（车辆工程专业论文）某微型货车驾驶室强度疲劳性能及轻量化研究.pdf

江苏大学硕士学位论丈 摘要 本文以h y p e r w o r k s 和m s c 系列软件为平台建立某微型货车驾驶室有限元模 型，完成强度刚度、疲劳性能分析及轻量化设计。通过对原结构性能评估，确定 合理的轻量化设计方案，论文主要内容包括以下几个方面。 首先，建立驾驶室与车架有限元力学模型，然后确定位移和载荷边界条件， 通过计算得到驾驶室应力与变形分布云图。分析结果显示，弯曲工况和扭转工况 下驾驶室的应力和变形都有较大的安全余量，可以进行轻量化设计。对驾驶室进 行疲劳寿命分析，施加单位载荷得到驾驶室载荷响应；通过m a t l a b s i m u l i n k 建 模仿真得到路面位移载荷谱，并作为车轮悬架振动模型的输入激励，最后得到路 面作用在车身上的位移载荷谱，分析结果显示驾驶室最低寿命为4 5 1 0 0 公里，满 足货车场地试验三万公罩标准。 对原结构进行轻量化设计时，在满足其结构刚度、强度和疲劳耐久性能的基 础上，通过优化结构中零件板厚以及对部分零件进行拓扑优化来达到轻量化的目 的。考虑制造过程中原材料的供给、制造工艺及生产成本等因素的限制，选择原 始质量在0 3 蚝以上的零件进行优化。在满员载荷工况下，驾驶室轻量化前后出 现应力和变形值较大的零件基本保持不变，各零件应力和变形最大值位置及大小 基本保持不变，应力值小于材料的屈服应力，满足材料的设计要求。 通过有限元分析，可以对产品性能进行可靠预测，有利于缩短开发周期，对 产品设计改进都具有重要的指导意义及应用价值。 关键词：强度，刚度，疲劳寿命，轻量化 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t h y p e r w o r k ss o f ta n dm s cc a es o f ta r eu s e dt oa n a l y z et h es t r e n g t h ，s t i f f n e s s a n df a t i g u ec h a r a c t e ro fal i g h tt r u c kc a b t h ep e r f o r m a n c eo ft h eo r i g i n a ls t r u c t u r ei s a s s e s s e d ，a n dt h el i g h t - w e i g h to p t i m i z a t i o ns c h e m ei sc o n f i r m e d t h et h e s i sc o n t e n t s t h ef o l l o w i n ga s p e c t s f i r s t l y , t h ew h o l ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h el i g h tt r u c kc a ba n df l a m ei sb u i l t ， a n dd i s p l a c e m e n ta n dl o a db o u n d a r yc o n d i t i o na r ec o n f i r m e d t h es t r e n g t ha n d s t i f f n e s sc o n t o u ro ft h ec a ba r eo b t a i n e du n d e rb e n d i n ga n dt o r s i o nc o n d i t i o n ，w h i c h i n d i c a t et h em a x i m a ls t r e s sa n dd i s p l a c e m e n ti sa l l o w a b l e t h ec a bh a sm u c h p o t e n t i a lt oo p t i m i z et h ew e i g h ta n dg e o m e t r i c a la p p e a r a n c e c o m b i n i n gt h eu n i tl o a d r e s p o n s ea n ds i m u l a t e dd i s p l a c e m e n tl o a dh i s t o r y , t h ef a t i g u ep e r f o r m a n c eo ft h ec a b i sp r e d i c t e d m a t l a b s i m u l i n ki sa p p l i e dt os i m u l a t et h el o a ds p e c t r u m ，w h i c hi su s e d a st h ei n p u ts i g n a lo ft h et i r e s u s p e n s i o nm o d e l t h er e s p o n s eo ft h