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虚拟疲劳分析软件DesignLife应用案例
英国nCode国际有限公司 林晓斌
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传统的汽车整车和零部件开发通常都通过产品在试验室中的台架耐久性试验，或试车场道路试验，以验证产品是否满足其设计目标，这一过程周期很长，成本很高，发现问题较晚。在当今的产品开发中，汽车企业越来越多地应用虚拟模拟分析技术，在实物样机出来之前就对其进行疲劳耐久性预测，在设计的早期消除不合格的设计，并通过设计比较，挑选出好的设计。实践证明，进行虚拟寿命分析，能大大加快产品的开发，减少试验的工作量，节省成本。
新一代CAE疲劳分析软件ICE-flow DesignLife是nCode公司的旗舰产品之一。它不仅继承了已经在工程上得到广泛应用的FE-Fatigue的功能特点，而且在软件的使用方便性方面也有了极大的改进。本文首先介绍虚拟寿命分析的一般步骤，然后将重点介绍在汽车零部件疲劳分析中应用DesignLife的几个案例，以帮助读者深入了解并把握虚拟疲劳分析中的一些要点和难点。
典型步骤
疲劳分析是一项较为复杂的工作，通常需要分析者对所分析的问题，以及需要从分析中获得什么样的结果有一个深刻的理解。通常所说的虚拟疲劳分析，指的是基于有限元分析结果的疲劳分析，就是将有限元分析结果，通常是应力应变结果，作为疲劳分析的一个主要输入。通过一个疲劳分析模型，计算出零部件或结构表面的疲劳寿命分布，以帮助判断设计寿命是否达到，或进行寿命优化设计。步骤如下：
1. 选择一个合适的疲劳分析模型
汽车疲劳分析中常用的分析模型有局部应力法、局部应变法、焊点疲劳分析法和焊缝疲劳分析法，另外还有较为复杂的Dang Van多轴安全因子法、振动疲劳分析和高温疲劳分析等。不同的分析方法需要不同的有限元分析结果和材料性能输入。
2. 准备有限元分析结果
一旦疲劳分析模型已经选择，那么需要什么有限元分析结果也将明确。比如，局部应力或应变法通常需要应力结果，而焊点分析法则需要焊点单元的力和力矩。有限元分析通常对每一个作用在零部件或结构中的力和力矩做单位静力线性计算，应力输出结果可以是未平均的，或已平均的节点值，或者单元值。
3. 准备载荷输入数据
使用什么载荷数据对于疲劳分析至关重要，载荷定义了汽车的使用环境，也决定了疲劳分析的结果。比如，载荷输入如果是试车场中采集的信号，那么疲劳分析结果将会是汽车在试验场中行驶的寿命，而不是在公共路面行驶的寿命。特别需要指出的是，对于汽车零部件或结构的疲劳分析，通常需要相对真实的时域载荷数据，以保证疲劳分析结果的合理性。如果无法测得实际的数据，那么多体动力学是分析载荷传递的强有力的工具。
4. 准备材料数据
疲劳分析需要材料的疲劳性能数据，高精度的疲劳寿命预测离不开真实的材料性能输入。如果获得真实数据有困难，那么可从软件自带的材料数据库中寻找，nCode的DesignLife自带的200多种材料大多数是汽车用钢，如果数据库中也没有相对应的材料，那么软件可以根据材料的抗拉强度估算出S-N或E-N曲线。值得指出的是，汽车的疲劳分析有时着重于寿命的相对比较，材料性能的精确性并不是必须的。
5. 进行疲劳分析
设定疲劳分析参数是一项非常重要的工作，一个疲劳分析模型一般包含许多选项，比如，平均应力修正、缺口修正和多轴性考虑等。同时，有限元结果、载荷数据和材料性能也有不同的输入类型，这些都需要设定。DesignLife还包括了一些诸如多分析任务、热点计算、多处理器并行计算、众多的疲劳结果输出格式及计算加速等高级功能。
6. 疲劳分析结果评价
从一个疲劳分析中，通常可以得到疲劳寿命或疲劳损伤云图，以及每个计算节点或单元的疲劳结果和多轴性结果。正确判断分析结果的合理性、可靠性至关重要。对于疲劳理论的深刻理解，以及和以前的试验结果比较，有助于对结果作出准确的解读。
应用案例
1. 减振器上支座疲劳分析
减振器上支座受力比较复杂，在开发试验中容易产生疲劳开裂。在设计阶段预测它的疲劳寿命能否达到设计目标非常重要。图1所示的是用DesignLife构建的对减振器上支座钣金件材料和焊点同时进行疲劳分析的一个流程。分析的目的是预测该结构在试车场一段强化路面行驶时的疲劳耐久性。对于这一问题，我们选择DesignLife软件中预置的应变寿命和焊点分析模型，分别对基体材料和结构中的焊点进行疲劳分析。支座结构已经被简化为受3个方向的变化的力，见图1。

