目前,仿真技術(shù)已廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,有限元技術(shù)已經(jīng)成為其中的重要工具,根據(jù)有限元獲得的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的疲勞壽命估算已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。與基于試驗(yàn)的傳統(tǒng)方法相比,有限元疲勞計(jì)算可以在設(shè)計(jì)階段判斷零部件的疲勞壽命薄弱位置,通過修改設(shè)計(jì)可以預(yù)先避免不合理的壽命分布。因此,它能夠減少試驗(yàn)樣機(jī)的數(shù)量,縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期,進(jìn)而降低開發(fā)成本,提高企業(yè)的市場競爭力。

MSC.Fatigue是MSC.Software公司與英國謝非爾德nCode 國際公司(nCode International)緊密合作的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的疲勞分析軟件。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段使用MSC.Fatigue,可在設(shè)計(jì)制造過程之前進(jìn)行疲勞分析,并為集成的壽命管理創(chuàng)造一個(gè)MCAE 環(huán)境,真實(shí)地預(yù)測產(chǎn)品的壽命,更大地降低生產(chǎn)原型機(jī)和進(jìn)行疲勞壽命測試所帶來的巨額開銷。MSC.Fatigue已經(jīng)使眾多的公司和企業(yè)從中獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。涉及從空間站、飛機(jī)發(fā)動機(jī)到汽車、鐵路,從空調(diào)、洗衣機(jī)等家電產(chǎn)品到電子通訊系統(tǒng),從艦船到石油化工,從內(nèi)燃機(jī)、核能、電站設(shè)備到通用機(jī)械制造等各個(gè)領(lǐng)域。早期疲勞分析可提高產(chǎn)品的可靠性,增強(qiáng)客戶對產(chǎn)品性能的信心,同時(shí)也可減少售后保修維護(hù)等費(fèi)用,避免產(chǎn)品招回等難以預(yù)計(jì)的嚴(yán)重后果。

圖1 耐久性虛擬試驗(yàn)

1 MSC.Fatigue特色

◆與MSC.Patran完全集成;

◆支持多種有限元軟件的求解結(jié)果;

◆自帶大量的材料疲勞特性數(shù)據(jù)庫;

◆隨機(jī)振動條件下的疲勞壽命;

◆旋轉(zhuǎn)車輪的疲勞分析;

◆具有重設(shè)計(jì)循環(huán)能力,進(jìn)行真實(shí)載荷工況仿真;

◆支持MSC.Nastran所有的CWELD選項(xiàng)–ALIGN,GRIDID,ELEMID,PARTPAT&ELPAT,3-層板連接處理,支持XDB和.op2文件;

◆Windows-Unix無限制交互通訊;

2 MSC.Fatigue功能模塊

2.1 MSC.Fatigue Pre&Post疲勞壽命分析前后處理器

圖2 MSC.Fatigue Pre&Post 界面

Pre&Post集成在MSC.Patran環(huán)境下的疲勞分析前后處理器,可充分利用MSC.Patran較強(qiáng)的圖形功能,方便地建立疲勞壽命計(jì)算的模型,并直接訪問MSC.Fatigue的分析功能。后處理功能可方便地透視和診斷各種疲勞壽命問題。改變材料等疲勞輸入?yún)?shù),后處理可直接計(jì)算出新參數(shù)下的疲勞壽命,從而對設(shè)計(jì)模型進(jìn)行選材等優(yōu)化。疲勞分析的流程一般有五步:

1)輸入循環(huán)材料特性

2)輸入時(shí)變載荷(或頻域)

3)輸入幾何信息(有限元應(yīng)力或應(yīng)變)

4)執(zhí)行疲勞求解

5)計(jì)算結(jié)果的可視化處理

MSC.Fatigue Pro/Post 的界面按照疲勞分析的流程而設(shè)計(jì),可有效引導(dǎo)用戶一步步完成疲勞分析。同時(shí)可十分方便地對輸入?yún)?shù)進(jìn)行修改,以判斷結(jié)構(gòu)的疲勞靈敏度及進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。Pre&Post可直接讀入多種有限元軟件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行疲勞壽命分析,支持的有限元軟件和文件格式有:

◆MSC.Patran的中性文件及外部(單元、節(jié)點(diǎn)等)結(jié)果文件

◆MSC.Patran、MSC.FEA、MSC.AFEA結(jié)果文件

◆MSC.Nastran的OUTPUT2文件、.xdb結(jié)果文件及bulk數(shù)據(jù)文件等

◆MSC.Marc結(jié)果文件

◆ABAQUS結(jié)果文件

◆ANSYS結(jié)果文件

◆SDRC通用文件

MSC.Fatigue的分析結(jié)果及輸入的有限元結(jié)果可通過不同的方式進(jìn)行顯示處理,包括:

