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基于結(jié)構(gòu)疲勞壽命可視化技術(shù)的虛擬疲勞設(shè)計
論文關(guān)鍵詞:有限元軟件;疲勞壽命預(yù)測;壽命可視化;虛擬疲勞設(shè)計
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論文摘要:介紹了大型圖形用戶界面有限元軟件、疲勞壽命預(yù)測模型、疲勞壽命可視化方法等結(jié)構(gòu)疲勞壽命可視化相關(guān)技術(shù)。分析了我國機械產(chǎn)品虛擬疲勞設(shè)計的應(yīng)用現(xiàn)狀和提高產(chǎn)品設(shè)計水平的迫切性;闡述了基于“全場”疲勞壽命可視化技術(shù)的產(chǎn)品虛擬疲勞設(shè)計構(gòu)想。以有限元軟件ANSYS為平臺，采用自行開發(fā)的疲勞壽命可視化模塊Fatigue/ANSYS對某飛機起落架框進行了疲勞壽命可視化分析及虛擬疲勞設(shè)計優(yōu)化。
疲勞是結(jié)構(gòu)在循環(huán)載荷作用下的一種失效形式。機械構(gòu)件中80%以上的破壞為疲勞失效，因此，疲勞設(shè)計成為產(chǎn)品設(shè)計過程中的重要環(huán)節(jié)。
1、結(jié)構(gòu)疲勞壽命可視化技術(shù)
1. 1結(jié)構(gòu)疲勞壽命可視化平臺—圖形用戶界面有限元軟件
隨著有限元法及數(shù)值模擬技術(shù)在工程中的廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了一批面向工程的著名有限元軟件，如ANSYS,NASTRAN等。這些軟件將有限元分析、計算機圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)緊密結(jié)合，已成為解決現(xiàn)代工程問題必不可少的工具，且一般都具有通用的數(shù)據(jù)接口、友好的圖形用戶界面、開放的二次開發(fā)功能等特點。
當(dāng)使用這些有限元軟件對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力分析后，再結(jié)合具體的應(yīng)力譜、材料的疲勞性能參數(shù)、適當(dāng)?shù)钠趬勖A(yù)測模型、應(yīng)力“準(zhǔn)靜態(tài)疊加法”以及這些軟件的二次開發(fā)功能便可計算出模型上每點的疲勞壽命，進而將壽命結(jié)果在這些有限元軟件的圖形窗體中顯示，即可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)“全場”疲勞壽命的可視化。
1. 2疲勞壽命可視化壽命預(yù)測模型
自從19世紀(jì)中期Wohler提出S一N曲線以及疲勞極限的概念至今，人們發(fā)展了各種各樣的疲勞壽命預(yù)測方法。其中，S一N應(yīng)力壽命法、∈一N局部應(yīng)變法，以及基于斷裂力學(xué)理論的疲勞裂紋擴展壽命方法已成為3種經(jīng)典的疲勞壽命預(yù)測方法。要實現(xiàn)結(jié)構(gòu)疲勞壽命的可視化，必須計算出結(jié)構(gòu)中每一點的疲勞壽命，顯然，選擇S一N應(yīng)力壽命法和￡一N局部應(yīng)變法較為方便。
(1)S一N應(yīng)力壽命法 S一N應(yīng)力壽命法是以應(yīng)力循環(huán)為參量的結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測方法，通常用于低應(yīng)力高周次的疲勞壽命預(yù)測。它包括名義應(yīng)力法、DFR法等，其基本思路是通過試樣測得材料的S一N曲線。由于試樣和實際構(gòu)件之間存在著如平均應(yīng)力、應(yīng)力集中、表面質(zhì)量、試樣幾何尺寸等的差異，需對S一N曲線進行修正;為了更合理地反映實際的疲勞載荷情況，可采用雨流技術(shù)對循環(huán)載荷進行計數(shù)，并結(jié)合Miner線性累積損傷準(zhǔn)則計算壽命。
