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結(jié)構(gòu)疲勞壽命、可靠性可視化技術(shù)與虛擬疲勞設(shè)計(jì)
論文關(guān)鍵詞:有限元軟件;疲勞壽命;壽命可視化;可靠性可視化;ANSYS
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論文摘要:介紹了大型圖形用戶(hù)界面有限元軟件、疲勞壽命預(yù)測(cè)模型、疲勞壽命可視化、可靠性可視化實(shí)現(xiàn)方法等結(jié)構(gòu)疲勞壽命以及可靠性可視化技術(shù)。闡述了先進(jìn)的基于“全場(chǎng)”疲勞壽命、可靠性可視化技術(shù)的產(chǎn)品虛擬疲勞設(shè)計(jì)思想。以有限元軟件ANSYS為平臺(tái)，自行開(kāi)發(fā)了基于結(jié)構(gòu)疲勞壽命、可靠性可視化技術(shù)的外部模塊，并采用該模塊對(duì)某戰(zhàn)斗機(jī)起落架框進(jìn)行了“全場(chǎng)”疲勞壽命、可靠性可視化分析。
疲勞與可靠性是產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮的重要環(huán)節(jié)。目前，基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可視化技術(shù)的虛擬設(shè)計(jì)思想，已成為現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)與優(yōu)化的潮流。工程師利用計(jì)算機(jī)，能夠在無(wú)需產(chǎn)品樣機(jī)的前提下即可通過(guò)CAE工程分析軟件在虛擬環(huán)境中快速、全面、有效地獲得“虛擬樣機(jī)”的相關(guān)性能，如產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布、疲勞壽命和可靠性等。然后在此基礎(chǔ)上，對(duì)“虛擬樣機(jī)”進(jìn)行“全場(chǎng)”的壽命分析與優(yōu)化，進(jìn)行所謂的“一次就對(duì)”的設(shè)計(jì)，可大大避免設(shè)計(jì)的盲目性，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低成本。
1、結(jié)構(gòu)疲勞壽命、可靠性可視化技術(shù)
1.1結(jié)構(gòu)壽命、可靠性可視化開(kāi)發(fā)平臺(tái)—圖形用戶(hù)界面有限元軟件
隨著有限元法及數(shù)值模擬技術(shù)在工程中的廣泛應(yīng)用，目前，國(guó)際上出現(xiàn)了一批著名的圖形用戶(hù)界面有限元軟件，像ANSYS,NASTRAN等。這些軟件將有限元分析、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)緊密結(jié)合，已成為解決現(xiàn)代工程問(wèn)題必不可少的工具，且具有如下共同特點(diǎn)：
(1)通用的數(shù)據(jù)接口。
可與許多知名的CAI〕軟件，如AutoCAD, Pro/E等共享數(shù)據(jù)。利用數(shù)據(jù)接口，可精確地將在CAI〕系統(tǒng)下生成的幾何模型傳入有限元分析軟件，而后準(zhǔn)確地在該模型上進(jìn)行網(wǎng)格劃分并求解，這樣用戶(hù)可以方便地利用已有的模型，而不必因重新建模而費(fèi)時(shí)耗力。
(2)友好的圖形用戶(hù)界面。
具有友好的圖形用戶(hù)界面，易學(xué)易用。用戶(hù)通過(guò)這些界面可以方便地訪(fǎng)問(wèn)程序的各種功能、命令、用戶(hù)手冊(cè);建立或修改模型;劃分網(wǎng)格及加載;直觀顯示模型及計(jì)算結(jié)果等。
(3)開(kāi)放的二次開(kāi)發(fā)功能。
為用戶(hù)提供了廣闊的二次開(kāi)發(fā)功能。通過(guò)系統(tǒng)提供的語(yǔ)言編程，可對(duì)有限元模型中相關(guān)的參量(如節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、應(yīng)力、應(yīng)變等)實(shí)現(xiàn)如下操作或功能:定義參數(shù)、數(shù)組、函數(shù);進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算;分支和循環(huán);宏操作等。系統(tǒng)甚至還允許用戶(hù)利用高級(jí)語(yǔ)言(如Fortran語(yǔ)言)編寫(xiě)子程序，并把這些代碼和系統(tǒng)提供的語(yǔ)言代碼連接在一起，從而增加程序的靈活性。
