疲劳分析在结构设计中的应用

2013-06-20  by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM  来源:仿真在线

针对车辆焊接结构重载后导致的疲劳断裂问题,论文提出了车辆产品设计阶段的虚拟疲劳实验对策。基于可靠的有限元数值仿真模型,以及美国AAR标准中的载荷谱、焊接接头的S-N曲线数据库,论文以重载新型敞车为应用对象,在设计阶段,对其进行了疲劳寿命预测,预测结果表明该车确实存在疲劳寿命薄弱部位。在我国货车设计历史上,首次实现了真正意义上的寿命设计。

齐车集团公司 关晓丽 李向伟 大连交通大学 兆文忠 来源:e-works
关键字:CAE 载荷谱 S-N曲线

当前,提速/重载在迎合社会需求的同时,随之也出现了一些值得关注的问题,其中,机车车辆许多构件,尤其是焊接构件,服役不久频繁发生疲劳断裂,并导致了重大经济损失。客观上,由于提速/重载,机车车辆动负荷加剧,然而,这不过是问题的外因,而内因则是我们对这些机车车辆装备没有注入与提速/重载相匹配的且有相当储备的抗疲劳能力,许多疲劳断裂案例分析表明:在设计阶段,我们仍停留在传统的静强度设计层次上,对焊接构件尤其缺少抗疲劳设计的理念,缺少相应的技术,缺少必要的基础数据。因此,许多疲劳断裂隐患始于设计阶段。
事实上,自从人们认定“预防疲劳断裂”是一个公认的难题以来,一个普遍被接受的现实是:由于疲劳断裂问题难于从理论上建模,因此,“预防疲劳断裂”的措施是否有效,只能通过各种形式疲劳实验来回答,毫无疑问,这种观点是正确的。
然而,另外一个事实是,当产品只在“图纸”上时,包括疲劳试验在内的任何实验均无载体,因此,设计阶段抗疲劳措施是否有效,对简单问题可以查阅设计手册予以校验,对机车车辆中典型焊接结构的抗疲劳措施是否有效则很难判断,显然这不是我们所希望的,而“事后验证”不仅有可能导致较大的投入风险,且由于疲劳断裂现象的时延特性,它还有可能导致在设计阶段埋下重大事故隐患。面对如此严峻的挑战,消极回避是不可取的,为此本文提出了虚拟疲劳试验技术对策,以试图尽最大可能地化解上述矛盾,从而使机车车辆焊接结构抗疲劳设计在产品的图纸上就能卓有成效地展开。

    1 虚拟疲劳试验的基本意义与技术路线
从理论框架上看,虚拟疲劳试验应属于虚拟样机性能仿真范畴,其基本定义应该是:
利用有限元数值仿真技术,在计算机虚拟环境下实现疲劳试验,从而在物理样机没有制造出来之前的产品设计阶段预测其疲劳寿命,并支持抗疲劳设计方案的无数次修改。
类似于物理样机的实验室疲劳试验,虚拟疲劳试验也需要二个必要条件:
 •疲劳载荷三要素(加载点,加载幅值,加载频率)
•以S-N曲线描述的焊接接头数据库
不同于物理样机的实验室疲劳试验,虚拟疲劳试验的加载对象不是物理样机,而是产品的三维有限元数值模型。
一般地说, 疲劳寿命预测的技术路线是:

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对虚拟疲劳试验而言,将上面的原则具体化,其技术路线是:
(1)对设计对象,创建有限元模型,关键的承力焊缝,应参照IIW标准离散成有限元网格;    
(2) 如果有可借用的载荷谱,例如:AAR为货车提供的车钩力谱,则加载到有限元模型中求其动应力响应,并转到(4);    
    (3)如果没有可借用的载荷谱,则按照实验室疲劳加载模式加载,例如:取UIC标准等幅加载到有限元模型中求其动应力响应;
(4) 动应力编谱;
(5) 依次创建待评估点的S-N曲线;
(6)迈纳尔损伤累积理论求寿命;
(7)如满意,退出计算,否则修改设计,并转到(1)。
    显而易见, 虚拟疲劳试验的关键是:
     • 高质量的有限元模型
     • 相对完备的以S-N曲线描述的焊接接头数据库
    一旦这两个基本条件具备, 虚拟疲劳试验将不是一件难事。

