CN109388833A - 一种基于疲劳寿命的弹性元件结构优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于疲劳寿命的弹性元件结构优化设计方法。所述方法包括：利用计算机辅助工程软件建立待优化弹性元件的不同结构的有限元网格模型；将所述有限元网格模型导入有限元计算软件，提取每个结构的等效应力云图，获得等效应力的最大值，计算待优化弹性元件的每个结构的疲劳寿命；求待优化弹性元件的不同结构的疲劳寿命的最大值，并与所述弹性元件的已应用成熟结构的疲劳寿命进行比较，确定疲劳寿命最高的结构为所述弹性元件的最优结构。本发明实现了弹性元件结构设计阶段的优化设计，缩短了产品的开发周期，降低了研发成本。

Description

一种基于疲劳寿命的弹性元件结构优化设计方法

技术领域

本发明涉及弹性元件结构强度技术领域，具体涉及一种基于疲劳寿命的弹性元件结构优化设计方法。

背景技术

弹性元件是指由粘弹性材料和骨架粘接硫化而成的总成件。弹性材料起到支撑缓冲作用，粘性材料起到吸收振动能量的作用。弹性元件在工作中具有两种基本效应：弹性效应和非弹性效应。所谓弹性效应是指弹性元件的变形仅仅是由于受载荷的影响所表现出来的性质，其具体参数为体现载荷和变形的刚度和灵敏度。而非弹性效应是指弹性元件的变形受其他因素，如时间、温度、材料性质等的影响所表现出来的性质，如弹性滞后、弹性后效和松弛等、温度变化能使弹性元件的弹性模量和几何尺寸产生变化。疲劳寿命是评价弹性元件结构强度的一个重要指标。弹性元件的疲劳寿命为弹性元件完全发生疲劳断裂时所需要的载荷循环次数。

对于不同的弹性元件结构，从外观上很难判断哪种结构耐久性好。图1是一个弹性元件的三种不同结构的几何模型图，三种结构仅仅是限位长度或者圆角有差异，用常规的方法很难判断哪种结构最优。在弹性元件的结构设计阶段，一般是通过比较不同结构的弹性元件的疲劳寿命确定最优的结构设计方案。现有技术中，弹性元件的疲劳寿命一般只能通过台架疲劳试验或者整车道路耐久试验进行验证，存在周期长、成本高等缺陷。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种基于疲劳寿命的弹性元件结构优化设计方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种基于疲劳寿命的弹性元件结构优化设计方法，包括以下步骤：

利用计算机辅助工程软件建立待优化弹性元件的不同结构的有限元网格模型；

利用有限元计算软件计算疲劳寿命：将所述有限元网格模型导入有限元计算软件，提取每个结构的等效应力云图，获得每个结构的等效应力的最大值，计算待优化弹性元件的每个结构的疲劳寿命；

求待优化弹性元件的不同结构的疲劳寿命的最大值，并与所述弹性元件的已应用成熟结构的疲劳寿命进行比较，确定疲劳寿命最高的结构为所述弹性元件的最优结构。

进一步地，所述待优化弹性元件的不同结构的数量大于1。

进一步地，所述计算机辅助工程软件为Hypermesh软件，所述利用计算机辅助工程软件建立待优化弹性元件的不同结构的有限元网格模型，具体包括：

导入模型及预处理：将待优化弹性元件的不同结构的几何模型导入Hypermesh中，清除所述三维几何模型中对疲劳强度计算影响不大的圆角和小孔，对于相近的线条和对形状特征影响不大的线条进行隐藏处理；

设置单元尺寸及类型：选择单元尺寸大小为2mm的六面体网格；

建立有限元网格模型：将导入的模型分割成若干小实体模型，在每个小实体模型的表面划分四边形网格，再投射到整个实体得到六面体实体网格有限元模型。在尖角处采用楔形单元过渡。

进一步地，所述有限元计算软件为ABAQUS软件，所述利用有限元计算软件计算疲劳寿命，具体包括：

将建立的有限元网格模型导入ABAQUS软件；

设置材料属性及截面属性：选择与所述弹性元件对应的材料卡片，输入所述材料的M-R本构模型及材料参数。设置单元属性，并将设置好的单元属性赋给所述有限元网格模型；

设置分析步骤：分析步骤包括：初始步Initial，第一步step1，第二步step2，第三步step3。设置Initial为约束步，step1为预加载步，step2和step3为加载步。设置应力场输出变量和历史输出变量；