由于目前知名的通用有限元軟件大都具有如上特點(diǎn)，因此，當(dāng)使用這些有限元軟件對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析后，再結(jié)合具體的應(yīng)力譜、材料的疲勞性能參數(shù)、適當(dāng)?shù)钠趬勖A(yù)測(cè)模型、應(yīng)力“準(zhǔn)靜態(tài)疊加法”、壽命概率分析以及這些軟件的二次開(kāi)發(fā)功能，便可計(jì)算出模型上每點(diǎn)的疲勞壽命與破壞概率分布，并將壽命、破壞概率結(jié)果在這些有限元軟件的圖形窗體中顯示，即可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)“全場(chǎng)”疲勞壽命與可靠性的可視化。1.2疲勞壽命預(yù)測(cè)模型
目前，人們發(fā)展了各種各樣的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，其中，S一N應(yīng)力壽命法、e一N局部應(yīng)變法以及基于斷裂力學(xué)理論的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命方法，已成為三種經(jīng)典的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法。要實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)疲勞壽命的可視化，必須計(jì)算出結(jié)構(gòu)中每一點(diǎn)的疲勞壽命，顯然，選擇S一N應(yīng)力壽命法和e一N局部應(yīng)變法較為方便。
除了以上的疲勞壽命模型以外，還有許多較為復(fù)雜的疲勞理論模型，也可望在結(jié)構(gòu)疲勞壽命可視化技術(shù)中取得應(yīng)用。這些方法中較典型的有:多軸疲勞理論、磨損疲勞、接觸疲勞、熱機(jī)疲勞及蠕變疲勞等。
1.3結(jié)構(gòu)壽命與可靠性可視化方法
如圖1所示，結(jié)構(gòu)疲勞壽命、可靠性可視化實(shí)現(xiàn)方法可分為如下幾個(gè)步驟:
(1)把CAI〕系統(tǒng)下生成的幾何模型傳人有限元分析軟件，并對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析。
(2)根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，采用應(yīng)力“準(zhǔn)靜態(tài)疊加法則”，并結(jié)合具體的應(yīng)力譜、材料疲勞性能參數(shù)、適當(dāng)?shù)钠趬勖A(yù)測(cè)模型及壽命概率分析，計(jì)算出模型上每點(diǎn)的疲勞壽命與破壞概率分布。
(3)通過(guò)有限元軟件的宏命令，使模型每點(diǎn)的疲勞壽命、破壞概率在有限元軟件的圖形窗體中顯示，即實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)“全場(chǎng)”疲勞壽命與可靠性的可視化。
這里需要說(shuō)明幾點(diǎn):
(1)結(jié)構(gòu)疲勞壽命、可靠性可視化實(shí)現(xiàn)方法的第二步，可由vc,vs等語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的外部模塊—疲勞壽命可視化模塊來(lái)完成。
(2)結(jié)構(gòu)上的很大一部分點(diǎn)應(yīng)力可能很小，壽命很大，即出現(xiàn)所謂的“無(wú)限壽命”(譬如，大于10”載荷循環(huán))。對(duì)于這些點(diǎn)，其壽命可以在分析時(shí)直接賦某一約定的長(zhǎng)壽命值，如10”載荷循環(huán)，并視其破壞概率始終為０。
(3)要從材料常幅疲勞性能數(shù)據(jù)的概率分布，通過(guò)概率分析確定譜載下結(jié)構(gòu)的疲勞壽命概率分布通常是很困難的。這里給出一種近似的“等壽命等概率分布”的確定原則，即:①用材料的S一N(或e一N)疲勞特性均值曲線(xiàn)和適當(dāng)?shù)钠趬勖A(yù)測(cè)模型，算出結(jié)構(gòu)上各節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命N};②在圖2材料常幅疲勞性能曲線(xiàn)上，得到壽命均值等于N;對(duì)應(yīng)的名義應(yīng)力S;(或名義應(yīng)變e})及相應(yīng)試驗(yàn)組的壽命概率分布Fr(N);③認(rèn)為F;( N)即為壽命等于N，節(jié)點(diǎn)的壽命概率分布。
(4)采用圖1的疲勞壽命可視化方法，不但可以直觀地觀察結(jié)構(gòu)“全場(chǎng)”的疲勞壽命分布，而且還可以給出結(jié)構(gòu)經(jīng)歷N次循環(huán)載荷后“全場(chǎng)”的破壞概率分布。
2、基于疲勞壽命、可靠性可視化技術(shù)的虛擬疲勞設(shè)計(jì)