2 工程应用实例: 重载敞车的虚拟疲劳试验
该型敞车是重载敞车,轴重25t。
    2.1创建有限元模型
如果不考虑叉车工况及扭转载荷作用,载荷及结构存在对称性,计算时取整车四分之一为计算对象,在两个对称面上分别施加相应的位移约束。计算中将钢结构离散为薄壳元(Thin-shell),共划分节点38272个(整车136880个),单元40962个(整车142616个)。

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图1:网格划分模型

    2.2选择合适的载荷谱。
选用AAR标准中的90.7吨高边敞车载荷谱。经计算比较,车钩力是引起疲劳破坏的主要原因,因此,空重车动应力计算采用90.7吨高边敞车空车车钩载荷谱及满载车钩载荷谱,下图为上述载荷谱的三维雨流计数后的直方图:

疲劳分析在结构设计中的应用机械设计培训图片3

由载荷谱分析可以看出,空车89至178kN,重车-89至0kN出现次数最多。
应用我们最新开发的重载货车虚拟疲劳寿命预测系统可以自动调用上述载荷谱。这以上两种载荷谱的其它数据见下图:

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图4  载荷谱数据

2.3选取各评估点的S-N曲线
根据该车待评估点的具体焊接接头形式及受力特点,可以在该虚拟疲劳寿命预测系统中自动选择相应的S-N曲线。
    表一列举了一部分焊接接头及其S-N曲线索引信息。
    表一  待评估部位焊接接头焊缝形状及S-N索引

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    2.4疲劳寿命计算
首先,在有限元模型中,可以得到与某一载荷对应的最大及最小主应力。在AAR标准中明确规定,主应力符号相同的双向应力状态,具有较大绝对值或范围的应力可以用作疲劳当量应力。当主应力的符号相反时,等于主应力数值之和的值可近似地作为疲劳当量应力使用。   
然后,根据迈因纳理论有,疲劳分析在结构设计中的应用机械设计培训图片6

式中,ni表示第i级应力水平下经过的应力循环数;Ni表示第i级应力水平下的达到破坏时的应力循环数。
    当D值等于1时,认为被评估对象开始产生疲劳破坏。 
根据载荷谱及有限元模型求得的动应力及修正Good man图,在上述系统中,利用迈纳尔损伤累积计算公式,最终可以算出寿命。下面的云图给出的就是几个关键部位的疲劳寿命:
    计算结果如图:

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将全部计算结果汇总到下表,该设计方案中寿命比一目了然。
    数据汇总表

疲劳分析在结构设计中的应用+培训案例图片图片8


通过疲寿命,该车绝大多数部位满足寿命25年的要求,而寿命为21.2年的部位设计是必须修改的部位。不需强调指出是,上述全部工作是在样车制造之前,而不是在其后,其意义不言而喻。


    3 小结
本文介绍了虚拟疲劳试验技术及重载敞车设计中的应用,应用结果表明:
(1)将虚拟疲劳试验技术用于方案设计,从而可以避免或减少产品生命周期上游的设计缺陷。基于这一技术,在设计阶段将疲劳寿命量化,这才是工程意义上的可靠性设计所需要的。
(2)车辆焊接结构的虚拟疲劳试验需要二个必要条件:一是动应力谱;二是焊接接头的S-N曲线。前者需要好的有限元模型,后者需要好的S-N曲线数据库。例如美国AAR标准,英国BS标准,国际焊接学会(IIW)标准中的S-N曲线数据库就非常实用。

    4  参考文献
[1].美国铁路标准, AAR机务标准手册[S],美国:北美铁路协会,1999。
[2]. 中华人民共和国铁道部标准,TB/T1335-1996铁道车辆强度设计及试验鉴定规范[S],北京:中华人民共和国铁道部,1996。
[3].[英]T.R.格尔内著,周殿群译,焊接结构的疲劳[M],北京:机械工业出版社,1988。


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