et i r e s u s p e n s i o n m o d e li st h ed i s p l a c e m e n ts p e c t r u ml o a d e do nt h ec a b t h em i n i m a lf a t i g u el i f ei s 4 51 0 0k i l o m e t e r s ，w h i c hc a ns a t i s f yt h et h i r t yt h o u s a n dk i l o m e t e r st e s t t h el i g h t - w e i g h to p t i m i z a t i o ni sc a r r i e do u tb a s e do nt h er e q u i r e m e n to fs t r e n g t h ， s t i f f n e s sa n df a t i g u ep e r f o r m a n c e t h ep u r p o s eo fl i g h t w e i g h to p t i m i z a t i o ni s a c h i e v e dt h o u g h to p t i m i z i n gt h et h i c k n e s sa n dr e s h a p i n gt h ea p p e a r a n c eo fd i f f e r e n t p a r t s t h eo p t i m i z e dm o d e lh a st h e s a m el e v e ls t r e s s ，s t i f f n e s sa n df a t i g u e p e r f o r m a n c e t h el i g h to p t i m i z a t i o nr u l e sa r ep r a c t i c a la n dc a nb eu s e dt og u i d e p r o d u c t i o nd e s i g n t h ea p p l i c a t i o no fc a e t e c h n o l o g yc a ns h o r t e nt h ed e s i g np e r i o da n dr e d u c et h e d e s i g ne x p e n s e ，w h i c hm a yp l a ya ni m p o r t a n tp a r ti n t h ef o r e p a r td e s i g no fn e w p r o d u c t i o n k e yw o r d s ：s t r e n g t h ； s t i f f n e s s ；f a t i g u el i f e ；l i g h t - w e i g h t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口 本学位论文属于，在年我解密后适用本授权书。 不保密日 学雠文作者躲菌，鹕飞指剥币躲粉硼 2 0 0 9 年6 月7 日2 0 0 9 年么月，占日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：聪、塌飞l 日 期& 舯7 g 罗if 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早三百t 匕 1 1 引言 近年来，由于温室效应、全球能源紧张及汽车行业竞争的r 趋激烈，如何保 护环境并合理控制成本越来越被企业所重视。根据统计，汽车每减重1 0 ，油耗 可降低6 一8 。；汽车车身重量占汽车总重量的4 0 左右，因此车身的轻量化对 于整车的轻量化起着举足轻重的作用。减少车身重量既能减少原材料消耗，又能 降低尾气排放量，是提高燃油经济型进而提高企业竞争力的有效途径。 随着有限元技术的不断成熟与完善以及通用有限元软件的广泛应用，出现了 一种以计算机辅助设计( c a d ) 和有限元分析( f e m ) 为基础的疲劳寿命数值预测 方法，正广泛应用于实际问题的分析研究【1 。翔。有限元技术以其广泛的实用性， 已经得到很好地普及应用，逐渐成为替代大量实物试验的数值化“虚拟试验”， 据有关资料统计，新产品有6 0 以上的问题町以在设计阶段消除，因此，基于该 方法的有限元分析与典型的验证性试验相结合可以做到高效率、低成本【3 吲。 基于这一点，本文以某微型货车驾驶室为研究对象进行强度刚度有限元分析 以及疲劳性能评估，并确定合理的轻量化研究方案。 1 2 国内外研究现状 随着计算机技术的飞速发展及计算方法的创新，用于工程分析的软硬件也有 了很大的变化。从普通微机发展到现在的超大型计算机和计算中心，一些通用化、 商业化的有限元分析软件也日趋完善。有限元模型建立的技术和方法也同趋丰 富，模型的规模也从最初的几十、几百个简单单元发展到如今的几万甚至几亿个 混合单元，分析对象也由静态应力扩展到动态响应、噪声、碰撞和优化设计。