◆比例階梯圖、云文圖、等值線圖及文字報(bào)告包括損傷(線性和對數(shù)比例)、壽命重復(fù)及用戶單位定義(線性和對數(shù)比例)、安全因子、雙軸預(yù)估參數(shù)

◆殘余度、殘余應(yīng)力、比例因子的靈敏度顯示

◆快速圖形顯示損傷區(qū)域,安全系數(shù)和雙軸

◆訪問材料庫,時(shí)間歷程庫,載荷歷程庫

◆MPVXMUL-讀取的文件多達(dá)999個(gè)

2.2 MSC.Fatigue Basic全壽命及初始裂紋分析

MSC.Fatigue Basic根據(jù)有限元模型提供的結(jié)構(gòu)應(yīng)力或應(yīng)變分布、結(jié)構(gòu)載荷的變化、材料的疲勞特性等條件預(yù)測結(jié)構(gòu)壽命。分析中既可采用傳統(tǒng)的S-N方法,也可采用更加現(xiàn)代的局部應(yīng)變法(或稱初始裂紋法)。全壽命法,即通常所說的應(yīng)力—壽命法或S-N方法,并不嚴(yán)格區(qū)分裂紋產(chǎn)生和裂紋擴(kuò)展,而是給出結(jié)構(gòu)發(fā)生失效前的全壽命估計(jì)。初始裂紋法,即初始裂紋模型(或應(yīng)變-壽命(ε-N)模型),為預(yù)測產(chǎn)品產(chǎn)生初始裂紋壽命提供依據(jù)。初始裂紋法和全壽命法所共有的特點(diǎn)為:

◆雨流循環(huán)計(jì)數(shù),矩陣(bin)大小可變(32,64,128)

◆統(tǒng)計(jì)余度參數(shù)

◆表面光潔度/表面處理修正

◆Palmgren-Miner線性損傷累積,可變Miner累積量(>0,缺省值為1.0)

◆自定義壽命

◆多軸應(yīng)力狀態(tài)評估

◆安全因子分析

◆應(yīng)力/應(yīng)變張量的合成/分解:任意分量、主應(yīng)力/主應(yīng)變絕對值、帶符號的Von Mises等效值、帶符號的Tresca/Shear等效值

2.3 MSC.Fatigue Fracture裂紋擴(kuò)展分析

MSC.Fatigue Fracture根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果、模型結(jié)構(gòu)形狀,結(jié)構(gòu)載荷的變化以及材料的疲勞特性等條件,預(yù)測裂紋的擴(kuò)展速率和時(shí)間。研究裂紋擴(kuò)展常采用傳統(tǒng)的線彈性斷裂力學(xué)(LEFM)。裂紋擴(kuò)展法有以下特點(diǎn):

◆Kitagawa裂紋尺寸

◆斷裂韌性破壞準(zhǔn)則

◆平均應(yīng)力修正

◆循環(huán)累計(jì)的雨流循環(huán)計(jì)數(shù)

◆初始以及裂紋長度的確定

◆平面應(yīng)力修正

◆切口效應(yīng)建模

◆遲滯以及閉合效應(yīng)建模

◆基于有效應(yīng)力密度范圍的修正Paris原理

◆用戶自定義壽命單位

◆斷裂力學(xué)的三角求解(應(yīng)力-應(yīng)力密度-裂紋長度)

◆與NASA/FLAGRO2.03的圖形接口

◆應(yīng)力/應(yīng)變張量的合成分解:任意分量、主應(yīng)力/主應(yīng)變絕對值、帶符號的Von Mises等效值、帶符號的Tresca/Shear等效值

2.4 MSC.Fatigue Utilities疲勞和加載功能

Utilities模塊所包含的適用的應(yīng)用程序,可幫助MSC.Fatigue用戶收集,分析和處理諸如應(yīng)力或應(yīng)變時(shí)間歷程的測量值等數(shù)據(jù),為進(jìn)一步MSC.Fatigue分析做好準(zhǔn)備。其具體應(yīng)用可分為四大類:

