基于有限元仿真的特种越野车结构疲劳寿命预测

4. 2 应力仿真计算
其中
Z =
2
m0 m2 m4
2 1 2
( 3)
xm = D1 = D2 =
m1 m0
( 4) ( 5) ( 6) ( 7)
2 ( xm - γ ) 2 1 +γ 1 - R
( 1 - γ - D1 + D2 1)
对有限元计算模型进行频响分析 , 得到了在不同频率下 ( 0 - 35 H z) ,十个车轮分别输入单位位移时 , 关键部件的频 率响应 ( von M ise s应力 ) 结果 。 其中 ,频响传递函数的频率分 辨率为 0. 5 H z。 应力功率谱密度计算公式见式 ( 12 ) 。 式中
2 疲劳寿命预测基本理论
与时域方法相比 ,基于有限元仿真的特种越野车结构疲
— 253 —
劳寿命预测适于在频域进行 ,这是因为 : 1 ) 时域所获得损伤是取自对一段随机变化信号的计数 , 因此通过时域方法获得的损伤本身就是一个随机变量 , 无法 避免对所得的损伤结果进行统计推断 。 2 ) 汽车构件产生的随机动态应力在时域内需要很长的 信号记录才能准确的描述随机响应 , 而对于大型有限元模 型 ,处理长的时域信号非常困难 , 得到频域功率谱应力信号 则较为方便 。 3 ) 由于路面的不平度 ,车辆行驶时会引起车辆的振动 , 路面不平度和车速直接影响车辆振动特性 ,而作为车辆振动 输入的路面不平度 ,主要采用路面功率谱密度描述其统计特 性 [3 ] 。 所以 ,由有限元分析计算得到的应力结果来预测零部 件寿命适于在频域进行 。 4 ) 用来进行疲劳分析的频域信号采样率只要达到时域 信号采样率的十分之一就可以得到与用时域信号预测同样 精度的寿命 ,同时 ,频域信号的读取 、 储存都比长时域信号要 方便 。 2. 1 疲劳分析应力的有限元计算方法 对于大型复杂有限元系统来说 ,如果其所受载荷为一随 机载荷 (严格说来 ,是一个平稳正态随机载荷 ) ,在频域内 ,利 用随机功率谱密度法 , 将载荷变换成功率谱密度信号 , 用有 限元法可以迅速的计算出响应应力的功率谱密度函数 [ 2 ] : 3 T ( 1) Sσ ( f ) = [ H σ - F ( f) ] [ SF ( f) ] [ H σ- F ( f) ] 式中 Sσ ( f) 为构件上任意点的动应力响应谱 , S F ( f) 为构件 所承受的动载荷谱 , Hσ - F ( f) 为构件该点处的频响函数 。 本文中有限元模型的动载荷谱为不同车速下国家标准 等级路面位移谱 。 2. 2 随机疲劳寿命预测 随机疲劳预测是由应力响应的功率谱密度函数得到其 [4 ] 疲劳损伤 。 D irlik 通过运用蒙特卡罗 (Monte Ca rlo ) 技术做 了大量的计算机模拟 , 得出了频域疲劳分析法的经验闭合 解。 尽管 D rilik法较为复杂 ,却仍为功率谱密度函数四个惯性 矩 m 0、 m 1、 m 2 和 m 4 的一个函数 。 由 D irlik经验公式可求得应 力幅值的概率密度函数 :
在双对数坐标中 , 材料的 S - N 曲线可以用公式 N = 表示 , 其中 b, k为材料常数 。 根据 M ine r线性损伤累积理 论可以由等效应力幅值的概率密度函数 p ( S ) 计算损伤 :
kS
-b
D =
∑N
ni
Si
=
Nt k
S p ( S ) dS ∫
b
( 11 )
N t 为既定时间内总循环次数 。 得到既定时间内构件所受
第 23 卷 第 12 期 文章编号 : 1006 - 9348 ( 2006) 12 - 0253 - 04
计 算 机 仿 真
2006 年 12 月
基于有限元仿真的特种越野车结构疲劳寿命预测
龙梁 ,胡爱华 ,范子杰
1 2 1
( 1. 清华大学汽车工程系 ,北京 100084; 2. 中国三江航天集团特种车辆技术中心 ,湖北 武汉 430023)
的损伤即可预测出构件的寿命 。
3 疲劳寿命预测流程
基于有限元仿真结果的寿命预测流程如下 : 1 ) 建立特种越野车结构有限元模型 ; 2 ) 验证有限元模型 (通过静力学动力学仿真试算与试 验对比 ) ;
3) 对有限元计算模型进行频响分析 , 得到在不同频率
下各个车轮分别输入单位位移时 ,关键部件的应力频率响应 结果 ; 4 ) 对有限元仿真模型施加不同车速下等级路面位移 谱 ,获得不同车速下不同等级路面工况下该车关键部件的应 力功率谱密度 ; 5 ) 确定该车关键部件的材料疲劳曲线 ; 6) 运用 D rilik方法由疲劳累计损伤理论计算关键部件 的疲劳寿命 。
