13.HyperWorks在疲勞失效預(yù)測分析中的應(yīng)用

1、Altair中國區(qū)2008 HyperWorks 技術(shù)大會論文集-i -Altair中國區(qū)2008 HyperWorks 技術(shù)大會論文集HyperWorks在疲勞失效預(yù)測分析中的應(yīng)用張建振 常連霞中國第一汽車集團公司-i -Altair中國區(qū)2008 HyperWorks 技術(shù)大會論文集HyperWorks 在疲勞失效預(yù)測中的應(yīng)用HyperWorks Application in Fatigue FailurePredication張建振常連霞（中國第一汽車集團公司技術(shù)中心）摘 要：產(chǎn)品開發(fā)過程中制造加工、臺架試驗和耐久性試驗成本高、周期長，而且失效大 多出現(xiàn)在設(shè)計完成后，對設(shè)計更改帶來難度，

2、使用Altair公司的HyperWorks軟件進行有限元疲勞預(yù)測，將零部件設(shè)計水平從壽命定性設(shè)計到壽命定量設(shè)計變?yōu)榭赡堋１疚慕柚鶫yperMesh和RADIOSS 軟件，以平衡懸架大支架為例，介紹疲勞分析的使用過程，將計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比，并對改進結(jié)構(gòu)進行驗證。關(guān)鍵詞：疲勞失效，HyperMesh, RADIOSS9.0Abstract: Based on the theory of fin ite eleme nt an alysis and fatigue failure an alysis, thispaper analyze the fatigue failure of compon

3、ents. The analysis can advance the fatigue lifeof vehicle comp onents and reduce the desig n cycle.Key words: fatigue failure, HyperMesh, RADIOSS9.0在重型自卸車在礦山服役過程中，平衡懸架系統(tǒng)承受著多種惡劣的載荷工況，大支架作為其中的支撐件，一旦出現(xiàn)疲勞失效，會造成懸架系統(tǒng)失效，甚至有可能引起汽車側(cè)翻。利 用傳統(tǒng)的靜強度設(shè)計方法已不能滿足設(shè)計要求，需要選擇適當(dāng)?shù)钠谠O(shè)計方法，在設(shè)計完成之前進行疲勞失效預(yù)測，從而為平衡懸架系統(tǒng)的設(shè)計安全性提供保障。利用

4、Altair公司的HyperWorks軟件，在一個HyperMesh環(huán)境下利用RADIOSS求解器進行靜強度和疲勞強 度分析，并可利用 HyperView 軟件進行結(jié)果顯示，既省去了從靜強度分析軟件到疲勞分析 軟件相互傳遞的麻煩，又縮短了零件的設(shè)計周期，解決了疲勞失效的預(yù)測的難題，是目前零部件分析比較完美的一種結(jié)合。2疲勞理論及RADIOSS疲勞特點2.1疲勞失效實質(zhì)疲勞失效在是交變應(yīng)力作用下而產(chǎn)生，常表觀為低應(yīng)力脆性斷裂（宏觀上均表現(xiàn)為無明顯塑性變形的突然斷裂），并且常帶有局部性質(zhì)，局部改變細節(jié)設(shè)計或工藝措施，就可增 強疲勞壽命。它是一個累積損傷的過程，需要經(jīng)歷三個過程：a 裂紋形成（成核）

5、，即.在零1。件的高局部應(yīng)力處，較弱晶粒在交變應(yīng)力作用下形成微裂紋，然后發(fā)展成宏觀裂紋；b 裂 紋擴展；c.裂紋擴展到臨界尺寸時快速斷裂。因此，疲勞失效與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)有關(guān)2.2疲勞失效與靜態(tài)破壞的區(qū)別靜強度破壞是在靜應(yīng)力(或等效靜應(yīng)力)作用下的失效，其主要失效形式是產(chǎn)生過大的 殘余變形(對于塑性材料)，或脆性斷裂(對于脆性材料)；其所用材科的強度指標是屈服極限 和強度極限。其設(shè)計應(yīng)力是按靜載荷或少量出觀的峰值載荷進行計算出的名義應(yīng)力。2.3 RADIOSS疲勞失效分析步驟SN曲線，應(yīng)用線性疲勞累積損傷理論進行高周疲勞圖1 RADIOSS疲勞失效分析步RADIOSS疲勞分析方法是根據(jù) 壽命估算，

6、流程見圖12。(1) 靜態(tài)分析確定結(jié)構(gòu)中的 危險部位及相應(yīng)名義應(yīng) 力；(2) 根據(jù)載荷時間歷程，確 定危險部位的名義應(yīng)力 時間歷程；(3) 根據(jù)疲勞試驗數(shù)據(jù)修正 材料SN曲線，得到 零部件S-N曲線；(4) 應(yīng)用疲勞損傷累積理論，求出危險部位的疲勞壽命。2.3 RADIOSS疲勞分析特點利用RADIOSS9.0進行疲勞分析存在下面幾個突出的特點：(1) 相同的疲勞分析方法得出的結(jié)果比ncode軟件更加快速和準確；(2) 可定義無限層的疲勞載荷和工況，為復(fù)雜的疲勞載荷工況的分析提供了方便；(3) 疲勞分析和有限元分析可在同一界面下操作和進行，避免了界面操作和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時帶來的不必要的麻煩，后處理仍

