搜索疲勞分析在結(jié)構設計中的應用
2013-06-20 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
針對車輛焊接結(jié)構重載后導致的疲勞斷裂問題,論文提出了車輛產(chǎn)品設計階段的虛擬疲勞實驗對策?；诳煽康挠邢拊獢?shù)值仿真模型,以及美國AAR標準中的載荷譜、焊接接頭的S-N曲線數(shù)據(jù)庫,論文以重載新型敞車為應用對象,在設計階段,對其進行了疲勞壽命預測,預測結(jié)果表明該車確實存在疲勞壽命薄弱部位。在我國貨車設計歷史上,首次實現(xiàn)了真正意義上的壽命設計。
齊車集團公司 關曉麗 李向偉 大連交通大學 兆文忠 來源:e-works
關鍵字:CAE 載荷譜 S-N曲線
當前,提速/重載在迎合社會需求的同時,隨之也出現(xiàn)了一些值得關注的問題,其中,機車車輛許多構件,尤其是焊接構件,服役不久頻繁發(fā)生疲勞斷裂,并導致了重大經(jīng)濟損失?？陀^上,由于提速/重載,機車車輛動負荷加劇,然而,這不過是問題的外因,而內(nèi)因則是我們對這些機車車輛裝備沒有注入與提速/重載相匹配的且有相當儲備的抗疲勞能力,許多疲勞斷裂案例分析表明:在設計階段,我們?nèi)酝Ａ粼趥鹘y(tǒng)的靜強度設計層次上,對焊接構件尤其缺少抗疲勞設計的理念,缺少相應的技術,缺少必要的基礎數(shù)據(jù)。因此,許多疲勞斷裂隱患始于設計階段。
事實上,自從人們認定“預防疲勞斷裂”是一個公認的難題以來,一個普遍被接受的現(xiàn)實是:由于疲勞斷裂問題難于從理論上建模,因此,“預防疲勞斷裂”的措施是否有效,只能通過各種形式疲勞實驗來回答,毫無疑問,這種觀點是正確的。
然而,另外一個事實是,當產(chǎn)品只在“圖紙”上時,包括疲勞試驗在內(nèi)的任何實驗均無載體,因此,設計階段抗疲勞措施是否有效,對簡單問題可以查閱設計手冊予以校驗,對機車車輛中典型焊接結(jié)構的抗疲勞措施是否有效則很難判斷,顯然這不是我們所希望的,而“事后驗證”不僅有可能導致較大的投入風險,且由于疲勞斷裂現(xiàn)象的時延特性,它還有可能導致在設計階段埋下重大事故隱患。面對如此嚴峻的挑戰(zhàn),消極回避是不可取的,為此本文提出了虛擬疲勞試驗技術對策,以試圖盡最大可能地化解上述矛盾,從而使機車車輛焊接結(jié)構抗疲勞設計在產(chǎn)品的圖紙上就能卓有成效地展開。
1 虛擬疲勞試驗的基本意義與技術路線
從理論框架上看,虛擬疲勞試驗應屬于虛擬樣機性能仿真范疇,其基本定義應該是:
利用有限元數(shù)值仿真技術,在計算機虛擬環(huán)境下實現(xiàn)疲勞試驗,從而在物理樣機沒有制造出來之前的產(chǎn)品設計階段預測其疲勞壽命,并支持抗疲勞設計方案的無數(shù)次修改。
類似于物理樣機的實驗室疲勞試驗,虛擬疲勞試驗也需要二個必要條件:
?疲勞載荷三要素(加載點,加載幅值,加載頻率)
?以S-N曲線描述的焊接接頭數(shù)據(jù)庫
不同于物理樣機的實驗室疲勞試驗,虛擬疲勞試驗的加載對象不是物理樣機,而是產(chǎn)品的三維有限元數(shù)值模型。
一般地說, 疲勞壽命預測的技術路線是:
對虛擬疲勞試驗而言,將上面的原則具體化,其技術路線是:
(1)對設計對象,創(chuàng)建有限元模型,關鍵的承力焊縫,應參照IIW標準離散成有限元網(wǎng)格;
(2) 如果有可借用的載荷譜,例如:AAR為貨車提供的車鉤力譜,則加載到有限元模型中求其動應力響應,并轉(zhuǎn)到(4);
(3)如果沒有可借用的載荷譜,則按照實驗室疲勞加載模式加載,例如:取UIC標準等幅加載到有限元模型中求其動應力響應;
(4) 動應力編譜;
(5) 依次創(chuàng)建待評估點的S-N曲線;
(6)邁納爾損傷累積理論求壽命;
(7)如滿意,退出計算,否則修改設計,并轉(zhuǎn)到(1)。
顯而易見, 虛擬疲勞試驗的關鍵是:
? 高質(zhì)量的有限元模型
? 相對完備的以S-N曲線描述的焊接接頭數(shù)據(jù)庫
一旦這兩個基本條件具備, 虛擬疲勞試驗將不是一件難事。
