傳統(tǒng)的汽車整車和零部件開發(fā)通常都通過產(chǎn)品在試驗室中的臺架耐久性試驗，或試車場道路試驗，以驗證產(chǎn)品是否滿足其設(shè)計目標，這一過程周期很長，成本很高，發(fā)現(xiàn)問題較晚。在當今的產(chǎn)品開發(fā)中，汽車企業(yè)越來越多地應(yīng)用虛擬模擬分析技術(shù)，在實物樣機出來之前就對其進行疲勞耐久性預(yù)測，在設(shè)計的早期消除不合格的設(shè)計，并通過設(shè)計比較，挑選出好的設(shè)計。實踐證明，進行虛擬壽命分析，能大大加快產(chǎn)品的開發(fā)，減少試驗的工作量，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，而且在軟件的使用方便性方面也有了極大的改進。本文首先介紹虛擬壽命分析的一般步驟，然后將重點介紹在汽車零部件疲勞分析中應(yīng)用DesignLife的幾個案例，以幫助讀者深入了解并把握虛擬疲勞分析中的一些要點和難點。
典型步驟
疲勞分析是一項較為復(fù)雜的工作，通常需要分析者對所分析的問題，以及需要從分析中獲得什么樣的結(jié)果有一個深刻的理解。通常所說的虛擬疲勞分析，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主要輸入。通過一個疲勞分析模型，計算出零部件或結(jié)構(gòu)表面的疲勞壽命分布，以幫助判斷設(shè)計壽命是否達到，或進行壽命優(yōu)化設(shè)計。步驟如下：
1. 選擇一個合適的疲勞分析模型
汽車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，而焊點分析法則需要焊點單元的力和力矩。有限元分析通常對每一個作用在零部件或結(jié)構(gòu)中的力和力矩做單位靜力線性計算，應(yīng)力輸出結(jié)果可以是未平均的，或已平均的節(jié)點值，或者單元值。
3. 準備載荷輸入數(shù)據(jù)
使用什么載荷數(shù)據(jù)對于疲勞分析至關(guān)重要，載荷定義了汽車的使用環(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場中采集的信號，那么疲勞分析結(jié)果將會是汽車在試驗場中行駛的壽命，而不是在公共路面行駛的壽命。特別需要指出的是，對于汽車零部件或結(jié)構(gòu)的疲勞分析，通常需要相對真實的時域載荷數(shù)據(jù)，以保證疲勞分析結(jié)果的合理性。如果無法測得實際的數(shù)據(jù)，那么多體動力學是分析載荷傳遞的強有力的工具。
4. 準備材料數(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)測離不開真實的材料性能輸入。如果獲得真實數(shù)據(jù)有困難，那么可從軟件自帶的材料數(shù)據(jù)庫中尋找，nCode的DesignLife自帶的200多種材料大多數(shù)是汽車用鋼，如果數(shù)據(jù)庫中也沒有相對應(yīng)的材料，那么軟件可以根據(jù)材料的抗拉強度估算出S-N或E-N曲線。值得指出的是，汽車的疲勞分析有時著重于壽命的相對比較，材料性能的精確性并不是必須的。
5. 進行疲勞分析
設(shè)定疲勞分析參數(shù)是一項非常重要的工作，一個疲勞分析模型一般包含許多選項，比如，平均應(yīng)力修正、缺口修正和多軸性考慮等。同時，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)、熱點計算、多處理器并行計算、眾多的疲勞結(jié)果輸出格式及計算加速等高級功能。
6. 疲勞分析結(jié)果評價
從一個疲勞分析中，通常可以得到疲勞壽命或疲勞損傷云圖，以及每個計算節(jié)點或單元的疲勞結(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。對于疲勞理論的深刻理解，以及和以前的試驗結(jié)果比較，有助于對結(jié)果作出準確的解讀。
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，在開發(fā)試驗中容易產(chǎn)生疲勞開裂。在設(shè)計階段預(yù)測它的疲勞壽命能否達到設(shè)計目標非常重要。圖1所示的是用DesignLife構(gòu)建的對減振器上支座鈑金件材料和焊點同時進行疲勞分析的一個流程。分析的目的是預(yù)測該結(jié)構(gòu)在試車場一段強化路面行駛時的疲勞耐久性。對于這一問題，我們選擇DesignLife軟件中預(yù)置的應(yīng)變壽命和焊點分析模型，分別對基體材料和結(jié)構(gòu)中的焊點進行疲勞分析。支座結(jié)構(gòu)已經(jīng)被簡化為受3個方向的變化的力 。