(2)∈一N局部應(yīng)丈法 ∈一N局部應(yīng)變法是一種基于結(jié)構(gòu)局部細節(jié)應(yīng)力應(yīng)變歷程而發(fā)展起來的疲勞壽命預(yù)測方法，目前已在工程中得到了廣泛應(yīng)用。在壽命估算中，∈一N局部應(yīng)變法需要從應(yīng)變控制的標(biāo)準(zhǔn)光滑試樣試驗獲取材料∈一N曲線以及循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線，然后根據(jù)修正的Neuber方法，從局部的彈性應(yīng)力應(yīng)變計算出該處的彈塑性應(yīng)力應(yīng)變歷程，再用雨流計數(shù)法計數(shù)，最后采用Miner線性累積損傷準(zhǔn)則計算出壽命。￡一N局部應(yīng)變法主要適用于高應(yīng)力低周次的疲勞壽命估算。
(3)其它夜勞壽命預(yù)側(cè)方法盡管基于斷裂力學(xué)的裂紋擴展壽命方法主要用于較長裂紋的損傷容限分析，但近些年來，該方法有被拓展到結(jié)構(gòu)耐久性分析領(lǐng)域的趨勢。因此，該方法可望在結(jié)構(gòu)疲勞壽命可視化分析中得到應(yīng)用，并發(fā)揮其獨特的優(yōu)勢。
除了以上的疲勞壽命以外，許多較為復(fù)雜的疲勞理論模型也有望在相關(guān)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命可視化分析中得到體現(xiàn)。這些方法中較有代表性的有如下幾種:①考慮多軸應(yīng)力的影響，如疲勞能量方法、多軸疲勞理論，磨損疲勞、接觸疲勞等;②考慮環(huán)境因素影響，如熱機疲勞、蠕變疲勞、腐蝕疲勞、電致疲勞等;③考慮材料結(jié)構(gòu)因素，如復(fù)合材料疲勞、界面疲勞等。
1. 3結(jié)構(gòu)疲勞壽命可視化實現(xiàn)方法
如圖1所示，結(jié)構(gòu)疲勞壽命可視化實現(xiàn)方法可分為如下幾個步驟:①把CAD系統(tǒng)下生成的幾何模型傳人有限元分析軟件，并對其進行應(yīng)力分析;②根據(jù)應(yīng)力計算結(jié)果，采用應(yīng)力準(zhǔn)靜態(tài)疊加法則，并結(jié)合具體的應(yīng)力譜、材料疲勞性能參數(shù)、適當(dāng)?shù)钠趬勖A(yù)測模型計算出模型上每點的疲勞壽命;③通過有限元軟件的宏命令使模型每點的疲勞壽命在有限元軟件的圖形窗體中顯示，即實現(xiàn)結(jié)構(gòu)“全場”疲勞壽命的可視化。
這里需要說明幾點:①結(jié)構(gòu)疲勞壽命可視化實現(xiàn)方法的第二步可由VC.VB等語言開發(fā)的外部模塊—疲勞壽命可視化模塊來完成;②結(jié)構(gòu)上的很大一部分點應(yīng)力可能很小，壽命很長，即出現(xiàn)所謂的無限壽命(如大于108載荷循環(huán))，對于這些點，其壽命可以在分析時直接賦于某一約定的長壽命值，如108載荷循環(huán);③為了直觀，壽命可用對數(shù)壽命lg(N)顯示;④采用圖1疲勞壽命可視化方法不但可以直觀地觀察結(jié)構(gòu)“全場”的疲勞壽命分布，而且還可以給出該結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。
2、基于疲勞壽命可視化技術(shù)的虛擬疲勞設(shè)計構(gòu)想
2. 1我國機械產(chǎn)品開發(fā)中虛擬疲勞設(shè)計思想的應(yīng)用現(xiàn)狀
目前，基于結(jié)構(gòu)全場疲勞壽命可視化技術(shù)的虛擬疲勞設(shè)計思想已在一些世界級的企業(yè)集團中得到了廣泛應(yīng)用，在機械產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計中發(fā)揮的巨大作用已產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟效益。但是，我國的機械產(chǎn)品10多年來一直徘徊在傳統(tǒng)的基于試驗的“設(shè)計一試驗一調(diào)整”的開發(fā)層次上，產(chǎn)品設(shè)計水平和發(fā)達國家之間有較大差距。我國擁有較大的疲勞斷裂研究隊伍，但疲勞斷裂知識在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用水平卻相對較低，基于結(jié)構(gòu)疲勞壽命可視化技術(shù)的虛擬疲勞設(shè)計思想的應(yīng)用僅剛剛起步。
