机械系统仿真技术在可靠性研究中的应用

文献综述

机械系统仿真技术在可靠性研究中的应用

今天就过去一段时间所读过的文献做一个综述，希望老师和同学们给予一些意见和建议。

由于具体的课题还没有定，所以我没有就某一具体的内容去针对性的阅读文献，而是针对大的研究方向，也就是结合有限元和多体动力学的仿真和和可靠性的方向，看了一些机械仿真在可靠性领域运用的文献。

对于仿真，很多人认为是一种既耗资巨大，有收获甚微的研究，因为仿真的结果总不能让人觉得非常的可靠。但是无法否认的是，随着计算机技术的发展，仿真作为一种技术在很多领域取得了很大的成果，解决了许多在计算机出现之前无法解决的问题。以机械领域为例，如车辆，飞机、航天器等复杂机械系统的运动学和动力学问题，因为在之前解决这些问题时，工程师要面临大量复杂的微分计算，及通常无法求得理论上的解析解的大规模复杂微分一代数方程组((differential Algebraic equation，简称DAE )。这些问题曾一度使经典刚体力学的理论和方法陷了巨大困境，然而随着现代电子计算机技术的出现和飞速发展以及数值分析理论和算法的日趋完善，人们开始借助于计算机技术分析复杂机械系统的运动学和动力学问题。此后，计算机仿真在一些重大科研问题上取得了巨大的成功。【1-5】

这里就国内外利用计算机仿真取得的成果以两个例子做一个简介：

一个是美国的波音777，采用了虚拟样机技术，是世界上第一款获得了无图纸设计和生产的成功，是近年来引起科技界、企业界瞩目的一次重大突破。SGI计算机系统使波音公司成功地建立了波音777飞机的虚拟样机，使设计师、工程师们能穿行于这个虚拟飞机中，审视飞机的各项设计，及早发现飞存在的问题，进行改进和优化。波音777飞机由300万个零件组成，计算机系统能够调出其中任何一个零件，进行修改设计。这不但使研发周期大大缩短、研发成本大大降低，而且确保了最终产品一次接装成功.

另一个例子是中国的航天部上海航天局第八零五研究所在1996年利用虚拟样机分析软件ADAMS，完成了国防科工委项目“空间站外翻式对接机构”的动力学仿真研究.国防科这一研究的主要目的是在空间站开发之前，预测空间站外翻式对接机构的性能，论证外翻式对接机构的结构设计是否合理，通过三维动画形象地演示对接过程。经过8个月的努力，完成了外翻式对接机构虚拟样机的开发工作，取得了圆满成功。【6】

上面两个例子是机械系统仿真技术在产品设计和研发过程中取得成功的例子，下面我重点总结一下在国内外的研究中，机械系统仿真技术在机械可靠性的相关性研究领域的一些发展和应用。

英国南岸大学的R.K.Luo等人在1994发表的论文里较早提出可以利用仿真技术中的有限元疲劳设计方法对地铁车辆转向架构架的疲劳寿命进行估算。整个分析过程分为五部分，其中包括:轨道不平顺的定义和测量;车辆建模和轮轨外形描述;获得铁路车辆悬挂系统的载荷历程;车辆系统动力学仿真分析以及构架的应力评估;转向架构架疲劳寿命评估。整个研究的对象为一辆典型的伦敦地铁车辆，动力学分析采用V AMPIRE软件，有限元采用PAFEC 软件包，其疲劳计算结果和实际运行车辆试验结果对比显示了良好的一致性。这种基于实际车辆轨道运行的转向架而进行的疲劳设计方法，在设计阶段应用被证明是可能的。【7】随后在1998年德国柏林工业大学Stefan Dietz等根据轻量化设计的货运机车转向架构架结构，提出了一种承受随机动载的结构疲劳寿命预测方法。该法主要基于结构在频域和时域的混合计算预测结构疲劳寿命。这种方法可以有效节省计算机分析机时。它利用一种并行的计算机软件仿真环境，即集成计算机辅助设计(CAD)，有限元法(FEM)和多体系统(MBS )方