（图片）

图1 在一个分析流程中同时计算基体材料和焊点的疲劳寿命

在疲劳分析之前，我们需要对这3个力分别进行单位静力有限元分析，获取支座中产生的应力以及通过焊点所传递的力和力矩，作为疲劳分析的输入。本案例的动载荷输入是根据从强化路面实测的车轮六分力，经过多体动力学获得的。支座所用的钢板厚度为0.8～3mm，抗拉强度约为600MPa，焊点均为自动焊。疲劳分析所需的钢板材料的E-N曲线和焊点S-N曲线均从DesignLife软件中自带的材料库中选取。E-N疲劳分析采用绝对值最大主应力作为计算参量，并考虑应力多轴性的影响，平均应力修正选用SWT方法。焊点的分析也考虑了平均应力的影响，沿焊点周向每隔10°计算疲劳损伤。分析结果的输出为基体材料的疲劳寿命（或损伤云图），和每个焊点的寿命标志图，见图1。每个单元的疲劳寿命列表，以及每个焊点的寿命结果列表也同时输出并排序。从结果云图中很容易发现可能的开裂位置和容易开裂的焊点。
2. 白车身的组合工况疲劳分析
白车身的疲劳分析和上述的减振器上支座的疲劳分析基本类似。车身结构上可能有七八十甚至上百个各个方向的力和力矩，材料及板厚也多种多样。图2为白车身钣金件在试车场5种不同路面组合工况下的疲劳寿命分析流程。DesignLife可以组合各种路面载荷并计算其总寿命，同时也可以对各种载荷工况下的疲劳损伤进行计算，帮助鉴别出最危险的路面工况。本案例的3个主要输入为：从MSC.NASTRAN获得的近20个有限元单位力静力分析应力结果；各个钣金件所对应的MS EXCEL格式的材料表单；5种路面的道路载荷谱，它们之间的比例通过DesignLife中的任务工况创建器预先定义。疲劳分析采用E-N法。图2中的右上图为组合工况下的疲劳损伤图，并标出了疲劳危险点。疲劳分析结果也在图2右下表中列出。

（图片）

图2 白车身疲劳分析流程图

3. 焊缝疲劳分析
薄板缝焊在汽车底盘件中经常使用，这些焊缝的耐久性也对整个底盘的结构完整性有着决定性的影响。本案例的分析对象是悬架系统中的纵臂，内有一条环向焊缝。图3表示了纵臂焊缝的疲劳分析DesignLife流程。该纵臂受轴头传递过来的3个力和3个力矩，其中的左下图为实测的路面道路载荷谱作为分析的一个输入。分析的另一个主要输入为对应于3个力和3个力矩的有限元分析结果。疲劳分析采用和Volvo汽车集团合作开发的焊缝分析器，其方法细节请参见nCode技术资料。分析只对焊缝单元进行，通过DesignLife中内置的焊缝S-N曲线，计算出焊缝单元上下两排节点的疲劳寿命值。图3中的右上图显示了沿着焊缝的寿命分布，红色区为薄弱区域，右下表同时给出了疲劳寿命的结果列表。

（图片）

图3 纵臂焊缝的疲劳分析流程

4. 车轮的疲劳寿命分析
图4是一个车轮的疲劳分析流程，用实测的轴头垂向力对车轮的疲劳寿命进行预测。分析的主要输入为：轴头垂向力以及相对应的方向正弦和余弦；车轮在不同角度时中心受力后的有限元应力结果。分析采用关键面应力寿命法，流程中内含了一个将轴头各个时刻的垂向力分解到车轮相对应的各个旋转角，以对应于有限元应力结果。图中的疲劳损伤云图清楚地给出了可能的开裂位置，可在设计的早期对车轮进行寿命优化设计。

（图片）

图4 车轮的疲劳分析

结语
本文所描述的CAE虚拟疲劳分析步骤是一般性的，对于汽车零部件和结构相信具有指导意义。所给出的案例均为典型的实际应用，已广泛用于汽车的疲劳耐久性分析。值得指出的是，本文所给出的DesignLife分析流程，均可作为模板供类似的分析任务重复调用，或作进一步的编辑修改。对流程也可以进行封装和加密，并可自动生成分析报告，以执行企业标准，使复杂的疲劳耐久性分析工作对于一般的工程师都能胜任和顺利完成。 11/14/2008

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