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用MSC.Fatigue快速计算大模型的方法
上海汽车乘用车公司 金海峰 张伟
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摘要：本文介绍了用MSC.Fatigue 软件通过识别危险区域快速计算大模型的方法，并以某车身基于路谱的疲劳寿命分析为例，详细介绍了快速分析方法。本方法特别适用于单元数量多，载荷时间历程长的大模型，在获得到同样精度计算结果的前提下，可以显著缩短计算时间。
关键字：危险区域，疲劳寿命
1 前言
用MSC.Fatigue计算零部件疲劳寿命时，通常的分析方法是，对模型所有单元的应力与载荷时间历程叠加得到疲劳寿命结果。但随着计算机技术的发展和各行各业对有限元技术要求的提高，有限元模型对事物的描述也越来越细致，这直接导致模型的单元数量大量增加和分析工况变得更复杂。对愈来愈庞大的模型，用通常的方法做疲劳分析，由于其耗时太长而难以在设计的各个阶段及时参与产品的耐久分析。
本文用识别危险区域的方法，以某车身基于路谱的疲劳分析为例，介绍了一种能够快速计算大模型的方法。
2 方法介绍
在实际耐久试验和疲劳分析中，我们可以发现可能发生疲劳破坏的区域只占整个模型的很小一部分。用通常的方法做疲劳分析时，一般用所有单元的应力和完整的载荷时间历程叠加计算整个模型的疲劳寿命，而得到的结果中，我们通常只关心局部危险区域的疲劳寿命结果和分布。也就是说用通常的方法分析的疲劳寿命，事实是上用大量的时间计算了绝大部分的无效区域。
如果能够快速找出危险区域，并仅对危险区域做疲劳分析，则势必能够节省大量计算时间。根据这个思路，本方法分成两部分，第一部分是识别危险区域，第二部分是仅对危险区域单元的应力与完整的时间历程叠加计算出精确的疲劳寿命，分析流程如图1所示。其中，在第一部分中先用MSC.Patran的Peak-Valley Extraction工具对时间历程做Peak-Valley计算，来抽取时间历程的峰和谷的值，得到仅带有峰和谷的时间历程；然后用这个时间历程与所有单元的应力叠加生成初步的寿命结果；再根据这个结果用MSC.Patran的List工具筛选出危险区域，以备用于第二部分计算。下面以某汽车基于Pave路面激励下的疲劳分析为例，详述快速计算过程。

（图片）

图1 用MSC.Fatigue快速计算大模型的分析流程

3 工程实例
某车身有限元Trim body模型如图2所示，包含有570412个壳体单元。载荷时间历程为62541点，共96个通道，图3是某三个载荷的时间历程。

（图片）

图2 某车身有限元Trim body模型

根据流程， 先做载荷时间历程的Peak-Valley计算，计算时设置门限值为90%，可以得到如图4所示的仅含有峰值和谷值的时间历程曲线，时间历程长度由原来的62541减少到196。

（图片）

然后用车身所有单元的应力与此时间历程叠加计算得到初步的寿命结果，如图5所示。根
据初步寿命结果，用MSC.Patran的List工具筛选危险区域单元，本例中选取的范围是寿命小于9.99x1019的所有单元。
对筛选出的单元重新分组和重新附材料后，与完整的时间历程叠加计算出危险区域的疲劳寿命，如图6所示。
本实例如用常用的方法直接用所有单元应力对完整的时间历程叠加，计算时间需要20小时左右，而用本方法整个计算过程仅需要2小时左右，可以极大地缩短计算时间。

（图片）

图5 初步的寿命结果

（图片）

图6 危险区域寿命结果

4 结论
通过识别危险区域，再对危险区域进行详细的疲劳分析的方法，可以显著提高计算效率，并能获得与通过直接计算得到的相同的结果。本方法特别适用于单元数量多，载荷时间历程长的大模型的疲劳耐久分析。
参考文献
[1] MSC.Fatigue User's Guide
[2] 周传月，郑红霞，罗慧强等，MSC.Fatigue 疲劳分析应用与实例，北京：科学出版社2005.3 3/27/2011

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