应 用大型有限元软件，建立汽车模型，进行汽车的静动态特性分析，完成汽车的优 化设计，己是各大汽车公司普遍采用的一种手段。 在国外，各大公司软硬件实力雄厚，二次开发能力强，达到f i 后处理与分析 的高度自动化。其产品丌发队伍应用c a e 技术在指导设计、提高质量、降低开 发成本和缩短丌发周期上发挥着日益显著的作用。在产品开发方面，许多汽车公 司足个新车型开发项目配置一个结构分析小组，从该车造型开始一直到丌发完 江苏大学硕士学位论文 成投产后半年的各个阶段内，配合产品设计开发进行分析【例。如f o r d ，g m 等 汽车公司的产品研发部门安装使用了大量的多体系统动力学分析软件，并与有限 元分析、模态分析、优化设计等软件一起形成了一个整体，同时集成了这些公司 在汽车设计开发等方面的经验，逐步形成整车设计软件包，在汽车设计开发中发 挥了重要作用。研究的范围也从局部结构拓展到整车系统，涉及汽车系统动力学 的方方面面。在9 0 年代初，美国、德国等西方国家的许多汽车公司，都把考虑 汽车零部件的柔性对整车系统的平顺性、操纵稳定性、主动和被动安全性以及噪 声等动态特性的仿真分析作为虚拟样车设计与制造的重要研究课题【彻。 在国内，九十年代以来有限元法被迅速地应用到实际汽车零部件结构的分析 中去。各大轿车厂在消化引进技术的基础之上，通过自主知识产权品牌丌发、与 国外进行联合开发以及引进先进技术等方式，普遍实现了产品的更新换代，提高 了轿车自主开发的力度1 1 1 】。国内采用多体动力学研究汽车动力学的工作虽然起步 较晚，但发展也比较快。从八十年代中后期开始，我围部分高校相继将多刚体系 统动力学方法引入到汽车运动学和动力学研究，研究领域也从开始的刚体系统的 运动学研究扩展到包含简单柔体的多体系统动力学研究中去，研究成果为我困的 汽车制造企、i k 在开发具有自主知识产权的汽车中，起到了指导性的作用。随着软 硬件技术的飞跃发展，用柔性多体系统动力学对汽车进行建模和仿真分析己成为 可能。 1 3 本文研究内容 面向汽车节能要求，本文以某微型货车驾驶室为研究对象，以数字化技术为 手段，对货车驾驶窄结构在自重和乘员重力作用下进行刚度、强度以及疲劳强度 分析，在保证刚度、强度、疲劳等性能不降低以及加工和装配的前提下，对驾驶 室整体结构进行轻量化设计，并从刚度、强度和疲劳耐久性等方面验证轻量化方 案的有效性。优化目标达到使车身在保证设计性能不降低、生产成本不增加的基 础上减重5 - 8 ，依此形成微型货车轻量化设计规范，推动微型货车车身设计与 制造技术的不断提高。本文主要内容如下： 1 结合有限元理论和疲劳损伤理论，系统阐述了基于有限元技术的疲劳寿 命分析流程，并对疲劳损伤载荷谱生成与多轴载荷谱的合成进行了数学 2 江苏大学硕士学位论文 推导；介绍了常用疲劳软件在分析问题时内部数据的转化流程，便于更 好地理解软件工具的内部运算过程。 2 通过对车身结构中常用的焊接、铆接等关键连接方式的研究，建立了高 质量的完整驾驶室和车架力学模型。在此基础上，分析了货车驾驶室的 刚度强度力学性能，并对结构进行性能评估，原始结构具有较大的安全 余量，为轻量化设计提供了理论基础。 3 通过路面激励的仿真建模，得到路面不平度对轮胎的激励载荷谱，并作 为轮胎悬架模型的输入激励，再将轮胎悬架模型的输出响应作为车身受 到的路面激励进行驾驶室的疲劳可靠性分析，通过寿命云图对驾驶室整 体的疲劳性能进行评估。 4 进行了驾驶室的轻量化设计研究，强度刚度及疲劳性能分析显示该结构 具有较大的安全余量可以进行轻量化设计。通过分析确定了合理的轻量 化设计方案，并对一些结构进行形状拓扑优化进一步减轻重量：最后对 轻量优化后的结构进行强度刚度及疲劳性能分析，验证轻量化优化方案 的可行性。 有限元技术日趋成熟的发展，应用领域的不断扩大，使用经验的不断积 累，使得该技术成为产品开发中不可缺少的有力工具，分析结果已经得到大 量试验验证，并被广泛认可。本文通过对某微型货车驾驶室强度刚度疲劳可 靠性的研究，对原始结构的力学性能有了全面的了解；建模过程中严格按照 车身建模规范的要求，采用成熟的连接处理方式准确模拟了各种连接部位， 最后在广泛使用的商用分析软件平台上对该结构进行分析，认为分析结果是 真实可信的，能够对样车设计方案进行性能评估并指导结构改进。 3 江苏大学硕士学位论文 第二章有限元法基本理论 2 1 有限元法基本原理 有限元法最基本的出发点是将分析对象的结构或实体分化为有限多个单元 体，这些微7 亡体称为“单元 ，两相邻单元问只通过节点相连接。在结构体上的 外载荷按静力等效原则分解为等效节点载荷向量。以这些的集合替代原来地连续 结构实体，这一过程称为连续体的离散化【1 2 1 。 离散化过程就是将分析的工程实体简化为有限元计算模型的过程称为模型 化过程。有限元方法是在离散化的模型上求解，将复杂的连续体上的分析问题转 化为离散化模型上的多元代数方程求解过程。有限元求解过程简单，方法成熟， 但计算量大，适合于计算机计算，人工的反锁计算【1 3 - 1 6 1 。 有限元方法按照节点基本未知数可分为位移法，应力法和混合法。