虛擬疲勞分析軟件DesignLife應用案例

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

傳統的汽車(chē)整車(chē)和零部件開(kāi)發(fā)通常都通過(guò)產(chǎn)品在試驗室中的臺架耐久性試驗,或試車(chē)場(chǎng)道路試驗,以驗證產(chǎn)品是否滿(mǎn)足其設計目標,這一過(guò)程周期很長(cháng),成本很高,發(fā)現問(wèn)題較晚。在當今的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中,汽車(chē)企業(yè)越來(lái)越多地應用虛擬模擬分析技術(shù),在實(shí)物樣機出來(lái)之前就對其進(jìn)行疲勞耐久性預測,在設計的早期消除不合格的設計,并通過(guò)設計比較,挑選出好的設計。實(shí)踐證明,進(jìn)行虛擬壽命分析,能大大加快產(chǎn)品的開(kāi)發(fā),減少試驗的工作量,節省成本。

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(chē)零部件疲勞分析中應用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

疲勞分析是一項較為復雜的工作,通常需要分析者對所分析的問(wèn)題,以及需要從分析中獲得什么樣的結果有一個(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果的疲勞分析,就是將有限元分析結果,通常是應力應變結果,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,計算出零部件或結構表面的疲勞壽命分布,以幫助判斷設計壽命是否達到,或進(jìn)行壽命優(yōu)化設計。步驟如下:

1. 選擇一個(gè)合適的疲勞分析模型

汽車(chē)疲勞分析中常用的分析模型有局部應力法、局部應變法、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果和材料性能輸入。

2. 準備有限元分析結果

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果也將明確。比如,局部應力或應變法通常需要應力結果,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(gè)作用在零部件或結構中的力和力矩做單位靜力線(xiàn)性計算,應力輸出結果可以是未平均的,或已平均的節點(diǎn)值,或者單元值。

3. 準備載荷輸入數據

使用什么載荷數據對于疲勞分析至關(guān)重要,載荷定義了汽車(chē)的使用環(huán)境,也決定了疲勞分析的結果。比如,載荷輸入如果是試車(chē)場(chǎng)中采集的信號,那么疲勞分析結果將會(huì )是汽車(chē)在試驗場(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,對于汽車(chē)零部件或結構的疲勞分析,通常需要相對真實(shí)的時(shí)域載荷數據,以保證疲勞分析結果的合理性。如果無(wú)法測得實(shí)際的數據,那么多體動(dòng)力學(xué)是分析載荷傳遞的強有力的工具。

4. 準備材料數據

疲勞分析需要材料的疲勞性能數據,高精度的疲勞壽命預測離不開(kāi)真實(shí)的材料性能輸入。如果獲得真實(shí)數據有困難,那么可從軟件自帶的材料數據庫中尋找,nCode的DesignLife自帶的200多種材料大多數是汽車(chē)用鋼,如果數據庫中也沒(méi)有相對應的材料,那么軟件可以根據材料的抗拉強度估算出S-N或E-N曲線(xiàn)。值得指出的是,汽車(chē)的疲勞分析有時(shí)著(zhù)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

設定疲勞分析參數是一項非常重要的工作,一個(gè)疲勞分析模型一般包含許多選項,比如,平均應力修正、缺口修正和多軸性考慮等。同時(shí),有限元結果、載荷數據和材料性能也有不同的輸入類(lèi)型,這些都需要設定。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、眾多的疲勞結果輸出格式及計算加速等高級功能。

6. 疲勞分析結果評價(jià)

從一個(gè)疲勞分析中,通??梢缘玫狡趬勖蚱趽p傷云圖,以及每個(gè)計算節點(diǎn)或單元的疲勞結果和多軸性結果。正確判斷分析結果的合理性、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果比較,有助于對結果作出準確的解讀。