法对转向架构架进行疲劳寿命预测。其基本过程是:通过多体仿真计算得到作用在构架上的随机动载荷(考虑构架的弹性影响)。对于运行在直线轨道上的转向架，动力学运动方程考虑成线性关系，此时轨道激励主要是轨道不平顺的功率谱;在产生较大动载的斜坡轨道或是曲线轨道运行时，动力学运动方程通过非线性微分方程进行仿真计算，这时的轨道激励主要是轨道的随机不平顺。根据多体系统动力学的仿真计算得到载荷时间历程和有限元法求得构架的应力SIC相乘叠加求得构架的动应力分布，最后在多体系统(MBS )的后处理FATIGUE程序中，运用雨流计数法和Palmgren-Miner法则进行构架疲劳寿命的预测。【8】2001年，H.Riener比较了两种不同的有限元疲劳寿命预测方法。对汽车前悬架利用模态应力法和准静态应力法预测悬架结构寿命。在对悬架结构进行多轴准静态的疲劳寿命预测中，不仅考虑由于结构变形产生的应力，还考虑了结构柔性的影响，以及轮胎模型和各种路面状况影响因素，整车的多体动力学仿真软件采用ADAMS，耐久性分析采用软件FEMFAT。最后得出了两点结论:基于结构切向力(CuttingForce)的结构疲劳寿命预测容易导致不真实的结果;基于模态应力法可以比较准确的预测结构的弹性变形影响。【9】

Sung I1 SEO ，Choon PARK ，Hwan KIM 在2005年的时候主要对某型铝合金地铁车辆的车体的结构疲劳进行动载荷试验研究，建立了一种地铁车辆的车体动载荷测试方法。得出的结论是直接利用结构静强度测试结果研究车体结构疲劳结果是不准确的，应该采用动载荷测试方法。【10】

以上是国外近几年在机械系统仿真在可靠性领域所取得的一些进展的举例，下面介绍一些国内在这方面的研究，

铁道部科学研究院王成国等在计算机虚拟现实环境下，以CAD, FEM和MBS为基础，对新型的高速客车转向架构架进行详细的动应力分析，并根据这些动应力，应用MSC.FATIGUE分析预测构架的疲劳寿命。【11】在进行分析时，他们将有限元技术应用于构件疲劳寿命分析的过程，按照准静态分析法将有限元分析得到的静态应力与实际测量的载荷时间历程相结合得到模型上各点的应力时间历程，结合ZG230-450材料的S-N关系曲线进行侧架结构整体的疲劳寿命计算，有限元软件采用I-DEAS软件，疲劳分析软件是FE-Fatigue。【12-13】

西南交大在这一领域也取得了较大的成果，阳光武等人利用多体动力学仿真软件建立仿真模型后，通过对模型施加纵向和横向的随机不平顺激励，测的随机载荷---时间历程，然后采用名义应力法，即从是试样中测出材料的S-N曲线，考虑实际零件和式样的差别，如应力集中，平均应力，表面粗糙度，表面处理以及尺寸效应等修正S-N曲线，考虑试验加载和实际加载的区别，运用雨流计数法对应力-时间历程进行循环计数，最后结合Miner等损伤累计法则计算疲劳寿命。米彩盈根据构架整体结构有限元法，用边界分析机车构架侧梁下盖板横向对接焊缝的应力分布，分析构架盖板产生疲劳裂纹的原因，为可靠性的分析提供了依据。【14-17】

另外，山东大学的刘世英在他的博士论文《内燃机机械疲劳损伤与可靠性研究》里提到，随着计算机技术发展和应用的普及，在对对活塞的机械疲劳研究时，国外公司多采用对比发动机耐久试验与活塞液压脉冲疲劳试验数据，以计算机仿真建模和有限元计算为支持，模拟热负荷及机械负荷等对活塞结构的影响，计算活塞的热机械应力，判定活塞的可靠性能。但由于技术保密的原因，国外研究机构对20世纪末期以后的活塞机械疲劳可靠性研究及相关文献处于保密状态，活塞材料S-N曲线规律、新材料的研制、机械疲劳研究中的新技术等鲜见相关的文献报道。【18-19】

通过这些国内外的文献，我们发现，对于机械系统的疲劳寿命仿真的研究，尤其是大型复杂结构的疲劳寿命预测，尚缺乏较为系统的研究方法，特别是随机载荷作用下系统结构的疲劳激励在国内外文献中设计的相对较少，还需要深入系统地进行研究。【20-21】