虛擬疲勞分析軟件DesignLife應(yīng)用案例

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

傳統(tǒng)的汽車整車和零部件開發(fā)通常都通過產(chǎn)品在試驗室中的臺架耐久性試驗,或試車場道路試驗,以驗證產(chǎn)品是否滿足其設(shè)計目標(biāo),這一過程周期很長,成本很高,發(fā)現(xiàn)問題較晚。在當(dāng)今的產(chǎn)品開發(fā)中,汽車企業(yè)越來越多地應(yīng)用虛擬模擬分析技術(shù),在實物樣機(jī)出來之前就對其進(jìn)行疲勞耐久性預(yù)測,在設(shè)計的早期消除不合格的設(shè)計,并通過設(shè)計比較,挑選出好的設(shè)計。實踐證明,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

疲勞分析是一項較為復(fù)雜的工作,通常需要分析者對所分析的問題,以及需要從分析中獲得什么樣的結(jié)果有一個深刻的理解。通常所說的虛擬疲勞分析,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主要輸入。通過一個疲勞分析模型,計算出零部件或結(jié)構(gòu)表面的疲勞壽命分布,以幫助判斷設(shè)計壽命是否達(dá)到,或進(jìn)行壽命優(yōu)化設(shè)計。步驟如下:

1. 選擇一個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。有限元分析通常對每一個作用在零部件或結(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中采集的信號,那么疲勞分析結(jié)果將會是汽車在試驗場中行駛的壽命,而不是在公共路面行駛的壽命。特別需要指出的是,對于汽車零部件或結(jié)構(gòu)的疲勞分析,通常需要相對真實的時域載荷數(shù)據(jù),以保證疲勞分析結(jié)果的合理性。如果無法測得實際的數(shù)據(jù),那么多體動力學(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)測離不開真實的材料性能輸入。如果獲得真實數(shù)據(jù)有困難,那么可從軟件自帶的材料數(shù)據(jù)庫中尋找,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)庫中也沒有相對應(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著重于壽命的相對比較,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)是一項非常重要的工作,一個疲勞分析模型一般包含許多選項,比如,平均應(yīng)力修正、缺口修正和多軸性考慮等。同時,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)計算、多處理器并行計算、眾多的疲勞結(jié)果輸出格式及計算加速等高級功能。

6. 疲勞分析結(jié)果評價

從一個疲勞分析中,通常可以得到疲勞壽命或疲勞損傷云圖,以及每個計算節(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。對于疲勞理論的深刻理解,以及和以前的試驗結(jié)果比較,有助于對結(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)試驗中容易產(chǎn)生疲勞開裂。在設(shè)計階段預(yù)測它的疲勞壽命能否達(dá)到設(shè)計目標(biāo)非常重要。圖1所示的是用DesignLife構(gòu)建的對減振器上支座鈑金件材料和焊點(diǎn)同時進(jìn)行疲勞分析的一個流程。分析的目的是預(yù)測該結(jié)構(gòu)在試車場一段強(qiáng)化路面行駛時的疲勞耐久性。對于這一問題,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)被簡化為受3個方向的變化的力,見圖1。

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圖1 在一個分析流程中同時計算基體材料和焊點(diǎn)的疲勞壽命

在疲勞分析之前,我們需要對這3個力分別進(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。本案例的動載荷輸入是根據(jù)從強(qiáng)化路面實測的車輪六分力,經(jīng)過多體動力學(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中選取。E-N疲勞分析采用絕對值最大主應(yīng)力作為計算參量,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),和每個焊點(diǎn)的壽命標(biāo)志圖,見圖1。每個單元的疲勞壽命列表,以及每個焊點(diǎn)的壽命結(jié)果列表也同時輸出并排序。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各個方向的力和力矩,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算其總壽命,同時也可以對各種載荷工況下的疲勞損傷進(jìn)行計算,幫助鑒別出最危險的路面工況。本案例的3個主要輸入為:從MSC.NASTRAN獲得的近20個有限元單位力靜力分析應(yīng)力結(jié)果;各個鈑金件所對應(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整個底盤的結(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來的3個力和3個力矩,其中的左下圖為實測的路面道路載荷譜作為分析的一個輸入。分析的另一個主要輸入為對應(yīng)于3個力和3個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)請參見nCode技術(shù)資料。分析只對焊縫單元進(jìn)行,通過DesignLife中內(nèi)置的焊縫S-N曲線,計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是一個車輪的疲勞分析流程,用實測的軸頭垂向力對車輪的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測。分析的主要輸入為:軸頭垂向力以及相對應(yīng)的方向正弦和余弦;車輪在不同角度時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)含了一個將軸頭各個時刻的垂向力分解到車輪相對應(yīng)的各個旋轉(zhuǎn)角,以對應(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)計的早期對車輪進(jìn)行壽命優(yōu)化設(shè)計。

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圖4 車輪的疲勞分析

結(jié)語

本文所描述的CAE虛擬疲勞分析步驟是一般性的,對于汽車零部件和結(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。對流程也可以進(jìn)行封裝和加密,并可自動生成分析報告,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于一般的工程師都能勝任和順利完成。(end)

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