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基于結構疲勞壽命可視化技術的虛擬疲勞設計
論文關鍵詞: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技術。分析了我國機械產品虛擬疲勞設計的應用現狀和提高產品設計水平的迫切性;闡述了基于“全場”疲勞壽命可視化技術的產品虛擬疲勞設計構想。以有限元軟件ANSYS為平臺，采用自行開發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計優化。
疲勞是結構在循環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，疲勞設計成為產品設計過程中的重要環節。
1、結構疲勞壽命可視化技術
1. 1結構疲勞壽命可視化平臺—圖形用戶界面有限元軟件
隨著有限元法及數值模擬技術在工程中的廣泛應用，出現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、計算機圖形學和優化技術緊密結合，已成為解決現代工程問題必不可少的工具，且一般都具有通用的數據接口、友好的圖形用戶界面、開放的二次開發功能等特點。
當使用這些有限元軟件對產品結構進行應力分析后，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“準靜態疊加法”以及這些軟件的二次開發功能便可計算出模型上每點的疲勞壽命，進而將壽命結果在這些有限元軟件的圖形窗體中顯示，即可實現結構“全場”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曲線以及疲勞極限的概念至今，人們發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，以及基于斷裂力學理論的疲勞裂紋擴展壽命方法已成為3種經典的疲勞壽命預測方法。要實現結構疲勞壽命的可視化，必須計算出結構中每一點的疲勞壽命，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，其基本思路是通過試樣測得材料的S一N曲線。由于試樣和實際構件之間存在著如平均應力、應力集中、表面質量、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，可采用雨流技術對循環載荷進行計數，并結合Miner線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展起來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曲線以及循環應力應變曲線，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構耐久性分析領域的趨勢。因此，該方法可望在結構疲勞壽命可視化分析中得到應用，并發揮其獨特的優勢。
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現方法
如圖1所示，結構疲勞壽命可視化實現方法可分為如下幾個步驟:①把CAD系統下生成的幾何模型傳人有限元分析軟件，并對其進行應力分析;②根據應力計算結果，采用應力準靜態疊加法則，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，即實現結構“全場”疲勞壽命的可視化。
這里需要說明幾點:①結構疲勞壽命可視化實現方法的第二步可由VC.VB等語言開發的外部模塊—疲勞壽命可視化模塊來完成;②結構上的很大一部分點應力可能很小，壽命很長，即出現所謂的無限壽命(如大于108載荷循環)，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;③為了直觀，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地觀察結構“全場”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的虛擬疲勞設計構想
2. 1我國機械產品開發中虛擬疲勞設計思想的應用現狀
目前，基于結構全場疲勞壽命可視化技術的虛擬疲勞設計思想已在一些世界級的企業集團中得到了廣泛應用，在機械產品開發設計中發揮的巨大作用已產生了顯著的經濟效益。但是，我國的機械產品10多年來一直徘徊在傳統的基于試驗的“設計一試驗一調整”的開發層次上，產品設計水平和發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”的產品設計方案。從圖2可以看出，在傳統產品設計過程中，盡管設計人員在設計階段對產品的壽命進行了簡單估算，但這種設計壽命和實際產品壽命往往相差甚遠，實際產品壽命仍須等到產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的虛擬疲勞設計思想。也就是說，在實物樣機生產之前，通過虛擬環境下的疲勞壽命可視化技術對虛擬樣機進行全場的疲勞壽命分析與設計優化，并使得第一個實物樣機一經生產便已是一個經過疲勞優化了的好產品。這樣，大大避免設計的盲目性，提高了實物樣機第一次就能通過疲勞試驗的可能性，從而縮短了產品的開發周期。與傳統基于試驗的“設計一試驗一調整”的產品設計相比有如下優點:以疲勞壽命為設計目標;試驗只對“好”設計進行;“全場”疲勞壽命可視化，產品結構的壽命分布直觀;不同設計方案設計的產品壽命評估更方便;試驗與理論緊密配合，理論指導試驗，試驗驗證理論;產品的設計是經過基于“全場”疲勞壽命分布優化的;產品性能好、開發周期短、開發成本低。
3、基于疲勞壽命可視化技術的虛擬疲勞設計應用實例
我們用VB語言開發了以ANSYS為平臺的疲勞壽命可視化外部模塊—Fatigue/ ANSYS。用戶用ANSYS對模型進行應力分析后，點擊該模塊便可以獲得模型上的各節點的疲勞壽命，并實現全場疲勞壽命的可視化。該模塊也可以與其它大型商業有限元軟件和結構優化軟件聯合使用，可以根據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力結果。起落架框的材料為Lc9cgs鋁合金;載荷譜為含13000載荷循環的某飛機起落架簡化譜;載荷作用于軸架孔的內側。使用疲勞壽命可視化模塊Fatigue/ ANSYS。
這里需要說明的是，該疲勞壽命計算的方法選取了航空領域普遍使用的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，筆者在虛擬環境下，對模型該處及其它各處的倒角進行了多次調整(增大/減小倒角)，并進行相應的疲勞壽命可視化分析，即疲勞設計優化。結果發現，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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