基于結構疲勞壽命可視化技術(shù)的虛擬疲勞設計

      論文關(guān)鍵詞:有限元軟件;疲勞壽命預測;壽命可視化;虛擬疲勞設計

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　　論文摘要:介紹了大型圖形用戶(hù)界面有限元軟件、疲勞壽命預測模型、疲勞壽命可視化方法等結構疲勞壽命可視化相關(guān)技術(shù)。分析了我國機械產(chǎn)品虛擬疲勞設計的應用現狀和提高產(chǎn)品設計水平的迫切性;闡述了基于“全場(chǎng)”疲勞壽命可視化技術(shù)的產(chǎn)品虛擬疲勞設計構想。以有限元軟件ANSYS為平臺，采用自行開(kāi)發(fā)的疲勞壽命可視化模塊Fatigue/ANSYS對某飛機起落架框進(jìn)行了疲勞壽命可視化分析及虛擬疲勞設計優(yōu)化。

    疲勞是結構在循環(huán)載荷作用下的一種失效形式。機械構件中80%以上的破壞為疲勞失效，因此，疲勞設計成為產(chǎn)品設計過(guò)程中的重要環(huán)節。

　　1、結構疲勞壽命可視化技術(shù)

　　1. 1結構疲勞壽命可視化平臺—圖形用戶(hù)界面有限元軟件

    隨著(zhù)有限元法及數值模擬技術(shù)在工程中的廣泛應用，出現了一批面向工程的著(zhù)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)緊密結合，已成為解決現代工程問(wèn)題必不可少的工具，且一般都具有通用的數據接口、友好的圖形用戶(hù)界面、開(kāi)放的二次開(kāi)發(fā)功能等特點(diǎn)。

    當使用這些有限元軟件對產(chǎn)品結構進(jìn)行應力分析后，再結合具體的應力譜、材料的疲勞性能參數、適當的疲勞壽命預測模型、應力“準靜態(tài)疊加法”以及這些軟件的二次開(kāi)發(fā)功能便可計算出模型上每點(diǎn)的疲勞壽命，進(jìn)而將壽命結果在這些有限元軟件的圖形窗體中顯示，即可實(shí)現結構“全場(chǎng)”疲勞壽命的可視化。

　　1. 2疲勞壽命可視化壽命預測模型

    自從19世紀中期Wohler提出S一N曲線(xiàn)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測方法。其中，S一N應力壽命法、∈一N局部應變法，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)典的疲勞壽命預測方法。要實(shí)現結構疲勞壽命的可視化，必須計算出結構中每一點(diǎn)的疲勞壽命，顯然，選擇S一N應力壽命法和￡一N局部應變法較為方便。

    (1)S一N應力壽命法　S一N應力壽命法是以應力循環(huán)為參量的結構壽命預測方法，通常用于低應力高周次的疲勞壽命預測。它包括名義應力法、DFR法等，其基本思路是通過(guò)試樣測得材料的S一N曲線(xiàn)。由于試樣和實(shí)際構件之間存在著(zhù)如平均應力、應力集中、表面質(zhì)量、試樣幾何尺寸等的差異，需對S一N曲線(xiàn)進(jìn)行修正;為了更合理地反映實(shí)際的疲勞載荷情況，可采用雨流技術(shù)對循環(huán)載荷進(jìn)行計數，并結合Miner線(xiàn)性累積損傷準則計算壽命。

    (2)∈一N局部應丈法　∈一N局部應變法是一種基于結構局部細節應力應變歷程而發(fā)展起來(lái)的疲勞壽命預測方法，目前已在工程中得到了廣泛應用。在壽命估算中，∈一N局部應變法需要從應變控制的標準光滑試樣試驗獲取材料∈一N曲線(xiàn)以及循環(huán)應力應變曲線(xiàn)，然后根據修正的Neuber方法，從局部的彈性應力應變計算出該處的彈塑性應力應變歷程，再用雨流計數法計數，最后采用Miner線(xiàn)性累積損傷準則計算出壽命�！暌籒局部應變法主要適用于高應力低周次的疲勞壽命估算。

    (3)其它夜勞壽命預側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(cháng)裂紋的損傷容限分析，但近些年來(lái)，該方法有被拓展到結構耐久性分析領(lǐng)域的趨勢。因此，該方法可望在結構疲勞壽命可視化分析中得到應用，并發(fā)揮其獨特的優(yōu)勢。

    除了以上的疲勞壽命以外，許多較為復雜的疲勞理論模型也有望在相關(guān)結構的疲勞壽命可視化分析中得到體現。這些方法中較有代表性的有如下幾種:①考慮多軸應力的影響，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考慮材料結構因素，如復合材料疲勞、界面疲勞等。

　　1. 3結構疲勞壽命可視化實(shí)現方法

    如圖1所示，結構疲勞壽命可視化實(shí)現方法可分為如下幾個(gè)步驟:①把CAD系統下生成的幾何模型傳人有限元分析軟件，并對其進(jìn)行應力分析;②根據應力計算結果，采用應力準靜態(tài)疊加法則，并結合具體的應力譜、材料疲勞性能參數、適當的疲勞壽命預測模型計算出模型上每點(diǎn)的疲勞壽命;③通過(guò)有限元軟件的宏命令使模型每點(diǎn)的疲勞壽命在有限元軟件的圖形窗體中顯示，即實(shí)現結構“全場(chǎng)”疲勞壽命的可視化。