◆載荷處理

◆疲勞分析和顯示

◆文件傳送

◆繪圖和打印

2.5 MSC.Fatigue Vibration振動疲勞分析

MSC.Fatigue Vibration可預(yù)測結(jié)構(gòu)或部件在隨機(jī)振動條件下的疲勞壽命。主要用于振動敏感系統(tǒng),可以根據(jù)有限元分析所得的應(yīng)力功率譜密度函數(shù)(PSD's)或傳遞函數(shù),預(yù)估結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。當(dāng)使用傳遞函數(shù)時(shí),其功能可分成應(yīng)力響應(yīng)過程和疲勞分析兩個(gè)部分。MSC.Fatigue Vibration包含有全新的應(yīng)力分析工具,能夠給出多載荷工況、頻域問題的求解方法,同時(shí)還包含對應(yīng)力張量遷移性和雙軸檢查的進(jìn)展。

2.6 MSC.Fatigue Spot Weld點(diǎn)焊的疲勞壽命分析

MSC.Fatigue.Spot Weld基于有限元分析,可預(yù)測兩塊金屬板在點(diǎn)焊連接處的疲勞壽命。計(jì)算中將結(jié)構(gòu)的點(diǎn)焊看作是連接兩塊金屬板的CWELD單元或者剛性單元,而金屬板用薄殼單元描述。該方法利用連接單元橫截面所受的力和力矩來計(jì)算焊接處的應(yīng)力,然后采用S-N方法,完成結(jié)構(gòu)的全壽命疲勞分析。

圖3 焊點(diǎn)疲勞壽命分布

采用Spot Weld,可準(zhǔn)確預(yù)測點(diǎn)焊的疲勞壽命,優(yōu)化點(diǎn)焊的數(shù)量和大小,從而降低制造成本,增加產(chǎn)品可靠性。如汽車的車身結(jié)構(gòu)通常有數(shù)千甚至上萬個(gè)焊點(diǎn)。在生產(chǎn)流水線上,每一個(gè)機(jī)器手所能處理的點(diǎn)焊數(shù)量是有限的,因設(shè)計(jì)造成焊點(diǎn)布置不合理,其結(jié)果必然是無用焊點(diǎn)數(shù)增加,而每增加一個(gè)焊點(diǎn)就意味著生產(chǎn)線的成本增加3 萬美元。

圖4 CWELD焊點(diǎn)有限元模型

2.7 MSC.Fatigue Wheels 車輪的疲勞壽命分析

可以使用MSC.Fatigue Wheels 對車輪或其它旋轉(zhuǎn)體進(jìn)行疲勞分析,這些結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為承受的載荷是沿著旋轉(zhuǎn)體的外圍傳播的。通過載荷施加到車輪連續(xù)扇區(qū)上而完成仿真分析。在MSC.Fatigue 中所有載荷工況的定義使用“Loading”,用戶界面非常容易處理,并且使用每個(gè)載荷工況的應(yīng)力結(jié)果?？梢岳L出載荷施加到車輪連續(xù)扇區(qū)上,車輪上每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力-歷史。通過使用載荷工況的應(yīng)力結(jié)果,可以確定旋轉(zhuǎn)變化的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的一個(gè)完整的應(yīng)力時(shí)間歷史和疲勞損傷。可以在損傷嚴(yán)重的表面角度為每一個(gè)節(jié)點(diǎn)繪出疲勞壽命和疲勞損傷云圖等方式顯示疲勞結(jié)果。MSC.Fatigue Wheels 應(yīng)用領(lǐng)域:

◆所有類型的車輪或帶輪的交通工具。

◆在循環(huán)載荷作用下的旋轉(zhuǎn)機(jī)械。

2.8 MSC.Fatigue Multiaxial多軸初始裂紋分析

與常用的單軸或比例載荷情況不同,MSC.Fatigue Multiaxial采用了非比例、多軸應(yīng)力狀態(tài)假設(shè),并通過裂紋擴(kuò)展法預(yù)估結(jié)構(gòu)壽命,分析結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。因此,當(dāng)載荷情況復(fù)雜,結(jié)構(gòu)出現(xiàn)非比例、多軸應(yīng)力狀態(tài)時(shí),該種算法可得出非常準(zhǔn)確的疲勞壽命。

3 MSC.Fatigue支持平臺

MSC.Fatigue同時(shí)具有廣泛的平臺適用性,可在HP/UX、SGI/IRIX、IBM/AIX/RS6000、Sun/Solaris、PC/Windows上高效運(yùn)行。

4 MSC.Fatigue應(yīng)用實(shí)例

上汽集團(tuán)某轎車底盤部件疲勞分析實(shí)例

                                                                                                       應(yīng)力分布                                               疲勞壽命分布 

奇瑞汽車公司汽車轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞壽命分析實(shí)例

                                                                                                         應(yīng)力分布                                        疲勞壽命分布 

飛機(jī)起落架疲勞壽命分析實(shí)例