2. 2基于疲勞壽命可視化技術(shù)的虛擬疲勞設(shè)計構(gòu)想
圖2給出了傳統(tǒng)基于試驗的“設(shè)計一試驗一調(diào)整”的產(chǎn)品設(shè)計方案。從圖2可以看出，在傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計過程中，盡管設(shè)計人員在設(shè)計階段對產(chǎn)品的壽命進行了簡單估算，但這種設(shè)計壽命和實際產(chǎn)品壽命往往相差甚遠，實際產(chǎn)品壽命仍須等到產(chǎn)品樣機制造完成或試驗階段才能得到驗證。圖3給出了一種新的一體化產(chǎn)品設(shè)計方案。從圖中可以看出，該方案在傳統(tǒng)的設(shè)計方案中引人了基于疲勞壽命可視化技術(shù)的虛擬疲勞設(shè)計思想。也就是說，在實物樣機生產(chǎn)之前，通過虛擬環(huán)境下的疲勞壽命可視化技術(shù)對虛擬樣機進行全場的疲勞壽命分析與設(shè)計優(yōu)化，并使得第一個實物樣機一經(jīng)生產(chǎn)便已是一個經(jīng)過疲勞優(yōu)化了的好產(chǎn)品。這樣，大大避免設(shè)計的盲目性，提高了實物樣機第一次就能通過疲勞試驗的可能性，從而縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。與傳統(tǒng)基于試驗的“設(shè)計一試驗一調(diào)整”的產(chǎn)品設(shè)計相比有如下優(yōu)點:以疲勞壽命為設(shè)計目標(biāo);試驗只對“好”設(shè)計進行;“全場”疲勞壽命可視化，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的壽命分布直觀;不同設(shè)計方案設(shè)計的產(chǎn)品壽命評估更方便;試驗與理論緊密配合，理論指導(dǎo)試驗，試驗驗證理論;產(chǎn)品的設(shè)計是經(jīng)過基于“全場”疲勞壽命分布優(yōu)化的;產(chǎn)品性能好、開發(fā)周期短、開發(fā)成本低。
3、基于疲勞壽命可視化技術(shù)的虛擬疲勞設(shè)計應(yīng)用實例
我們用VB語言開發(fā)了以ANSYS為平臺的疲勞壽命可視化外部模塊—Fatigue/ ANSYS。用戶用ANSYS對模型進行應(yīng)力分析后，點擊該模塊便可以獲得模型上的各節(jié)點的疲勞壽命，并實現(xiàn)全場疲勞壽命的可視化。該模塊也可以與其它大型商業(yè)有限元軟件和結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件聯(lián)合使用，可以根據(jù)用戶需求提供各種壽命分析方法和模型選項。
筆者用ANSYS對某飛機起落架框進行靜力分析的應(yīng)力結(jié)果。起落架框的材料為Lc9cgs鋁合金;載荷譜為含13000載荷循環(huán)的某飛機起落架簡化譜;載荷作用于軸架孔的內(nèi)側(cè)。使用疲勞壽命可視化模塊Fatigue/ ANSYS。
這里需要說明的是，該疲勞壽命計算的方法選取了航空領(lǐng)域普遍使用的DFR方法。
起落架框的最危險點(壽命最短)位于軸架、加強肋和框板三者之間的夾角處。為此，筆者在虛擬環(huán)境下，對模型該處及其它各處的倒角進行了多次調(diào)整(增大/減小倒角)，并進行相應(yīng)的疲勞壽命可視化分析，即疲勞設(shè)計優(yōu)化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，合理的倒角布局可以使該起落架框的疲勞壽命及其分布得到較大的改善。
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