虛擬疲勞分析軟件DesignLife應(yīng)用案例
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- 虛擬疲勞分析軟件DesignLife應(yīng)用案例通常都通過(guò)產(chǎn)品在試驗(yàn)室中的臺(tái)架耐久性試驗(yàn)，或試車(chē)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(kāi)發(fā)中，汽車(chē)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(kāi)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)場(chǎng)中采集的信號(hào)，那么疲勞分析結(jié)果將會(huì)是汽車(chē)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(chē)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(kāi)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(chē)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(chē)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(lèi)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(kāi)發(fā)試驗(yàn)中容易產(chǎn)生疲勞開(kāi)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(chē)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(jiàn)圖1。 ...
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