搜索疲勞分析在結構設計中的應用
2013-06-20 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
針對車輛焊接結構重載后導致的疲勞斷裂問題,論文提出了車輛產品設計階段的虛擬疲勞實驗對策。基于可靠的有限元數值仿真模型,以及美國AAR標準中的載荷譜、焊接接頭的S-N曲線數據庫,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,服役不久頻繁發生疲勞斷裂,并導致了重大經濟損失。客觀上,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,我們仍停留在傳統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,缺少必要的基礎數據。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,當產品只在“圖紙”上時,包括疲勞試驗在內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,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構抗疲勞設計在產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:
利用有限元數值仿真技術,在計算機虛擬環境下實現疲勞試驗,從而在物理樣機沒有制造出來之前的產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據庫
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,而是產品的三維有限元數值模型。
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,并轉到(1)。
顯而易見, 虛擬疲勞試驗的關鍵是:
? 高質量的有限元模型
? 相對完備的以S-N曲線描述的焊接接頭數據庫
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創建有限元模型
如果不考慮叉車工況及扭轉載荷作用,載荷及結構存在對稱性,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。計算中將鋼結構離散為薄殼元(Thin-shell),共劃分節點38272個(整車136880個),單元40962個(整車142616個)。
圖1:網格劃分模型
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出現次數最多。
應用我們最新開發的重載貨車虛擬疲勞壽命預測系統可以自動調用上述載荷譜。這以上兩種載荷譜的其它數據見下圖:
圖4 載荷譜數據
2.3選取各評估點的S-N曲線
根據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標準中明確規定,主應力符號相同的雙向應力狀態,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,等于主應力數值之和的值可近似地作為疲勞當量應力使用。
然后,根據邁因納理論有,
式中,ni表示第i級應力水平下經過的應力循環數;Ni表示第i級應力水平下的達到破壞時的應力循環數。
當D值等于1時,認為被評估對象開始產生疲勞破壞。
根據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:
計算結果如圖:
將全部計算結果匯總到下表,該設計方案中壽命比一目了然。
數據匯總表
通過疲壽命,該車絕大多數部位滿足壽命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
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品生命周期上游的設計缺陷。基于這一技術,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曲線數據庫。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曲線數據庫就非常實用。
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范[S],北京:中華人民共和國鐵道部,1996。
[3].[英]T.R.格爾內著,周殿群譯,焊接結構的疲勞[M],北京:機械工業出版社,1988。
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