在疲勞分析之前，我們需要對這3個力分別進行單位靜力有限元分析，獲取支座中產(chǎn)生的應(yīng)力以及通過焊點所傳遞的力和力矩，作為疲勞分析的輸入。本案例的動載荷輸入是根據(jù)從強化路面實測的車輪六分力，經(jīng)過多體動力學獲得的。支座所用的鋼板厚度為0.8～3mm，抗拉強度約為600MPa，焊點均為自動焊。疲勞分析所需的鋼板材料的E-N曲線和焊點S-N曲線均從DesignLife軟件中自帶的材料庫中選取。E-N疲勞分析采用絕對值最大主應(yīng)力作為計算參量，并考慮應(yīng)力多軸性的影響，平均應(yīng)力修正選用SWT方法。焊點的分析也考慮了平均應(yīng)力的影響，沿焊點周向每隔10°計算疲勞損傷。分析結(jié)果的輸出為基體材料的疲勞壽命（或損傷云圖），和每個焊點的壽命標志圖，見圖1。每個單元的疲勞壽命列表，以及每個焊點的壽命結(jié)果列表也同時輸出并排序。從結(jié)果云圖中很容易發(fā)現(xiàn)可能的開裂位置和容易開裂的焊點。
2. 白車身的組合工況疲勞分析
白車身的疲勞分析和上述的減振器上支座的疲勞分析基本類似。車身結(jié)構(gòu)上可能有七八十甚至上百個各個方向的力和力矩，材料及板厚也多種多樣。圖2為白車身鈑金件在試車場5種不同路面組合工況下的疲勞壽命分析流程。DesignLife可以組合各種路面載荷并計算其總壽命，同時也可以對各種載荷工況下的疲勞損傷進行計算，幫助鑒別出最危險的路面工況。本案例的3個主要輸入為：從N獲得的近20個有限元單位力靜力分析應(yīng)力結(jié)果；各個鈑金件所對應(yīng)的MS EXCEL格式的材料表單；5種路面的道路載荷譜，它們之間的比例通過DesignLife中的任務(wù)工況創(chuàng)建器預(yù)先定義。疲勞分析采用E-N法。圖2中的右上圖為組合工況下的疲勞損傷圖，并標出了疲勞危險點。
3. 焊縫疲勞分析
薄板縫焊在汽車底盤件中經(jīng)常使用，這些焊縫的耐久性也對整個底盤的結(jié)構(gòu)完整性有著決定性的影響。本案例的分析對象是懸架系統(tǒng)中的縱臂，內(nèi)有一條環(huán)向焊縫。圖3表示了縱臂焊縫的疲勞分析DesignLife流程。該縱臂受軸頭傳遞過來的3個力和3個力矩，其中的左下圖為實測的路面道路載荷譜作為分析的一個輸入。分析的另一個主要輸入為對應(yīng)于3個力和3個力矩的有限元分析結(jié)果。疲勞分析采用和Volvo汽車集團合作開發(fā)的焊縫分析器，其方法細節(jié)請參見nCode技術(shù)資料。分析只對焊縫單元進行，通過DesignLife中內(nèi)置的焊縫S-N曲線，計算出焊縫單元上下兩排節(jié)點的疲勞壽命值。圖3中的右上圖顯示了沿著焊縫的壽命分布，紅色區(qū)為薄弱區(qū)域，右下表同時給出了疲勞壽命的結(jié)果列表。
4. 車輪的疲勞壽命分析
圖4是一個車輪的疲勞分析流程，用實測的軸頭垂向力對車輪的疲勞壽命進行預(yù)測。分析的主要輸入為：軸頭垂向力以及相對應(yīng)的方向正弦和余弦；車輪在不同角度時中心受力后的有限元應(yīng)力結(jié)果。分析采用關(guān)鍵面應(yīng)力壽命法，流程中內(nèi)含了一個將軸頭各個時刻的垂向力分解到車輪相對應(yīng)的各個旋轉(zhuǎn)角，以對應(yīng)于有限元應(yīng)力結(jié)果。圖中的疲勞損傷云圖清楚地給出了可能的開裂位置，可在設(shè)計的早期對車輪進行壽命優(yōu)化設(shè)計。
結(jié)語
本文所描述的CAE虛擬疲勞分析步驟是一般性的，對于汽車零部件和結(jié)構(gòu)相信具有指導(dǎo)意義。所給出的案例均為典型的實際應(yīng)用，已廣泛用于汽車的疲勞耐久性分析。值得指出的是，本文所給出的DesignLife分析流程，均可作為模板供類似的分析任務(wù)重復(fù)調(diào)用，或作進一步的編輯修改。對流程也可以進行封裝和加密，并可自動生成分析報告，以執(zhí)行企業(yè)標準，使復(fù)雜的疲勞耐久性分析工作對于一般的工程師都能勝任和順利完成。
（轉(zhuǎn)載）