应用较 多的是位移法。在位移法中，通常选取多项式函数近似的表达单元内位移分量的 分值，通过节点位移表达单元内部位移规律的函数称为差值函数，不同的单元可 以有不同类型的差值函数。有了差值函数，即可利用变分原理建立单元力向量和 节点位移向量之间的关系，即单元刚度矩阵。应用节点力平衡条件，将所有单元 刚度矩阵扩展后叠加，建：立结构整体节点力和节点关系方程，结构总刚度矩阵方 程。结构总刚度矩阵方程是一个以节点位移为未知数的代数方程组。加入约束条 件即可用计算机求解结构节点位移单元刚度方程，即可求得节点力和各单元内部 应力和应变分量。 结构有限元法一般选择简单的函数近似地表达单元内位移变化规律，力学推 导建立单元的平衡方程式，再把所有单元方程组集合成表示整的力学特征的代数 方稃组，最后引入边界条件求解代数方程组而得到由此可见，有限元法是从力学 模型上采用分块近似，在数学上只需求解线性代数方程组，从而避免了求解力学 微分方程这一繁琐的环节，用计算机进行求解。 有限元法的主要优点是物理概念清晰，容易理解和掌握，适用性强，应用范 围广，许多复杂的工况和边界条件都可灵活地考虑【1 7 1 。 4 江苏大学硕士学位论文 2 2 有限元基本方法和步骤 有限元法就是根据设计对象的实际结构，利用c a d 软件建立三维几何模型， 将三维实体模型离散化，并将结构体所受的实际载倚分别作用在单元体上，最后 求出各单元体节点的力和位移【1 蹦9 1 。 有限元分析方法的具体步骤是： 2 2 1 结构离散化 结构离散化是有限元分析的第一步，它是有限单元法的基础。离散化过程， 即是将原来连续的结构化分成有限多个单元，相邻单元用节点连接在一起。单元 划分必须有效地逼近实际的连续体。单元的形状和数目可根据计算精度要求和计 算机性能水平合理选择。 2 2 2 单元分析 在结构的离散化完成之后，就可以对典型单元进行特征分析。单元分析的主 要目的是建立单元刚度矩阵【k 】“，根据刚度矩阵便呵进一步计算得出节点力与 位移的关系。单元刚度方程的矩阵形式为： 俨= 瞵p 毋。 其中： f ) 。单元节点力矩阵； 【k 】。单元刚度矩阵； 毋。) 单元节点位移矩阵。 由此可见，单元刚度矩阵反映了节点力与单元节点位移之间的关系，下面简 要叙述单元刚度矩阵建立的具体过程。 ( 1 ) 确定位移模式 单元分析的第一步，对连续介质来说也是最关键的一步是由单元的节点为 移来表示单元内任一点的位移。 5 江苏大学硕士学位论文 位移函数的适当选择是有限元分析中的关键。在有限元法应用中普遍选择多 项式作为位移模式。其原因是因为多项式的数学运算比较方便，并且从所有光滑 函数的局部来看都可以用多项式逼近，即所谓不完全的泰勒级数。至于多项式项 数和阶次的选择则要考虑到单元的自由度和有关解的收敛性要求。一般来说，多 项式的项数应等于单元的自由度数，它的阶次应包含常数项和线性项。 根据所选定的位移模式，就呵以导出用节点位移表示单元内任一点位移的关 系式，其矩阵形式是： 厂) = 【】 毋。 其中： 厂 单元内任一点的位移矩阵； 毋2 单元节点位移矩阵： 【n 】形函数矩阵，它的元素是位置坐标的函数。 ( 2 一1 ) ( 2 ) 由节点位移求应变 利用几何方程，由位移表达式( 2 - 1 ) 导出用节点位移表示单元应变的关系式； s ) = 【b o d 8 ( 2 2 ) 其中： 对单元内任一点的应变列阵； p 】单元应变矩阵。 ( 3 ) 由应变求应力 利用物理方程，由应变表达式( 2 2 ) 导出用节点位移表示单元应力的关系式： 町= p 】p 】 毋。 ( 2 3 ) 其中： 仃) 单元内任一点的应力列阵； 【d 】与单元材料有关的弹性矩阵。 ( 4 ) 由应力求节点 利用虚功原理建立作用于单元上的节点力和节点位移之问的关系式，即单元 的刚度方程； 6 江苏大学硕士学位论文 忙 。= 【k l o 碍。 ( 2 - 4 ) 其中：【k 】单元刚度矩阵。 可以导山：【k 】= j i j 重b 】r d i b l d 勉y d z ( 2 5 ) 上式的积分应遍及整个单元的体积。 2 2 3 整体分析 集合所有的单元的刚度方程，建立整个结构的平衡方程。 集合的过程包括两个方面的内容。一是由各个单元的刚度矩阵集合成整个物 体的整体刚度矩阵；二是将作用于各单元的等效节点力列阵集合成总的载荷列 阵。整个结构的平衡方程为： 【k 】 田= 【r 】 ( 2 6 ) 其中：【k 】整体刚度矩阵； 【尺】载荷矩阵。 【翻整体物体的节点位移矩阵。 这些方程还应在考虑了几何边界条件作适当的修改之后，才能够解的未知节 点位移。 2 2 4 求解计算 由结构的平衡方程组( 2 6 ) 解出节点位移。然后，就可利用公式和已求出 的节点位移来计算各单元的应力，并加以整理得出所要求的 7 江苏大学硕士学位论文 2 3 常用有限元软件介绍 2 3 1 有限元软件简述 有限元软件的发展依赖于计算机科学的发展，有限元法也直接转化为科技和 社会发展的生产力，广泛应用于工程设计和工程分析方面，创造了巨大的财富。 