìn)行封裝和加密,并可自動(dòng)生成分析報(bào)告,以執(zhí)行企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),使復(fù)雜的疲勞耐久性分析工作對(duì)于一般的工程師都能勝任和順利完成。(end)

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