    這里需要說(shuō)明幾點(diǎn):①結構疲勞壽命可視化實(shí)現方法的第二步可由VC.VB等語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的外部模塊—疲勞壽命可視化模塊來(lái)完成;②結構上的很大一部分點(diǎn)應力可能很小，壽命很長(cháng)，即出現所謂的無(wú)限壽命(如大于108載荷循環(huán))，對于這些點(diǎn)，其壽命可以在分析時(shí)直接賦于某一約定的長(cháng)壽命值，如108載荷循環(huán);③為了直觀(guān)，壽命可用對數壽命lg(N)顯示;④采用圖1疲勞壽命可視化方法不但可以直觀(guān)地觀(guān)察結構“全場(chǎng)”的疲勞壽命分布，而且還可以給出該結構的疲勞壽命。

　　2、基于疲勞壽命可視化技術(shù)的虛擬疲勞設計構想

　　2. 1我國機械產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中虛擬疲勞設計思想的應用現狀

    目前，基于結構全場(chǎng)疲勞壽命可視化技術(shù)的虛擬疲勞設計思想已在一些世界級的企業(yè)集團中得到了廣泛應用，在機械產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設計中發(fā)揮的巨大作用已產(chǎn)生了顯著(zhù)的經(jīng)濟效益。但是，我國的機械產(chǎn)品10多年來(lái)一直徘徊在傳統的基于試驗的“設計一試驗一調整”的開(kāi)發(fā)層次上，產(chǎn)品設計水平和發(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)品設計中的應用水平卻相對較低，基于結構疲勞壽命可視化技術(shù)的虛擬疲勞設計思想的應用僅剛剛起步。

　　2. 2基于疲勞壽命可視化技術(shù)的虛擬疲勞設計構想
　圖2給出了傳統基于試驗的“設計一試驗一調整”的產(chǎn)品設計方案。從圖2可以看出，在傳統產(chǎn)品設計過(guò)程中，盡管設計人員在設計階段對產(chǎn)品的壽命進(jìn)行了簡(jiǎn)單估算，但這種設計壽命和實(shí)際產(chǎn)品壽命往往相差甚遠，實(shí)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)品設計方案。從圖中可以看出，該方案在傳統的設計方案中引人了基于疲勞壽命可視化技術(shù)的虛擬疲勞設計思想。也就是說(shuō)，在實(shí)物樣機生產(chǎn)之前，通過(guò)虛擬環(huán)境下的疲勞壽命可視化技術(shù)對虛擬樣機進(jìn)行全場(chǎng)的疲勞壽命分析與設計優(yōu)化，并使得第一個(gè)實(shí)物樣機一經(jīng)生產(chǎn)便已是一個(gè)經(jīng)過(guò)疲勞優(yōu)化了的好產(chǎn)品。這樣，大大避免設計的盲目性，提高了實(shí)物樣機第一次就能通過(guò)疲勞試驗的可能性，從而縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。與傳統基于試驗的“設計一試驗一調整”的產(chǎn)品設計相比有如下優(yōu)點(diǎn):以疲勞壽命為設計目標;試驗只對“好”設計進(jìn)行;“全場(chǎng)”疲勞壽命可視化，產(chǎn)品結構的壽命分布直觀(guān);不同設計方案設計的產(chǎn)品壽命評估更方便;試驗與理論緊密配合，理論指導試驗，試驗驗證理論;產(chǎn)品的設計是經(jīng)過(guò)基于“全場(chǎng)”疲勞壽命分布優(yōu)化的;產(chǎn)品性能好、開(kāi)發(fā)周期短、開(kāi)發(fā)成本低。

　　3、基于疲勞壽命可視化技術(shù)的虛擬疲勞設計應用實(shí)例

    我們用VB語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了以ANSYS為平臺的疲勞壽命可視化外部模塊—Fatigue/ ANSYS。用戶(hù)用ANSYS對模型進(jìn)行應力分析后，點(diǎn)擊該模塊便可以獲得模型上的各節點(diǎn)的疲勞壽命，并實(shí)現全場(chǎng)疲勞壽命的可視化。該模塊也可以與其它大型商業(yè)有限元軟件和結構優(yōu)化軟件聯(lián)合使用，可以根據用戶(hù)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(jìn)行靜力分析的應力結果。起落架框的材料為L(cháng)c9cgs鋁合金;載荷譜為含13000載荷循環(huán)的某飛機起落架簡(jiǎn)化譜;載荷作用于軸架孔的內側。使用疲勞壽命可視化模塊Fatigue/ ANSYS。

    這里需要說(shuō)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(diǎn)(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(jìn)行了多次調整(增大/減小倒角)，并進(jìn)行相應的疲勞壽命可視化分析，即疲勞設計優(yōu)化。結果發(fā)現，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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