有限元软件功能强大，也成为c a d c a m 不可分割的一部分，同时不断的吸取计 算方法和计算机技术的发展，将计算机图形学、优化技术等有机的结合起来，更 好的解决现代工程i 、u j 题有限元方法的应用已经从结构静力分析发展到动态问 题，从平面问题发展到空间问题：研究的对象从线弹性材料扩展到塑性、粘弹性 和复合材料；从小变形的弹性问题发展到大变形的非线性问题；由结构计算分析、 校核问题扩展到结构优化设计问题：由固体力学扩展到流体力学和非力学领域 自2 0 世纪7 0 年代后期以来，国际上较大型的面向工程的有限元通用程序达到 几百种，引入我国的有限元著名的软件有数十种，主要包括： ( 1 ) a d i n a ：美国麻省理工学院机械工程系开发的自动动力增量非线性分析 有限元程序 ( 2 ) a n s y s ：世界著名力学分析专家、匹兹堡大学教授j s w a n s o n g l j 建的s a s i 公司丌发的大型通用有限元分析软件，世界最具权威的有限元产品。 ( 3 ) a l g o r ：美国a l g o r 公司s a p s 和a d i n s a 有限元分析程序基础上针对 微机平台丌发的通用有限元分析系统。 ( 4 ) i d e a s ：美国s d r c 公司开发的通用软件集成化设计工程分析系统。它是 集设计、分析、数控加工、塑料模具设计和测试数据分析为一体的工作站用软件。 ( 5 ) n a s t r a n ：美国国家航空和宇航局开发的结构分析程序。 这些程序的共同点是： 1 至少包括杆、梁、板、壳和三维实体单元，热分析能力； 2 分析静力和动力问题； 3 分析线弹性和非线性问题； 4 适用多种载荷：集中力、分布力、力偶、温度和支座沉陷； 5 自动划分网格功能的前处理程序； 6 用图形解释计算结果，如变形前后的模璎、应力和温度分布的云图、指定位 置的位移和应力等。 8 江苏大学硕士学位论文 2 3 2h y p e r m e s h 软件介绍 a l t a i rh y p e r m e s h 对于大多数有限元求解器来说是一个具有很高性能的有限 元i j i 、后处理器，使工程师在一个具有高度互动和良好界面环境中进行程设计分 析。h y p e r m e s h 的用户界面简洁易学，支持多种c a d 几何模型的直导入或是在已 有的有限元模型上直接使用，使得分析更加高效和具有协同性，优势主要体现在： ( 1 ) 通过高性能的有限元建模和后处理功能缩短了时间和工程分析成本； ( 2 ) 具有直观的用户界面和同类型中的最佳性能，减少了用户学习的时间、高了 产品效率； ( 3 ) 通过c a d 几何模型和已有的有限元模型的直接导入，减小了模型开发本，避 免了重复工作； ( 4 ) 具有高速，高质量的自动网格划分功能，简化了对于复杂几何体的建模程； ( 5 ) 提供了与大多数商业有限元求解工具的导入接口支持，保证了对于特定况的 分析使用最佳的分析代码； ( 6 ) 用户可以选择使用自己喜欢的求解工具。 根据求解器的不同，h y p e r m e s h 通过模板文件提供了不同的用户界面，基本 的功能模块一般包括： ( 1 ) 几何清理模块 主要用来将导入的几何模型进行简化处理，为进一步建立其有限元模型准备。 其中包括了对点、线、面的简化处理工具、有限元模型还原成几何模对变厚度模 型提取中面等。 ( 2 ) 一维、二维、三维网格划分模块 网格划分模块分三个子模板，即线单元划分、面单元划分、体单元划分根据 不同的划分对象，提供了功能强大的有限元网格划分工具，大大提高了模效率。 ( 3 )边界条件模块 主要用来为模型定义边界条件，包括各种约束和载荷类型。 ( 4 ) 工具模块 工具模块在建模和对模型进行整理工程中体现出了很大的优越性。它可对建 立的模型进行网格质量检查和优化，还可以对几何体及有限元单元和节进行隐藏 和删除等，可以对单元进行投影、拉伸、旋转等操作，还可以对重节点进行拟合 9 江苏大学硕士学位论文 操作，同时还可以对模型信息进行统计等。 ( 5 ) 后处理模块 后处理模块可以对模型分析结果进行变形云图显示、瞬态动画显示、矢显示 等，为生成分析报告提供了很便捷的途径。当然在这罩需要提及的是a l t a i r 软件 中后处理功能最强的部件是h y p e r v i e w 软件。 2 3 3m s c n a s t r a n 软件介绍 本课题主要采用m s c n a s t r a n 作为分析软件，n a s t r a n ( n a s a s t r u c t u r a l a n a l y s i s ) 是一个大型，通用的有限元结构分析计算机程序系统。它是在美国国家 宇航局( n a t i o n a la e r o n a u t i c sa n ds p a c ea d m i n i s t r a t i o n ，简称n a s a ) 主办下研制与 发展的。 m s c n a s t r a n 的主要特点如下： ( 1 ) 大型、通用、功能齐全、适用面广。可对结构进行各种静力、动力分析、 敏度分析与优化设计。