2 工程應用實例: 重載敞車的虛擬疲勞試驗
該型敞車是重載敞車,軸重25t。
2.1創(chuàng)建有限元模型
如果不考慮叉車工況及扭轉(zhuǎn)載荷作用,載荷及結(jié)構存在對稱性,計算時取整車四分之一為計算對象,在兩個對稱面上分別施加相應的位移約束。計算中將鋼結(jié)構離散為薄殼元(Thin-shell),共劃分節(jié)點38272個(整車136880個),單元40962個(整車142616個)。
圖1:網(wǎng)格劃分模型
2.2選擇合適的載荷譜。
選用AAR標準中的90.7噸高邊敞車載荷譜。經(jīng)計算比較,車鉤力是引起疲勞破壞的主要原因,因此,空重車動應力計算采用90.7噸高邊敞車空車車鉤載荷譜及滿載車鉤載荷譜,下圖為上述載荷譜的三維雨流計數(shù)后的直方圖:
由載荷譜分析可以看出,空車89至178kN,重車-89至0kN出現(xiàn)次數(shù)最多。
應用我們最新開發(fā)的重載貨車虛擬疲勞壽命預測系統(tǒng)可以自動調(diào)用上述載荷譜。這以上兩種載荷譜的其它數(shù)據(jù)見下圖:
圖4 載荷譜數(shù)據(jù)
2.3選取各評估點的S-N曲線
根據(jù)該車待評估點的具體焊接接頭形式及受力特點,可以在該虛擬疲勞壽命預測系統(tǒng)中自動選擇相應的S-N曲線。
表一列舉了一部分焊接接頭及其S-N曲線索引信息。
表一 待評估部位焊接接頭焊縫形狀及S-N索引
2.4疲勞壽命計算
首先,在有限元模型中,可以得到與某一載荷對應的最大及最小主應力。在AAR標準中明確規(guī)定,主應力符號相同的雙向應力狀態(tài),具有較大絕對值或范圍的應力可以用作疲勞當量應力。當主應力的符號相反時,等于主應力數(shù)值之和的值可近似地作為疲勞當量應力使用。
然后,根據(jù)邁因納理論有,
式中,ni表示第i級應力水平下經(jīng)過的應力循環(huán)數(shù);Ni表示第i級應力水平下的達到破壞時的應力循環(huán)數(shù)。
當D值等于1時,認為被評估對象開始產(chǎn)生疲勞破壞。
根據(jù)載荷譜及有限元模型求得的動應力及修正Good man圖,在上述系統(tǒng)中,利用邁納爾損傷累積計算公式,最終可以算出壽命。下面的云圖給出的就是幾個關鍵部位的疲勞壽命:
計算結(jié)果如圖:
將全部計算結(jié)果匯總到下表,該設計方案中壽命比一目了然。
數(shù)據(jù)匯總表
通過疲壽命,該車絕大多數(shù)部位滿足壽命25年的要求,而壽命為21.2年的部位設計是必須修改的部位。不需強調(diào)指出是,上述全部工作是在樣車制造之前,而不是在其后,其意義不言而喻。
3 小結(jié)
本文介紹了虛擬疲勞試驗技術及重載敞車設計中的應用,應用結(jié)果表明:
(1)將虛擬疲勞試驗技術用于方案設計,從而可以避免或減少產(chǎn)品生命周期上游的設計缺陷?；谶@一技術,在設計階段將疲勞壽命量化,這才是工程意義上的可靠性設計所需要的。
(2)車輛焊接結(jié)構的虛擬疲勞試驗需要二個必要條件:一是動應力譜;二是焊接接頭的S-N曲線。前者需要好的有限元模型,后者需要好的S-N曲線數(shù)據(jù)庫。例如美國AAR標準,英國BS標準,國際焊接學會(IIW)標準中的S-N曲線數(shù)據(jù)庫就非常實用。
4 參考文獻
[1].美國鐵路標準, AAR機務標準手冊[S],美國:北美鐵路協(xié)會,1999。
[2]. 中華人民共和國鐵道部標準,TB/T1335-1996鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規(guī)范[S],北京:中華人民共和國鐵道部,1996。
[3].[英]T.R.格爾內(nèi)著,周殿群譯,焊接結(jié)構的疲勞[M],北京:機械工業(yè)出版社,1988。
相關標簽搜索：疲勞分析在結(jié)構設計中的應用 Fluent、CFX流體分析 HFSS電磁分析 Ansys培訓 Abaqus培訓 Autoform培訓 有限元培訓 Solidworks培訓 UG模具培訓 PROE培訓 運動仿真
