13.HyperWorks在疲劳失效预测分析中的应用

1、Altair中国区2008 HyperWorks 技术大会论文集-i -Altair中国区2008 HyperWorks 技术大会论文集HyperWorks在疲劳失效预测分析中的应用张建振 常连霞中国第一汽车集团公司-i -Altair中国区2008 HyperWorks 技术大会论文集HyperWorks 在疲劳失效预测中的应用HyperWorks Application in Fatigue FailurePredication张建振常连霞（中国第一汽车集团公司技术中心）摘 要：产品开发过程中制造加工、台架试验和耐久性试验成本高、周期长，而且失效大 多出现在设计完成后，对设计更改带来难度，

2、使用Altair公司的HyperWorks软件进行有限元疲劳预测，将零部件设计水平从寿命定性设计到寿命定量设计变为可能。本文借助HyperMesh和RADIOSS 软件，以平衡悬架大支架为例，介绍疲劳分析的使用过程，将计算结果与试验结果对比，并对改进结构进行验证。关键词：疲劳失效，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在重型自卸车在矿山服役过程中，平衡悬架系统承受着多种恶劣的载荷工况，大支架作为其中的支撑件，一旦出现疲劳失效，会造成悬架系统失效，甚至有可能引起汽车侧翻。利 用传统的静强度设计方法已不能满足设计要求，需要选择适当的疲劳设计方法，在设计完成之前进行疲劳失效预测，从而为平衡悬架系统的设计安全性提供保障。利用

4、Altair公司的HyperWorks软件，在一个HyperMesh环境下利用RADIOSS求解器进行静强度和疲劳强 度分析，并可利用 HyperView 软件进行结果显示，既省去了从静强度分析软件到疲劳分析 软件相互传递的麻烦，又缩短了零件的设计周期，解决了疲劳失效的预测的难题，是目前零部件分析比较完美的一种结合。2疲劳理论及RADIOSS疲劳特点2.1疲劳失效实质疲劳失效在是交变应力作用下而产生，常表观为低应力脆性断裂（宏观上均表现为无明显塑性变形的突然断裂），并且常带有局部性质，局部改变细节设计或工艺措施，就可增 强疲劳寿命。它是一个累积损伤的过程，需要经历三个过程：a 裂纹形成（成核）

5、，即.在零1。件的高局部应力处，较弱晶粒在交变应力作用下形成微裂纹，然后发展成宏观裂纹；b 裂 纹扩展；c.裂纹扩展到临界尺寸时快速断裂。因此，疲劳失效与应力循环次数有关2.2疲劳失效与静态破坏的区别静强度破坏是在静应力(或等效静应力)作用下的失效，其主要失效形式是产生过大的 残余变形(对于塑性材料)，或脆性断裂(对于脆性材料)；其所用材科的强度指标是屈服极限 和强度极限。其设计应力是按静载荷或少量出观的峰值载荷进行计算出的名义应力。2.3 RADIOSS疲劳失效分析步骤SN曲线，应用线性疲劳累积损伤理论进行高周疲劳图1 RADIOSS疲劳失效分析步RADIOSS疲劳分析方法是根据 寿命估算，

6、流程见图12。(1) 静态分析确定结构中的 危险部位及相应名义应 力；(2) 根据载荷时间历程，确 定危险部位的名义应力 时间历程；(3) 根据疲劳试验数据修正 材料SN曲线，得到 零部件S-N曲线；(4) 应用疲劳损伤累积理论，求出危险部位的疲劳寿命。2.3 RADIOSS疲劳分析特点利用RADIOSS9.0进行疲劳分析存在下面几个突出的特点：(1) 相同的疲劳分析方法得出的结果比ncode软件更加快速和准确；(2) 可定义无限层的疲劳载荷和工况，为复杂的疲劳载荷工况的分析提供了方便；(3) 疲劳分析和有限元分析可在同一界面下操作和进行，避免了界面操作和数据转换时带来的不必要的麻烦，后处理仍

7、然使用HyperView模块；(4) 由于是在HyperWorks平台下开发的，数据接口上将实现无缝连接，今后结合HyperMorph 的网格自动变形可实现疲劳优化，结合process Man ager 可实现疲劳分析流程固化等，其后期将具有很大的功能扩展性。3.模型的建立与分析3.1单元划分对相关连接件如车架纵梁、在保证大支架分析精度的基础上对平衡悬架系统进行简化,加强板等进行等效处理，模型见图2。基于关注区域细化、非关键区域粗化的原则对大支零件结点数单元数平衡悬架大支架200464 51027表1平衡悬架大支架的结点数和单元数架进行网格划分，该有限元模型的结点数和单元数见表1。3.2材料特

8、性计算中所使用的材料参数如下：图2表2. QT600的材料参数材料弹性模量泊松比条件屈服疲劳极限最高拉应力QT600-3169GPa0.286370MPa251MPa400MPa图 3 QT600-3 铸样 P S N 曲QT600-3属于屈强比高，偏脆的球铁材 料，静强度按最大抗拉强度设计，疲劳强度 材料需要根据实测材料数据，对图32的材料S-N曲线2进行修正得到零部件的S-N曲 号线。3.3大支架线性静态步分析约束与车架纵梁和横梁加强板的连接位置，在板簧与平衡轴接触面中心加载垂直向上载荷，时间载荷历程为方便，做了简化，如下表 3。表3.垂直载荷的时间载荷历程表时间/秒垂直载何/KN0 3.

9、51 10.52 17.5进行线性计算，得到结果见图5.位置2、3拉应力超过了条件屈服强度，并且高应力区已经贯穿了两处的截面，应力集中最为严重；其次为位置5、6处，应力集中程度相对小一些。3.4定义大支架疲劳分析卡片在RADIOSS9.0中进行疲劳分析需定义下列卡片，分为疲劳定义卡片和疲劳载荷时间 历程卡片两大类（图 4）。图4.大支架疲劳分析卡片-9 -Altair中国区2008 HyperWorks 技术大会论文集-# -Altair中国区2008 HyperWorks 技术大会论文集3.4 大支架疲劳分析疲劳分析是根据疲劳载荷历程与静态载荷历程的关系，基于线性迭代方法，对静态分其中应力历

10、程转换公式为析得到的应力时间历程进行转化得到疲劳时使用的应力时间历程。LDMi Pit ScaleOffset I-# -Altair中国区2008 HyperWorks 技术大会论文集-# -Altair中国区2008 HyperWorks 技术大会论文集此处：. 为时刻t时的结果应力张量丄空is静态分析的应力张量 is t时刻载荷历程中的载荷值-时间历程是正确的，然因此，在疲劳计算之前，先进行静态计算，确认得到的应力后进行疲劳分析计算才是合理的。4计算结果与试验结果对比经大量的大支架疲劳载荷破坏试验，经若干次循环载荷作用下，大支架首先在位置2、3位置处产生主裂纹，然后裂纹扩展，导致位置 1、4产生次生裂纹，位置 5、6处也相应有 裂纹出现，证明计算结果与试验结果一致，如图 5所示。静态分析结果疲劳分析结果痕劳试脸结果图4计算结果与试验结果对比图片5结论利用Altair公司的RADIOSS软件计算出分析结果与试验结果一致，证明RADIOSS能够实现疲劳失效位置预测的功能，