该系统不但可求解一般的工程结构问题，而且对于处理大 型工程问题也同样非常有效，已广泛应用于航空、船舶、汽车、机械、建筑、桥 梁、水力、化工、海洋、能源、橡胶等工程部门和研究中心的结构分析与设计。 ( 2 ) 极高的软件可靠性，已成为许多工业部门的法定结构分析软件。 ( 3 ) 不断改进与完善程序，提高解题精度和矩阵运算效率等等。 m s c n a s t r a n 每年更新一个小版本，每两年推出一个大版本，使 m s c n a s t r a n 始终在计算技术上处于领先地位。 ( 4 ) 独特的d m a p 语言，m s c n a s t r a n 备有一种独特的d m a p 语言，一方面 为用户提供由d m a p 语言组成的固定分析流程，也可由用户根据需要用d m a p 语 言修改与重组新的流程。 ( 5 ) 标准的输入输出格式，m s c n a s t r a n 的输a 输出格式己被公认为一种 标准，几乎所有的洲系统都竞相开发了与m s c n a s t r a n 的直接接口， m s c n a s t r a n 的计算结果常常被作为评估其他有限元分析软件精度的参照。 m s c n a s t r a n 还提供了丰富的单元库，包括通用的和特殊的单元。最常用 的单元有标量单元，线单元，面单元，体单元，约束元，质量元，可有效模拟客 车车身结构。 1 0 江苏大学硕士学位论文 2 3 4m s c f a tig u e 软件介绍 m s c f a t i g u e 是一个通用性很强的基于有限元分析结构的疲劳分析设计工 具，可灵活地用来预测各种复杂零件和结构的疲劳寿命。它可以在产品的设计初 级阶段提供疲劳分析工具，从而优化产品的寿命。可以从其他m s c 的软件产品 中获得m s c f a t i g u e 需要的几何和有限元结果，例如m s c n a s t r a n ，m s c m a r c 和m s c d y t r a n 。载荷工况可以从m s c a d m a s 或物理试验中获得。需要的材料信 息可以从m s c f a t i g u e 的标准库中获得，从m s c m v i s i o n 材料数据库中获得，或 者由拥护自己提供。 m s c f a t i g u e 作为专业耐久性疲劳寿命分析软件系统，可用于结构的初始裂 纹分析、裂纹扩展分析、应力寿命分析、焊接寿命分析、整体寿命预估分析、疲 劳优化设计、振动疲劳分析、多轴疲劳分析、点焊疲劳分析、虚拟应变片测量及 数据采集等各种分析，同时该软件还拥有丰富的疲劳断裂相关材料库、疲劳载倚 和时间历程库等，能够可视化疲劳分析的各类损伤、寿命结果。它具有如下特点： 全寿命分析，初始裂纹分析，裂纹扩展分析，基于频域或时域的振动疲劳分析， 点焊和缝焊的疲劳分析、旋转件疲劳分析，虚拟应变片测量和应变花分析，多轴 初始裂纹和安全因子分析。 江苏大学硕士学位论文 第三章基于有限元技术的疲劳理论 3 1 疲劳问题概述 疲劳研究是- f - j 边缘科学，它涉及到材料、力学及结构设计等许多研究领域， 对疲劳寿命影响最大的因素足结构设计和材料特性。结构设计是千变万化的，很 难归纳成可供计算的物理和数学模型；实际使用的材料都不是很理想的均匀和无 缺陷材料，材料性能有较大变化。金属疲劳破坏与晶体结构的剪切位移( 滑移) 有关，这种滑移会导致微裂纹产生；在循环载荷下，滑移逐渐累积，最终发展成 初始裂纹；当一些晶粒损伤之后，裂纹开始在晶体面以外扩展，最后完全断裂， 所以，疲劳破坏可分为裂纹形成、扩展和最终断裂三个阶段【撕2 1 1 。 工作中的零部件往往受到多种因素的影响，如表面加工刀痕、冶金缺陷、加 工造成的表面裂纹等，而且工作载荷往往是随时间变化的复杂函数，使材料呈现 更复杂的疲劳性能，要准确预测疲劳寿命是很闲难的。因此，如何采用有效的损 伤载荷历程来表达零部件内部的受力状态，以及如何选择恰当的疲劳损伤模型都 是疲劳分析中必须考虑的问题。 3 2 疲劳分析理论 有限元技术在零部件疲劳寿命预测中已经成为一种不可缺少的分析工具，利 用有限元分析获得的计算结果进行疲劳寿命预测改变了原有疲劳问题的研究方 法，同时也给疲劳理论赋予了时代特色。 3 2 1 疲劳寿命分析过程 工程构件所承受的载荷往往是多方向的复杂交变载荷，要准确预测各个部位 的疲劳损伤就需要测量相应的载荷历程。在疲劳寿命分析时读取各载荷方向上单 位载荷的应力应变响应，然后根据实际载荷工况将单位载荷响应比例迭加得到疲 劳分析所需的应力应变谱，根据不同疲劳准则的要求也可以将弹性应力应变历程 换算成弹塑性应力应变历程，然后结合材料性能参数选择合适的损伤模型进行疲 劳寿命计算，整个分析过程如图3 1 所示。 江苏大学硕士学位论文 臣困 施加单位载荷 l 1 r i 得到蓊翼案应比 一 根据载荷谱比例缩放 l 疲劳分析载衙谱i 一 损伤模班、材料特性 图3 1 疲劳寿命计算流程 3 2 2 疲劳应力谱合成 有限元计算可以直接得到节点的各个应力分量，也可以得到主应力和当量应 力，用何种参量进行疲劳寿命估算取决于选用的损伤模型。用于疲劳寿命分析的 节点应力应变历程一般是通过合成单位载荷响应和实测载荷谱获得的，对于简单 的恒幅或比例加载也可以直接提取工作载荷的结果响应。 ( 1 ) 单轴载荷的应力合成 单位载荷响应提供了外载荷产生的应力应变输出和外载衙输入之间的比例 关系，载荷谱实际上提供了一个随时间变化的缩放因子，将单位载荷响应按照载 荷历程上各点数值大小进行比例缩放即可得到疲劳寿命分析的应力应变谱。在有 限元计算时各单位载荷的结果响应要单独存放，以便于疲劳分析时选择性提取。 图3 2 示意了一个承受单向载荷心) 的零件，对应单位载荷为p ，用s 0 表示单 位载荷下节点的各个应力分量。每个分量按照式f 3 1 ) m 时进行应力合成，即可得 到所有节点的应力历程，然后采用循环计数法将复杂应力历程简化为具有循环概 念的简单载荷，以便于进行疲劳分析。 s u ( f ) = s 0 x p ( t ) ( 3 - 1 ) 江苏大学硕士学位论丈 图3 2 单向载荷谱模型 心 p 0 ) ( 2 ) 多轴载荷的应力合成 当零部件受到多轴载荷时，各个载荷的变化可以是同相位、按比例的，也可 以是非同相位、非比例的，作用部位也可能有所不同，所以要分别考虑各个载荷 的节点响应然后再进行合成。多轴载荷的疲劳应力应变历程生成和单轴载荷相 似。例如用p ( f ) 和q ( f ) 表示两个相互独立的载荷谱，对应的单位载荷为p ，q ，有 限元计算得到p ，q 作用下的应力响应s 0 和s 己，然后分别按照载荷历程p ( f ) 和 q ( t ) 进行比例迭加，最后得到所有节点随时问变化的应力谱s ；：，( f ) 和s q j ( t ) 。最 后将s 己( f ) 和s 0 ( f ) 对应应力分量矢量相加即可得到载荷p ( f ) 和q ( f ) 共同作用下 的节点应力历程置。f ( f ) ，如式( 3 2 ) 所示。 s “o ) = s f j ( t ) + s q j ( t ) ( 3 - 2 ) 通常情况下零部件工作在弹性应力状态，当局部发生屈服时，一般采用近似 修正的方法来获得弹塑性状态应力应变响应。常用的修正方法有单轴或多轴的 n e u b e r 2 2 1 准则和g l i n k 冽准则。 3 2 3 单轴疲劳分析准则 对于单轴载荷，同一时刻的应力和应变相互对应，因此应力和应变都可以作 为疲劳损伤参量，在很多方面已经取得比较成熟的理论。单轴载荷在有限元计算 中体现为每个节点的应力分量只在某一固定的方向上随时间变化，节点的主应力 方向不发生变化。 1 4 江苏大学硕士学位论文 当用s n 曲线进行单轴疲劳分析时，平均应力对疲劳寿命的影响可以采用 g o o d m a n 、g e r b e r 平均应力修正方法分析。g 0 0 d m a i l 方法如式( 3 3 ) 所示， 孚+ 导：1 ( 3 3 ) s es i l t 、 其中，吒一应力幅； s e 一应力比r = 一1 时的疲劳极限； g e r b e r 平均应力修正方法如式( 3 - 4 ) 所示， 毒+ 斟= l 仃。一平均应力； s 础一材料拉伸极限应力 0 o r s 叠 ( 3 - 4 ) 图3 3g o o d m a n 和g e r b e r 平均虑力修正准则比较 当用占一n 曲线进行分析时，通常用m a n s o n - c o f f i n 力- 程表示，如式( 3 5 ) ， 等：睾( 2 ，y + 占；( 2 ， 2e 、 川川 其中一应变幅值； f 一杨氏模量； 6 一疲劳强度指数； 占多一疲劳延性系数； 仃多一疲劳强度系数； c 一疲劳延性指数 ( 3 - 5 ) 当考虑平均应力的影响时，可以采用m o r r o w 、s m i t h w a t s o n - t o p p e r 等平均 应力修正方法。m o r r o w 修正方法如式( 3 - 6 ) 所示， 江苏大学硕士学位论文 等：鼍导( 2 ，y + i ( 2 n ，y 2e 、 h smithwatsontopper修正方法如式(3-7smithw a t s o nt o p p e r l z 4 1 37 ) 所示， 修正方法如式() 所不， 等= 等( 2 ，) 2 b + s 一( 2 ，p 3 2 4 多轴疲劳分析准则 ( 3 6 ) ( 3 7 ) 在工程应用中，零部件的危险部位经常受到多轴疲劳载荷的作用，在有限元 计算中体现为节点的应力分量可以在不同的方向上随时i 、日j 变化，主应力的方向和 大小也可能不断变化，裂纹可能在材料的不同方向、不同平面内形成，使多轴疲 劳分析变得非常复杂。疲劳裂纹通常在零部件表面出现，而表面处于平面应力状 态，即法向主应力为零，因此多轴疲劳分析就可以转化为双轴疲劳问题，这也是 多轴疲劳等效应力应变计算准则的理论基础。在有限元分析时，表面节点的三个 主应力都要进行计算，理论上表面法向的主应力应接近于零，偏差大小直接反映 了有限元模型质量的高低。 目前广泛采用的多轴疲劳寿命预测方法是临界平面法，该方法基于断裂模型 及裂纹萌生机理，认为疲劳裂纹发生在某一特定平面上，疲劳损伤的累积、寿命 预测都在该平面上进行，具有一定的物理意义f 2 5 1 。