设置耦合约束：利用工具菜单Tools设置一个参考点，输入硬点坐标，建立耦合，将加载面上的节点耦合到参考点上，得到加载控制点；

施加载荷及设置约束：在所述加载控制点施加预载荷，根据所述弹性元件实际设计结构确定在所述加载控制点施加的疲劳位移载荷。利用主菜单中的边界条件BC面板中的管理器Manager，分别设置每个分析步骤的边界条件BC-l、BC-2、BC-3和BC-4。BC-1为约束，在Initial建立，在step1、step2和step3均起作用；BC-2为预加载，在step1建立，step2和step3均起作用；BC-3为X或Y或Z向的加载及位移，step3不起作用；BC-4在step3建立；

修改单元类型：选中待修改的单元，将模型的六面体单元设置为一阶六面体杂交单元C3D8H，将模型中夹杂的少量楔形单元设置为六节点线性三棱柱单元C3D6H；

提交分析作业：保存上述处理过的模型，在作业Job模块中创建作业Job-FATX或Job-FATY或Job-FATZ，进行X向或Y向或Z向的疲劳寿命分析；

计算等效应力：利用后处理模块，在工具菜单Tool中打开建立场输出面板CreateField Output，在场输入框From Fields内输入计算等效应力的公式：

式中，σ为等效应力，单位为牛顿；σ₁、σ₂、σ₃分别为X、Y、Z方向的应力，单位为牛顿；

获取等效应力最大值：在结果菜单Result中打开分析步/帧面板Step/Frame，并打开分析步控制Session Step，选择场输出按钮Field Output查看等效应力云图，所述云图上标出了等效应力的最大值及所在位置；

根据等效应力的最大值，计算疲劳寿命。

进一步地，计算疲劳寿命的公式如下：

式中，N为疲劳寿命，单位为次；σ_f为等效应力的最大值，单位为牛顿。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过利用计算机辅助工程软件建立待优化弹性元件的不同结构的有限元网格模型，利用有限元计算软件计算疲劳寿命，求待优化弹性元件的不同结构的疲劳寿命的最大值，并与所述弹性元件的已应用成熟结构的疲劳寿命进行比较，确定疲劳寿命最高的结构为弹性元件的最优结构，实现了弹性元件结构设计阶段的优化设计，缩短了产品的开发周期，降低了研发成本。

附图说明

图1为一个弹性元件的三种不同结构(1)、(2)、(3)的几何模型图，左边一个为三维图，右边一个为在XOY平面的投影图；

图2为图1中三种不同结构(1)、(2)、(3)的有限元网格模型；

图3为图1的三种不同结构(1)、(2)、(3)的等效应力云图，图中的数字为等效应力。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例一种基于疲劳寿命的弹性元件结构优化设计方法，所述方法包括：

步骤101，利用计算机辅助工程软件建立待优化弹性元件的不同结构的有限元网格模型；

步骤102，利用有限元计算软件计算疲劳寿命：将所述有限元网格模型导入有限元计算软件，提取每个结构的等效应力云图，获得每个结构的等效应力的最大值，计算待优化弹性元件的每个结构的疲劳寿命；

步骤103，求待优化弹性元件的不同结构的疲劳寿命的最大值，并与所述弹性元件的已应用成熟结构的疲劳寿命进行比较，确定疲劳寿命最高的结构为所述弹性元件的最优结构。

在本实施例中，用于建立有限元网格模型的计算机辅助工程软件有很多，例如Hypermesh软件。Hypermesh是美国Altair公司的产品，是世界领先的、功能强大的CAE(Computer Aided Engineering，计算机辅助工程)应用软件包，也是一个创新、开放的企业级CAE平台，它集成了设计与分析所需的各种工具，具有无与伦比的性能以及高度的开放性、灵活性和友好的用户界面。

在本实施例中，有限元计算软件可以选用目前最流行的ABAQUS、ANSYS和MSC软件。ABAQUS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库，并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料。作为通用的模拟工具，ABAQUS除了能解决大量结构(应力/位移)问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题。

本实施例利用计算机软件基于疲劳寿命计算，实现了弹性元件结构设计阶段的优化设计，缩短了产品的开发周期，降低了研发成本。

作为一种可选实施例，所述待优化弹性元件的不同结构的数量大于1。

本发明实施例给出了待优化弹性元件的不同结构的数量大于1，即最少2个。结构的数量越多，选择性越大，但计算量也越大。

作为一种可选实施例，所述计算机辅助工程软件为Hypermesh软件，所述利用计算机辅助工程软件建立待优化弹性元件的不同结构的有限元网格模型，具体包括：

导入模型及预处理：将待优化弹性元件的不同结构的几何模型导入Hypermesh中，清除所述三维几何模型中对疲劳强度计算影响不大的圆角和小孔，对于相近的线条和对形状特征影响不大的线条进行隐藏处理；

