疲勞分析在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

2013-06-20 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

針對車輛焊接結(jié)構(gòu)重載后導(dǎo)致的疲勞斷裂問題,論文提出了車輛產(chǎn)品設(shè)計階段的虛擬疲勞實驗對策。基于可靠的有限元數(shù)值仿真模型,以及美國AAR標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用對象,在設(shè)計階段,對其進(jìn)行了疲勞壽命預(yù)測,預(yù)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(shè)計歷史上,首次實現(xiàn)了真正意義上的壽命設(shè)計。

齊車集團(tuán)公司關(guān)曉麗李向偉大連交通大學(xué) 兆文忠來源:e-works
關(guān)鍵字:CAE 載荷譜 S-N曲線

當(dāng)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(guān)注的問題,其中,機(jī)車車輛許多構(gòu)件,尤其是焊接構(gòu)件,服役不久頻繁發(fā)生疲勞斷裂,并導(dǎo)致了重大經(jīng)濟(jì)損失?？陀^上,由于提速/重載,機(jī)車車輛動負(fù)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(jī)車車輛裝備沒有注入與提速/重載相匹配的且有相當(dāng)儲備的抗疲勞能力,許多疲勞斷裂案例分析表明:在設(shè)計階段,我們?nèi)酝Ａ粼趥鹘y(tǒng)的靜強(qiáng)度設(shè)計層次上,對焊接構(gòu)件尤其缺少抗疲勞設(shè)計的理念,缺少相應(yīng)的技術(shù),缺少必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此,許多疲勞斷裂隱患始于設(shè)計階段。
事實上,自從人們認(rèn)定“預(yù)防疲勞斷裂”是一個公認(rèn)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(yù)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(dāng)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(shè)計階段抗疲勞措施是否有效,對簡單問題可以查閱設(shè)計手冊予以校驗,對機(jī)車車輛中典型焊接結(jié)構(gòu)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(dǎo)致較大的投入風(fēng)險,且由于疲勞斷裂現(xiàn)象的時延特性,它還有可能導(dǎo)致在設(shè)計階段埋下重大事故隱患。面對如此嚴(yán)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(shù)對策,以試圖盡最大可能地化解上述矛盾,從而使機(jī)車車輛焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)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(shù)路線
從理論框架上看,虛擬疲勞試驗應(yīng)屬于虛擬樣機(jī)性能仿真范疇,其基本定義應(yīng)該是:
利用有限元數(shù)值仿真技術(shù),在計算機(jī)虛擬環(huán)境下實現(xiàn)疲勞試驗,從而在物理樣機(jī)沒有制造出來之前的產(chǎn)品設(shè)計階段預(yù)測其疲勞壽命,并支持抗疲勞設(shè)計方案的無數(shù)次修改。
類似于物理樣機(jī)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(jī)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(jī),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(yù)測的技術(shù)路線是:

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對虛擬疲勞試驗而言,將上面的原則具體化,其技術(shù)路線是:
(1)對設(shè)計對象,創(chuàng)建有限元模型,關(guān)鍵的承力焊縫,應(yīng)參照IIW標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)力響應(yīng),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(biāo)準(zhǔn)等幅加載到有限元模型中求其動應(yīng)力響應(yīng);
(4) 動應(yīng)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(shè)計,并轉(zhuǎn)到(1)。
    顯而易見, 虛擬疲勞試驗的關(guān)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(yīng)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(gòu)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(yīng)的位移約束。計算中將鋼結(jié)構(gòu)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)。

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圖1:網(wǎng)格劃分模型

2.2選擇合適的載荷譜。
選用AAR標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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:

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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(yīng)用我們最新開發(fā)的重載貨車虛擬疲勞壽命預(yù)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:

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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(yù)測系統(tǒng)中自動選擇相應(yīng)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

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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(yīng)的最大及最小主應(yīng)力。在AAR標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定,主應(yīng)力符號相同的雙向應(yīng)力狀態(tài),具有較大絕對值或范圍的應(yīng)力可以用作疲勞當(dāng)量應(yīng)力。當(dāng)主應(yīng)力的符號相反時,等于主應(yīng)力數(shù)值之和的值可近似地作為疲勞當(dāng)量應(yīng)力使用。
然后,根據(jù)邁因納理論有,

式中,ni表示第i級應(yīng)力水平下經(jīng)過的應(yīng)力循環(huán)數(shù);Ni表示第i級應(yīng)力水平下的達(dá)到破壞時的應(yīng)力循環(huán)數(shù)。
當(dāng)D值等于1時,認(rèn)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(yīng)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(guān)鍵部位的疲勞壽命:
計算結(jié)果如圖:

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將全部計算結(jié)果匯總到下表,該設(shè)計方案中壽命比一目了然。
數(shù)據(jù)匯總表

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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(shè)計是必須修改的部位。不需強(qiáng)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(shù)及重載敞車設(shè)計中的應(yīng)用,應(yīng)用結(jié)果表明:
(1)將虛擬疲勞試驗技術(shù)用于方案設(shè)計,從而可以避免或減少產(chǎn)品生命周期上游的設(shè)計缺陷?；谶@一技術(shù),在設(shè)計階段將疲勞壽命量化,這才是工程意義上的可靠性設(shè)計所需要的。
(2)車輛焊接結(jié)構(gòu)的虛擬疲勞試驗需要二個必要條件:一是動應(yīng)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(biāo)準(zhǔn),英國BS標(biāo)準(zhǔn),國際焊接學(xué)會(IIW)標(biāo)準(zhǔn)中的S-N曲線數(shù)據(jù)庫就非常實用。

4 參考文獻(xiàn)
[1].美國鐵路標(biāo)準(zhǔn), AAR機(jī)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn),TB/T1335-1996鐵道車輛強(qiáng)度設(shè)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(gòu)的疲勞[M],北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1988。

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