在具体使用时常采用简化的 方法，将复杂的应力应变转化成临界平面上的等效应力和等效应变，然后借助单 轴疲劳分析方法计算零部件的疲劳寿命f 2 6 1 ，即将式( 3 5 ) 中的a e 用等效应变 代替，得到等效的多轴疲劳寿命方程( 3 8 ) 。 争= 詈( 2 ，y + 占胁，广( 3 - 8 ) 乞与主应变q 、a e ：、a 6 ，的关系取决于泊松比，在弹性形变与塑性彤 变下x 的数值有所不同。 确定临界平面的方法有多种，根据不同的损伤参量可以得到不同的判断准 则，典型的损伤模型有以下几种。 1 6 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 主应变疲劳准则 等= 罟( 2 ，y + 如，y ( 3 - 9 ) 式中晶2 表示最大主应变幅，认为疲劳裂纹首先出现在承受最大主应变幅 的平面上。对于单轴应力状态，最大主应变就是载荷方向的轴应变s ，采用式 ( 3 9 ) 就可以得到单轴疲劳的寿命结果。 对于高周疲劳问题，应力应变基本上是线性关系，所以在切口凹槽等部位用 局部的弹性应力代替真实应力不会产生很大的误差，式( 3 - 9 ) 可以简写成： 堕2 = ! e ( 2 ，y = 2 i z ，、，i 、 j ， 即，一ao1：仃j(2，y2 j 、j ， ( 3 - 1 0 ) ( 3 - 1 1 ) 该准则比较适合于分析脆性材料的疲劳寿命，例如铸铁、高强度钢；对于韧 性材料该准则得到的结果一般过于危险。 ( 2 ) 主应力疲劳准则 早期的双轴疲劳分析方法都是基于主应力的，使用s n 曲线进行零部件疲劳 寿命预测，一般的主应力是通过式( 3 1 2 ) 计算得到。 仃：墨生+ q ，22 彳 ( 3 - 1 2 ) 这个准则假定疲劳寿命总是由最大主应力q 决定，主应力盯：对疲劳寿命没 有影响( 这个假设和实际状况是不相符的) 。在大量的工程计算中发现最大主应 力准则仅仅对脆性金属可以取得较为满意的结果，例如铸铁、高强度钢。当用该 准则分析韧性金属时，得到的疲劳寿命要比实际值要大的多。 ( 3 ) 最大剪应变准则 争- 1 3 詈( 2 ，y “5 占；( 2 ，广( 3 - 1 3 ) 该准则认为疲劳裂纹首先出现在承受最大剪应变幅的平面上，和试验情况比 较接近。 1 7 江苏大学硕士学位论文 日乞岛 图3 4 鼓大舅厩燹甲回 假设毛s 2 岛，疲劳裂纹将出现在与q 所在平面h - 茈4 5 度角的平面上，如图 2 4 所示。最大剪应变可以利用m o h r 应变圆得到，如式( 3 1 4 ) 。 鳖：生兰 ( 3 1 4 ) 22 、 所以式( 3 8 ) 可以写成 等= c 1 詈( 2 ，y + c 2 s 胁，广( 3 - 1 5 ) 实常数c 。，c ：可以通过构造两个相同疲劳寿命的单轴应力方程得到。对于单轴载 荷，主应变占：= 岛= 一鹏，由式( 2 1 4 ) 可得到7 一亍( 1 + ) q ，所以在单轴应力 状态下，剪应变幅是主应变幅的( 1 + ) 倍，式( 3 1 5 ) 可以写成 争= ( 1 ) 詈( 2 ，y + ( 1 怫) s ；( 2 ，户( 3 - 1 6 ) 在弹性应变下以0 3 ；塑性应变下p 0 5 ，所以可得最大剪应变准则( 3 1 3 ) ， 该准则比较适用于韧性好的金属材料。 ( 4 ) b r o w n m i l l e r 准则 等+ 等- 1 6 5 - 考- ( 2 n t ) 7 霹隅) 。( 3 - 1 7 ) 式中y 2 为最大剪应变幅，a s 2 表示最大剪应变幅平面上的法向应变 1 8 江苏大学硕士学位论文 幅。该准则认为疲劳裂纹首先出现在承受最大剪应变幅的平面上，疲劳失效是由 该平面上的剪应变和法向应变共同作用引起的【2 7 - 2 8 1 。 一。， - 图3 5b r o w n m i l l e r 准则材料损伤示意图 根据m o h r 应变圆可得：等= 学= 学 根据单轴平面应力可得y 一= q 一岛= ( 1 + ) q ，巳= 半= 堕 由应变寿命方程式( 3 8 ) ，可以得到 丝+堕：c，-考-i(2n+c22占；(2，)c2 2e i j -j 、jj ( 3 1 8 ) 对于弹性应力以o 3 ，所以= ( 1 + 以) q = 1 3 q ，巳= 堡二笋超= o 3 5 e 1 可得实常数c 。= 1 3 + 0 3 5 = 1 6 5 ；对于塑性部分p 0 5 ，可以用同样的方法得 到实常数c ：= 1 7 5 ，所以可以得到完整的b r o w n - m i l l e r 应变寿命方程( 3 1 7 ) 。 考虑平均应力的影响，可以得到如下的m o r r o w 修正公式： 喧+堕=165幽(2，)6+1759；(2，)c(3-19)22e 、|j|、jj 常数c 。= 1 6 5 ，c ：= 1 7 5 是在假设疲劳裂纹发生在承受最大的剪应力的平面 上推导出来的。实践证明对于复杂的载荷幅，在此假设条件下计算的结果可以比 较好的和实验数据吻合，可以得到较为理想的结果。该准则足常用的多轴疲劳寿 命分析方法，适用于绝大多数金属材料，尤其适用于韧性好的金属。 这些可能的临界平面是通过该面法线的空间位置进行定义的