應用案例

1. 減振器上支座疲勞分析

減振器上支座受力比較復雜,在開(kāi)發(fā)試驗中容易產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂。在設計階段預測它的疲勞壽命能否達到設計目標非常重要。圖1所示的是用DesignLife構建的對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。分析的目的是預測該結構在試車(chē)場(chǎng)一段強化路面行駛時(shí)的疲勞耐久性。對于這一問(wèn)題,我們選擇DesignLife軟件中預置的應變壽命和焊點(diǎn)分析模型,分別對基體材料和結構中的焊點(diǎn)進(jìn)行疲勞分析。支座結構已經(jīng)被簡(jiǎn)化為受3個(gè)方向的變化的力,見(jiàn)圖1。

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圖1 在一個(gè)分析流程中同時(shí)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(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)載荷輸入是根據從強化路面實(shí)測的車(chē)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(xiàn)和焊點(diǎn)S-N曲線(xiàn)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力作為計算參量,并考慮應力多軸性的影響,平均應力修正選用SWT方法。焊點(diǎn)的分析也考慮了平均應力的影響,沿焊點(diǎn)周向每隔10°計算疲勞損傷。分析結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)的壽命標志圖,見(jiàn)圖1。每個(gè)單元的疲勞壽命列表,以及每個(gè)焊點(diǎn)的壽命結果列表也同時(shí)輸出并排序。從結果云圖中很容易發(fā)現可能的開(kāi)裂位置和容易開(kāi)裂的焊點(diǎn)。

2. 白車(chē)身的組合工況疲勞分析

白車(chē)身的疲勞分析和上述的減振器上支座的疲勞分析基本類(lèi)似。車(chē)身結構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(chē)身鈑金件在試車(chē)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算其總壽命,同時(shí)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(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力結果;各個(gè)鈑金件所對應的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,并標出了疲勞危險點(diǎn)。疲勞分析結果也在圖2右下表中列出。

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圖2 白車(chē)身疲勞分析流程圖

3. 焊縫疲勞分析

薄板縫焊在汽車(chē)底盤(pán)件中經(jīng)常使用,這些焊縫的耐久性也對整個(gè)底盤(pán)的結構完整性有著(zhù)決定性的影響。本案例的分析對象是懸架系統中的縱臂,內有一條環(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)主要輸入為對應于3個(gè)力和3個(gè)力矩的有限元分析結果。疲勞分析采用和Volvo汽車(chē)集團合作開(kāi)發(fā)的焊縫分析器,其方法細節請參見(jiàn)nCode技術(shù)資料。分析只對焊縫單元進(jìn)行,通過(guò)DesignLife中內置的焊縫S-N曲線(xiàn),計算出焊縫單元上下兩排節點(diǎn)的疲勞壽命值。圖3中的右上圖顯示了沿著(zhù)焊縫的壽命分布,紅色區為薄弱區域,右下表同時(shí)給出了疲勞壽命的結果列表。

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圖3 縱臂焊縫的疲勞分析流程

4. 車(chē)輪的疲勞壽命分析

圖4是一個(gè)車(chē)輪的疲勞分析流程,用實(shí)測的軸頭垂向力對車(chē)輪的疲勞壽命進(jìn)行預測。分析的主要輸入為:軸頭垂向力以及相對應的方向正弦和余弦;車(chē)輪在不同角度時(shí)中心受力后的有限元應力結果。分析采用關(guān)鍵面應力壽命法,流程中內含了一個(gè)將軸頭各個(gè)時(shí)刻的垂向力分解到車(chē)輪相對應的各個(gè)旋轉角,以對應于有限元應力結果。圖中的疲勞損傷云圖清楚地給出了可能的開(kāi)裂位置,可在設計的早期對車(chē)輪進(jìn)行壽命優(yōu)化設計。

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圖4 車(chē)輪的疲勞分析

結語(yǔ)

本文所描述的CAE虛擬疲勞分析步驟是一般性的,對于汽車(chē)零部件和結構相信具有指導意義。所給出的案例均為典型的實(shí)際應用,已廣泛用于汽車(chē)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(lèi)似的分析任務(wù)重復調用,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(dòng)生成分析報告,以執行企業(yè)標準,使復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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