CAE仿真技術(shù)在汽車疲勞分析中的應(yīng)用

 在汽車產(chǎn)品的研制過程中，需要對零部件進行大量的臺架試驗和整車耐久性試驗，不僅試驗費用高、周期長，而且問題大多是出現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計完成之后，對設(shè)計更改帶來一定難度。通過有限元疲勞分析，可以在汽車設(shè)計初期對整車的耐久性進行預(yù)測，找到結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，提出合理的改進方案，還可以大幅度降低或最終取代部分疲勞試驗。在汽車行業(yè)，從最初的線彈性部件分析到汽車結(jié)構(gòu)中大量的非線性問題分析，到現(xiàn)在汽車疲勞壽命分析、NVH分析、碰撞模擬等，有限元科技CAE應(yīng)用項目幾乎可以涵蓋所有環(huán)節(jié)。

 隨著計算機軟、硬件水平的逐步提高，將關(guān)鍵零部件的設(shè)計水平從壽命定性設(shè)計上升到壽命定量設(shè)計已經(jīng)逐步成為可能。

根據(jù)疲勞理論，疲勞破壞主要由循環(huán)載荷引起。從理論上說，如果汽車的輸入載荷相同，那么所引起的疲勞破壞也應(yīng)該一樣，所以通過CAE仿真技術(shù)用載荷譜模擬和加載，預(yù)測壽命和反饋優(yōu)化，大幅度壓縮試驗時間、縮短開發(fā)周期。

 有限元疲勞分析方法

 汽車零部件疲勞分析方法主要有靜態(tài)（或準(zhǔn)靜態(tài)）、隨機振動疲勞等方法，對于給定的問題，應(yīng)該根據(jù)結(jié)構(gòu)所受載荷及其動態(tài)特性不同，判斷并選擇正確的疲勞分析方法。如果結(jié)構(gòu)的一階固有頻率大于3倍載荷頻率，可采用靜態(tài)（或者準(zhǔn)靜態(tài)）疲勞分析方法，否則必須采用動態(tài)疲勞分析方法。

 從理論上來講，雖然隨機載荷作用下的結(jié)構(gòu)可以很方便地用時域信號表達，并可以進行相應(yīng)的動應(yīng)力計算，但是在時域內(nèi)，通常需要非常長的信號記錄來描述一個完整的隨機載荷過程，對于這種情況，人們已經(jīng)證明在時域中進行瞬態(tài)動力分析是非常困難和不必要的。對于這類問題，可以將隨機載荷及響應(yīng)信號用功率譜密度(PSD)函數(shù)分類，動態(tài)結(jié)構(gòu)模擬成為一個線性傳遞函數(shù)，在頻域內(nèi)進行疲勞分析是非常方便的。

 1、（準(zhǔn)）靜態(tài)疲勞分析方法

 目前，對于準(zhǔn)靜態(tài)（quasi-static）結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力分析大量采用慣性釋放方法，如車身、車架及底盤零部件等。計算過程主要由3步構(gòu)成：首先，施加單位載荷，每個載荷位置按照其載荷數(shù)量及方向分別施加單位載荷。載荷施加位置舉例：車身疲勞分析時，載荷施加位置為車身安裝點；車架疲勞分析時，載荷施加位置為懸架固定點。

 其次，有限元應(yīng)力分析。對于準(zhǔn)靜態(tài)結(jié)構(gòu)零部件，如運動件或者不完全約束件采用慣性釋放方法計算，例如，車身或者車架等。慣性釋放計算結(jié)果是在某單位載荷作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)，分析時需指定某一節(jié)點作為慣性釋放的參考點，在該點處的載荷為零。建議參考節(jié)點選擇在安裝點（載荷點）附近但不能是安裝點本身。

 最后，應(yīng)力采用線性靜態(tài)疊加法計算，并采用Miner準(zhǔn)則進行疲勞分析。

 2、動態(tài)疲勞分析方法

 如果結(jié)構(gòu)的固有頻率與載荷的頻率接近，此時需要采用動態(tài)疲勞分析方法，可以采用MSCNastran瞬態(tài)應(yīng)力求解器計算出載荷歷程在每一個周期內(nèi)的動態(tài)應(yīng)力歷程，之后用MSCFatigue可以很容易地計算出結(jié)構(gòu)的壽命。

 瞬態(tài)應(yīng)力計算有直接法和模態(tài)法，對于類似車身疲勞分析等規(guī)模較大的問題，模態(tài)法有著更高的計算效率，建議采用。如果多體模型中含有柔性體時，MSCAdams對于柔性體有專門的疲勞分析接口，可以直接在多體軟件中應(yīng)用模態(tài)疊加法進行應(yīng)力歷程計算，使得疲勞分析更為方便。

 當(dāng)前，隨著計算機軟、硬件水平的不斷提高，采用VPG方法進行瞬態(tài)應(yīng)力計算也逐漸為人們所接受，該方法采用顯示有限元分析方法，將輪胎進行網(wǎng)格劃分作為整車模型的一部分，與剛性顛簸（坑或者突起等）路面做接觸計算，可以得到整車經(jīng)過一段特殊路面時整車的動態(tài)應(yīng)力歷程，進而可以計算出關(guān)心區(qū)域的壽命。

 3、振動疲勞分析方法

 如前所述，對于在隨機載荷作用下的零件進行疲勞分析，如果采用瞬態(tài)疲勞分析方法，則需要大量的硬盤空間和計算時間，對于較大規(guī)模的工程問題，分析時間通常是不能接受的。對于這類問題，可以將載荷時間歷程在頻域內(nèi)用功率譜密度函數(shù)描述，并采用振動疲勞分析方法。由于隨機載荷的動力響應(yīng)分析不需要全部瞬態(tài)分析，因此可以極大地降低計算時間。

 由于汽車結(jié)構(gòu)工作環(huán)境非常復(fù)雜，而且載荷、材料參數(shù)等缺乏準(zhǔn)確性，導(dǎo)致絕對的疲勞分析結(jié)果一般不準(zhǔn)確?；谶@種情況，目前疲勞分析可以應(yīng)用在臺架試驗?zāi)M、方案比較、結(jié)構(gòu)改進等方面。在進行疲勞分析時，要根據(jù)載荷及結(jié)構(gòu)特點，選擇合理的疲勞分析方法。如果結(jié)構(gòu)的一階固有頻率大于3倍載荷頻率，可采用靜態(tài)（或者準(zhǔn)靜態(tài)）疲勞分析方法，否則必須采用動態(tài)疲勞分析方法；如果載荷比較復(fù)雜，具有隨機載荷特征時，需要考慮采用振動疲勞分析方法。

 隨著行業(yè)競爭加劇，通過加快產(chǎn)品研發(fā)速度、降低產(chǎn)品成本、提高產(chǎn)品可靠性的手段來提高產(chǎn)品競爭力，已經(jīng)為各企業(yè)所認可。而疲勞分析是達到上述目的的一個重要途徑，并且在產(chǎn)品研發(fā)中得到越來越多的應(yīng)用。

 作為一家致力于為客戶提供一站式CAE整體解決方案的CAE技術(shù)服務(wù)公司，有限元科技先后為汽車、電子電器、風(fēng)電等500多家企業(yè)提供CAE項目服務(wù)。如有業(yè)務(wù)的需要請聯(lián)系電話：13632683051，咨詢QQ：4006046636。

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