Fa t igue L ife Pred ic t ion of Spec if ied O ff - roa d Veh ic le S truc ture Ba sed on FEA S i m ula t ion Re su lts
LON G L iang , HU A i - hua , FAN Zi - jie
1 2 1
(1. D epa rtm en t of A u tomo tive Engineering, Tsinghua U n iversity, B eijing 100084, Ch ina; 2. The Techno logy Center of Sp ecial V eh ic le, China Sanjiang Space Group , W uhan H ubei 430023, China) A BSTRACT: To sho rten the deve lopm en t lead - tim e of the new style veh ic le, to reduce the m anufac turing co st of its p ro to typ e and to supp ly refe rence of the vehic le ligh t we ight de sign, fatigue life of spec ified off - road vehicle wa s p redicted in the compu te r sim ulation environm ent . Seve ral typ ica l road disp lacem en t sp ec tra we re app lied on this veh ic le FEA mode l, which are co rre la ted to FEA dynam ic s stre ss frequency re spon se resu lts . The dynam ic stre ss re spon se sp ec tra a t critica l componen ts had been acqu ired, and this vehicle’ s fatigue life wa s estim ated using random vibration fa tigue theo ry . A re liable p rocess of the who le veh ic le body struc tu re fatigue analysis wa s p resented in this a rticle. The fa tigue ana lysis re sults we re reasonable which p red ic ted the vu lnerab le area of the specified off - road veh ic le. KEYW O RD S: Fa tigue life; FEA; O ff - road vehicle; Comp uter sim ula tion
D3 = 1 - D1 - D2
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以标准 C级路面路谱为输入 ,当车速为 60 km / h时 ,该模 型五桥左后下摆臂拐弯处 (下表面 ) 位置的响应应力功率谱 密度如图 3。
图 1 有限元模型
Sσ ( f) 为构件上任意点的动应力响应谱 , S F ( f) 为构件所承受
的动载荷谱 , Hσ - F ( f) 为构件该点处的频响传递函数 。
3 T Sσ ( f ) = [ H σ - F ( f) ] [ SF ( f) ] [ H σ- F ( f) ]
( 12 )
对于该特种越野车有限元仿真模型来说 , 十个轴头输入 的随机载荷谱可表示为 :
[ S F ( f) ] =