设置单元尺寸及类型：选择单元尺寸大小为2mm的六面体网格；

建立有限元网格模型：将导入的模型分割成若干小实体模型，在每个小实体模型的表面划分四边形网格，再投射到整个实体得到六面体实体网格有限元模型。在尖角处采用楔形单元过渡。对于轴对称结构，只对其中的一半进行网格划分，另一半进行对称创建。三种不同结构的有限元网格模型如图2所示。

作为一种可选实施例，所述有限元计算软件为ABAQUS软件，所述利用有限元计算软件计算疲劳寿命，具体包括：

将建立的有限元网格模型导入ABAQUS软件；

设置材料属性及截面属性：选择与所述弹性元件对应的材料卡片，输入所述材料的M-R本构模型及材料参数。设置单元属性，并将设置好的单元属性赋给所述有限元网格模型。例如，悬置减振元件的材料为超弹性材料，材料卡片选择hyper elastic。本构模型反映材料的应力-应变关系。M-R(Mooney-Rivlin)模型是一个比较经典的模型，几乎可以模拟所有橡胶材料的力学行为，适合于中小变形，一般适用于应变约为100％(拉伸)和30％(压缩)的情况。M-R模型中橡胶材料的邵氏硬度对应不同C10、C01系数。由于每个供应商所用材料有一定的差异，应该直接在试片上取样进行单轴拉伸和压缩，平面拉升和压缩后得到的测试数据后进行数据拟合，在ABQUS中选用Odgen本构模型来拟合橡胶材料参数。实体单元采用SOLID实体单元属性，单元类型为Homogeneous；壳体单元采用SHELL单元属性，单元类型为generalized plane strain。

设置分析步骤：分析步骤包括：初始步Initial，第一步step1，第二步step2，第三步step3。设置Initial为约束步，选择默认即可；step1为预加载步，几何非线性选项Nlgeom设为On，初始时间增量Increment size设为1。对于非承载悬置，不需设置这一分析步；step2和step3为加载步，几何非线性选项Nlgeom设为On，初始时间增量Increment size设为0.1。设置应力场输出变量F-OUTPUT和历史输出变量H-OUTPUT；

设置耦合约束：利用工具菜单Tools设置一个参考点Referance Point，输入硬点坐标；利用Tools→Set→Creat命令将这个参考点设置为set点；建立耦合，将加载面上的节点耦合到参考点上，得到加载控制点；

施加载荷及设置约束：在所述加载控制点施加预载荷(Z向加载5mm，对于一些非承载的弹性元件，没有施加预载这一步)，根据所述弹性元件实际设计结构确定在所述加载控制点施加的疲劳位移载荷。利用主菜单中的边界条件BC面板中的管理器Manager，分别设置每个分析步骤的边界条件BC-l、BC-2、BC-3和BC-4：在主菜单中选择BC→Manager，在弹出的Boundary Condition Manager对话框中点击Create，弹出Creat Boundary Condition对话框。在Name后面输入BC-1，将Step设为Initial，其余参数保持默认值，点击Continue。在弹出的Region Selection对话框中，选中所有单元，点击Continue。在弹出的Edit BoundaryCondition对话框中，勾选ENCASTRE，然后点击OK。其中：BC-1为约束，在Initial建立，在step1、step2和step3均起作用；BC-2为预加载，在step1建立，step2和step3均起作用；BC-3为X或Y或Z向的加载及位移，在step3不起作用；BC-4在step3建立；

修改单元类型：选中待修改的单元，在Element control面板中顺序点击Hex和Wedge，勾选hybrid formulation，将模型的六面体单元设置为一阶六面体杂交单元C3D8H，将模型中夹杂的少量楔形单元设置为六节点线性三棱柱单元C3D6H；

提交分析作业：保存上述处理过的模型，在作业Job模块中创建作业Job-FATX或Job-FATY或Job-FATZ，进行X向或Y向或Z向的疲劳寿命分析；

计算等效应力：利用后处理模块，在工具菜单Tool中打开建立场输出面板CreateField Output，在场输入框From Fields内输入计算等效应力的公式：

式中，σ为等效应力，单位为牛顿；σ₁、σ₂、σ₃分别为X、Y、Z方向的应力，单位为牛顿；

获取等效应力最大值：在结果菜单Result中打开分析步/帧面板Step/Frame，并打开分析步控制Session Step，选择场输出按钮Field Output查看等效应力云图。如图3所示，在所述云图中标出了等效应力的最大值及所在位置，该位置称为疲劳危险点，即弹性元件最可能产生疲劳裂纹的位置；