7、然使用HyperView模塊；(4) 由于是在HyperWorks平臺下開發(fā)的，數(shù)據(jù)接口上將實現(xiàn)無縫連接，今后結(jié)合HyperMorph 的網(wǎng)格自動變形可實現(xiàn)疲勞優(yōu)化，結(jié)合process Man ager 可實現(xiàn)疲勞分析流程固化等，其后期將具有很大的功能擴展性。3.模型的建立與分析3.1單元劃分對相關(guān)連接件如車架縱梁、在保證大支架分析精度的基礎(chǔ)上對平衡懸架系統(tǒng)進行簡化,加強板等進行等效處理，模型見圖2?；陉P(guān)注區(qū)域細化、非關(guān)鍵區(qū)域粗化的原則對大支零件結(jié)點數(shù)單元數(shù)平衡懸架大支架200464 51027表1平衡懸架大支架的結(jié)點數(shù)和單元數(shù)架進行網(wǎng)格劃分，該有限元模型的結(jié)點數(shù)和單元數(shù)見表1。3.2材料特

8、性計算中所使用的材料參數(shù)如下：圖2表2. QT600的材料參數(shù)材料彈性模量泊松比條件屈服疲勞極限最高拉應(yīng)力QT600-3169GPa0.286370MPa251MPa400MPa圖 3 QT600-3 鑄樣 P S N 曲QT600-3屬于屈強比高，偏脆的球鐵材 料，靜強度按最大抗拉強度設(shè)計，疲勞強度 材料需要根據(jù)實測材料數(shù)據(jù)，對圖32的材料S-N曲線2進行修正得到零部件的S-N曲 號線。3.3大支架線性靜態(tài)步分析約束與車架縱梁和橫梁加強板的連接位置，在板簧與平衡軸接觸面中心加載垂直向上載荷，時間載荷歷程為方便，做了簡化，如下表 3。表3.垂直載荷的時間載荷歷程表時間/秒垂直載何/KN0 3.

9、51 10.52 17.5進行線性計算，得到結(jié)果見圖5.位置2、3拉應(yīng)力超過了條件屈服強度，并且高應(yīng)力區(qū)已經(jīng)貫穿了兩處的截面，應(yīng)力集中最為嚴重；其次為位置5、6處，應(yīng)力集中程度相對小一些。3.4定義大支架疲勞分析卡片在RADIOSS9.0中進行疲勞分析需定義下列卡片，分為疲勞定義卡片和疲勞載荷時間 歷程卡片兩大類（圖 4）。圖4.大支架疲勞分析卡片-9 -Altair中國區(qū)2008 HyperWorks 技術(shù)大會論文集-# -Altair中國區(qū)2008 HyperWorks 技術(shù)大會論文集3.4 大支架疲勞分析疲勞分析是根據(jù)疲勞載荷歷程與靜態(tài)載荷歷程的關(guān)系，基于線性迭代方法，對靜態(tài)分其中應(yīng)力歷

10、程轉(zhuǎn)換公式為析得到的應(yīng)力時間歷程進行轉(zhuǎn)化得到疲勞時使用的應(yīng)力時間歷程。LDMi Pit ScaleOffset I-# -Altair中國區(qū)2008 HyperWorks 技術(shù)大會論文集-# -Altair中國區(qū)2008 HyperWorks 技術(shù)大會論文集此處：. 為時刻t時的結(jié)果應(yīng)力張量丄空is靜態(tài)分析的應(yīng)力張量 is t時刻載荷歷程中的載荷值-時間歷程是正確的，然因此，在疲勞計算之前，先進行靜態(tài)計算，確認得到的應(yīng)力后進行疲勞分析計算才是合理的。4計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比經(jīng)大量的大支架疲勞載荷破壞試驗，經(jīng)若干次循環(huán)載荷作用下，大支架首先在位置2、3位置處產(chǎn)生主裂紋，然后裂紋擴展，導(dǎo)致位置 1、4產(chǎn)生次生裂紋，位置 5、6處也相應(yīng)有 裂紋出現(xiàn)，證明計算結(jié)果與試驗結(jié)果一致，如圖 5所示。靜態(tài)分析結(jié)果疲勞分析結(jié)果痕勞試臉結(jié)果圖4計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比圖片5結(jié)論利用Altair公司的RADIOSS軟件計算出分析結(jié)果與試驗結(jié)果一致，證明RADIOSS能夠?qū)崿F(xiàn)疲勞失效位置預(yù)測的功能，