G1, 1 G2, 1 G3, 1 G4, 1 G5, 1 G6, 1 G7, 1 G8, 1 G9, 1 G10, 1 G1, 2 G2, 2 G3, 2 G4, 2 G5, 2 G6, 2 G7, 2 G8, 2 G9, 2 G10, 2 G1, 3 G2, 3 G3, 3 G4, 3 G5, 3 G6, 3 G7, 3 G8, 3 G9, 3 G10, 3 G1, 4 G2, 4 G3, 4 G4, 4 G5, 4 G6, 4 G7, 4 G8, 4 G9, 4 G10, 4 G1, 5 G2, 5 G3, 5 G4, 5 G5, 5 G6, 5 G7, 5 G8, 5 G9, 5 G10, 5 G1, 6 G2, 6 G3, 6 G4, 6 G5, 6 G6, 6 G7, 6 G8, 6 G9, 6 G10, 6 G1, 7 G2, 7 G3, 7 G4, 7 G5, 7 G6, 7 G7, 7 G8, 7 G9, 7 G10, 7 G1, 8 G2, 8 G3, 8 G4, 8 G5, 8 G6, 8 G7, 8 G8, 8 G9, 8 G10, 8 G1, 9 G2, 9 G3, 9 G4, 9 G5, 9 G6, 9 G7, 9 G8, 9 G9, 9 G10, 9 G1, 10 G2, 10 G3, 10 G4, 10 G5, 10 G6, 10 G7, 10 G8, 10 G9, 10 G10, 10
摘要 : 为缩短新车开发周期 、 节约样车制造费用 ,给车辆轻量化设计提供参考 , 在计算机仿真环境下预测了某特种越野车关 键部件的疲劳寿命 。 基于该车结构有限元模型动力学计算的频响结果 ,对计算模型施加不同车速下等级路面位移谱 ,得到了 不同车速不同级别路面下该车关键部件的应力响应谱 ,并在此基础上运用随机疲劳理论预测了该车的疲劳寿命 。 所研究的 内容为车辆的疲劳寿命预测提供了较为可靠的流程和方法 ,所预测寿命结果在合理范围内 , 并提供了关键部件疲劳寿命的 薄弱位置 。 关键词 : 疲劳寿命 ; 有限元分析 ; 特种越野车 ; 计算机仿真 中图分类号 : TB24 文献标识码 : B
收稿日期 : 2005 - 11 - 12
的疲劳寿命薄弱位置 [ 1 ] 。 通过修改设计可以预先避免不合理 的寿命分布 。 因此能减少试验样机的数量 , 缩短产品的开发 周期 ,进而降低开发成本 ,提高企业市场竞争力 。 本文以具有完整装备的某特种越野车车体结构有限元 计算模型为对象 ,应用有限元法以及随机疲劳理论 , 在计算 机仿真环境中完成了对该车关键部件的疲劳寿命预测 。 其 中 ,该车外部激励为不同车速下国家标准等级路面位移谱 ; 关键部件的疲劳材料 S - N 曲线材料是通过考虑部件材料标 号以及部件的加工工艺过程 ,在材料的强度极限和弹性模量 基础上获得 。
1 引言
随着市场竞争的日趋激烈 ,国内外汽车生产厂商都在以 尽量减少样车试验次数 , 实现低成本 、 短周期的产品开发目 标 ,而这离不开疲劳寿命的预测 。 传统的疲劳寿命预测已经远远不能满足企业的要求 , 随 着计算机技术的发展 ,一些大型复杂系统的分析计算成为可 能 ,同时 ,工程上应用的疲劳理论也日趋成熟 , 因而 , 基于有 限元仿真的疲劳分析方法逐渐被人们采用 。 与基于试验的传统方法相比 ,有限元疲劳计算能够提供 零部件表面的疲劳寿命分布图 ,可以在设计阶段判断零部件
D2 R
2
e2R 2 + D 3 Z e m0
- Z2
- Z2
2
4 特种越野车结构疲劳寿命预测
( 2)
4. 1 特种越野车结构有限元模型
2
S
研究对象为双摆臂独立悬挂五轴特种越野车 , 有限元模 型包括纵梁 、 横梁 、 悬架及其他附件 。 纵梁 、 横梁以壳单元为 主 ,支座及摆臂等铸件以体单元为主 , 焊缝和螺栓采用多种 方式模拟连接 。 其中有限元仿真模型节点数目为 510462, 单 元数目为 368181,连接单元数为 10270。 通过与试验对比 , 该 [6 ] 模型的计算精度能满足工程上的要求 。 如图 1 所示 。
D1 p(S) = Q eQ +
-Z
QFra Baidu bibliotek=
1. 25 (γ - D 3 - D 2 R )
D1
( 8) ( 9) ( 10 )
R =
γ - xm - D 2 1 2 1 - γ - D1 - D1
m2 m0m 4
γ=
D irlik方法具有广泛的应用范围 , 并且总是优于其他所有方 法。 B ishop 提出了从 PSD 惯性距获得雨流计数结果的理论 [5 ] 解 ,从理论上证明的 D irlik 经验方法的合理性 。 但是由于 B ishop理论方法计算量大 ,且与 D irlik方法相比 ,精度并没有 什么改进 ,因此 B ishop 理论解很少应用于实际 。