根据效应力最大值计算疲劳寿命。

作为一种可选实施例，计算疲劳寿命的公式如下：

式中，N为疲劳寿命，单位为次；σ_f为等效应力的最大值，单位为牛顿。

由图3可知，三种不同结构的等效应力分别为0.452，0.537，0.579，代入上式计算得三种结构的疲劳寿命分别为2285581、1344318、1066039，结构(1)方案的疲劳寿命最高。

上述仅对本发明中的几种具体实施例加以说明，但并不能作为本发明的保护范围，凡是依据本发明中的设计精神所做出的等效变化或修饰或等比例放大或缩小等，均应认为落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于疲劳寿命的弹性元件结构优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用计算机辅助工程软件建立待优化弹性元件的不同结构的有限元网格模型；

利用有限元计算软件计算疲劳寿命：将所述有限元网格模型导入有限元计算软件，提取每个结构的等效应力云图，获得每个结构的等效应力的最大值，计算待优化弹性元件的每个结构的疲劳寿命；

求待优化弹性元件的不同结构的疲劳寿命的最大值，并与所述弹性元件的已应用成熟结构的疲劳寿命进行比较，确定疲劳寿命最高的结构为所述弹性元件的最优结构。

2.根据权利要求1所述的基于疲劳寿命的弹性元件结构优化设计方法，其特征在于，所述待优化弹性元件的不同结构的数量大于1。

3.根据权利要求1所述的基于疲劳寿命的弹性元件结构优化设计方法，其特征在于，所述计算机辅助工程软件为Hypermesh软件，所述利用计算机辅助工程软件建立待优化弹性元件的不同结构的有限元网格模型，具体包括：

导入模型及预处理：将待优化弹性元件的不同结构的三维几何模型导入Hypermesh中，清除所述三维几何模型中对疲劳强度计算影响不大的圆角和小孔，对于相近的线条和对形状特征影响不大的线条进行隐藏处理；

设置单元尺寸及类型：选择单元尺寸大小为2mm的六面体网格；

建立有限元网格模型：将导入的模型分割成若干小实体模型，在每个小实体模型的表面划分四边形网格，再投射到整个实体得到六面体实体网格有限元模型；在尖角处采用楔形单元过渡。

4.根据权利要求1所述的基于疲劳寿命的弹性元件结构优化设计方法，其特征在于，所述有限元计算软件为ABAQUS软件，所述利用有限元计算软件计算疲劳寿命，具体包括：

将建立的有限元网格模型导入ABAQUS软件；

设置材料属性及截面属性：选择与所述弹性元件对应的材料卡片，输入所述材料的M-R本构模型及材料参数；设置单元属性，并将设置好的单元属性赋给所述有限元网格模型；

设置分析步骤：分析步骤包括：初始步Initial，第一步step1，第二步step2，第三步step3；设置Initial为约束步，step1为预加载步，step2和step3为加载步；设置应力场输出变量和历史输出变量；

设置耦合约束：利用工具菜单Tools设置一个参考点，输入硬点坐标，建立耦合，将加载面上的节点耦合到参考点上，得到加载控制点；

施加载荷及设置约束：在所述加载控制点施加预载荷，根据所述弹性元件实际设计结构确定在所述加载控制点施加的疲劳位移载荷；利用主菜单中的边界条件BC面板中的管理器Manager，分别设置每个分析步骤的边界条件BC-l、BC-2、BC-3和BC-4；BC-1为约束，在Initial建立，在step1、step2和step3均起作用；BC-2为预加载，在step1建立，step2和step3均起作用；BC-3为X或Y或Z向的加载及位移，step3不起作用；BC-4在step3建立；

修改单元类型：选中待修改的单元，将模型的六面体单元设置为一阶六面体杂交单元C3D8H，将模型中夹杂的少量楔形单元设置为六节点线性三棱柱单元C3D6H；

提交分析作业：保存上述处理过的模型，在作业Job模块中创建作业Job-FATX或Job-FATY或Job-FATZ，进行X向或Y向或Z向的疲劳寿命分析；

计算等效应力：利用后处理模块，在工具菜单Tool中打开建立场输出面板CreateField Output，在场输入框From Fields内输入计算等效应力的公式：

式中，σ为等效应力，单位为牛顿；σ₁、σ₂、σ₃分别为X、Y、Z方向的应力，单位为牛顿；

获取等效应力最大值：在结果菜单Result中打开分析步/帧面板Step/Frame，并打开分析步控制Session Step，选择场输出按钮Field Output查看等效应力云图，所述云图上标出了等效应力的最大值及所在位置；

根据等效应力的最大值计算疲劳寿命。

5.根据权利要求1～4任意一项所述的基于疲劳寿命的弹性元件结构优化设计方法，其特征在于，计算疲劳寿命的公式如下：

式中，N为疲劳寿命，单位为次；σ_f为等效应力的最大值，单位为牛顿。