圖3給出了一種新的基于疲勞壽命與可靠性可視化技術(shù)的虛擬疲勞設(shè)計(jì)方案。從圖3中可以看出，與傳統(tǒng)基于實(shí)驗(yàn)的“設(shè)計(jì)一試驗(yàn)一調(diào)整”的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案相比，該方案相當(dāng)于在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中引人了基于疲勞壽命與可靠性可視化技術(shù)的虛擬疲勞設(shè)計(jì)思想。也就是說(shuō)，在實(shí)物樣機(jī)生產(chǎn)之前，通過(guò)虛擬環(huán)境下的疲勞壽命與可靠性可視化技術(shù)，對(duì)“虛擬樣機(jī)”進(jìn)行“全場(chǎng)”的壽命分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化，并使得第一個(gè)實(shí)物樣機(jī)一經(jīng)生產(chǎn)，便已是一個(gè)經(jīng)過(guò)“疲勞優(yōu)化”了的“好”產(chǎn)品，這樣，大大避免設(shè)計(jì)的盲目性，提高了實(shí)物樣機(jī)第一次或第二次就能通過(guò)疲勞試驗(yàn)的可能性，從而縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。顯然，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，引人基于疲勞壽命與可靠性可視化技術(shù)的虛擬疲勞設(shè)計(jì)思想有如下優(yōu)點(diǎn):以疲勞壽命和可靠性為設(shè)計(jì)目標(biāo);試驗(yàn)只對(duì)“好”設(shè)計(jì)進(jìn)行;“全場(chǎng)”疲勞壽命、可靠性可視化、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的壽命、可靠度分布直觀;不同設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)的產(chǎn)品壽命評(píng)估更方便;實(shí)驗(yàn)與理論緊密配合，理論指導(dǎo)試驗(yàn)，試驗(yàn)驗(yàn)證理論;產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是經(jīng)過(guò)基于“全場(chǎng)”疲勞壽命分布優(yōu)化的;產(chǎn)品性能好、開(kāi)發(fā)周期短及開(kāi)發(fā)成本低。
3、結(jié)構(gòu)疲勞壽命與可靠性可視化技術(shù)在工程中的應(yīng)用
采用上述的可視化技術(shù)，用VF3語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了以ANSYS為平臺(tái)的疲勞壽命及可靠性分析可視化外部模塊—Fatigue/ AN-SYS} Fatigue/ A.VSYS運(yùn)行后的界面如圖a所示。用戶(hù)可以通過(guò)該界面，根據(jù)需求選擇不同的壽命分析方法二當(dāng)用戶(hù)用AN-SYS對(duì)模型進(jìn)行應(yīng)力分析后，調(diào)用該模塊便可以計(jì)算出有限元模型上各節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命及其概率分布。然后，再通過(guò)相應(yīng)的ANSYS宏命令，即可實(shí)現(xiàn)“全場(chǎng)”疲勞壽命與可靠性的可視化。
用ANSYS對(duì)某戰(zhàn)斗機(jī)起落架框進(jìn)行靜力分析的應(yīng)力結(jié)果,分別用Fatigue/ A1vISYS計(jì)算后給出的起落架框“全場(chǎng)”對(duì)數(shù)壽命分布，以及起落架框經(jīng)過(guò)80 000循環(huán)載荷時(shí)的破壞概率分布。限于篇幅，這里具體分析細(xì)節(jié)和過(guò)程從略。
以全面地獲得該起落架框的疲勞壽命分布信息，而且還可以直觀地了解結(jié)構(gòu)“全場(chǎng)”某時(shí)刻的破壞概率。根據(jù)這些計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)師可對(duì)該起落架的安全性進(jìn)行全面的評(píng)估，同時(shí)還可在虛擬環(huán)境下，對(duì)該起落架框進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計(jì)優(yōu)化。
4、結(jié)論
介紹了圖形用戶(hù)界面有限元軟件、結(jié)構(gòu)疲勞壽命、可靠性可視化實(shí)現(xiàn)方法等結(jié)構(gòu)可視化技術(shù)。闡述了先進(jìn)的基于“全場(chǎng)”疲勞壽命、可靠性可視化技術(shù)的產(chǎn)品虛擬疲勞設(shè)計(jì)思想。采用基于AN5Y5有限元軟件平臺(tái)自行開(kāi)發(fā)的可視化軟件—Fatigue/ AN5Y5，對(duì)國(guó)產(chǎn)X戰(zhàn)斗機(jī)起落架框進(jìn)行了“全場(chǎng)”的疲勞壽命及可靠性可視化分析。對(duì)工程中的結(jié)構(gòu)可視化虛擬設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。
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