CN109426685A - 零部件疲劳分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种零部件疲劳分析方法，该方法包括：对零部件进行单元网格划分，建立零部件的有限元模型；其中，该零部件的有限元模型的刚度与试验实测所得到的刚度之间的误差在要求范围内；对要作用于有限元模型的动态载荷建立动态载荷时间序列；按动态载荷的大小将动态载荷分为多个区段；将各区段的端点值分别加载于有限元模型，得到有限元模型的各网格单元在所加载的动态载荷下的应力；根据所加载的动态载荷及所对应得到的各网格单元的应力，通过差值计算得到各个网格单元对应于动态载荷时间序列的应力时间序列；根据应力时间序列计算有限元模型的疲劳寿命。本发明提供的零部件疲劳分析方法，能够合理、全面地对零部件的疲劳寿命进行评估。

Description

零部件疲劳分析方法
技术领域
本发明涉及有限元分析技术领域，特别涉及一种零部件疲劳分析方法。
背景技术
在汽车或工程机械中，通常需要对零部件进行疲劳耐久试验，以使得零部件满足疲劳耐久要求。
汽车钢板弹簧是目前国内外汽车悬架系统的主要弹性元件，在汽车运行过程中，传递作用于车架与车身之间的力和力矩，缓解因路面不平而通过轮胎传递给车身的冲击载荷，对保证汽车行驶的平顺性、驾乘人员的舒适性、运载货物的稳定性以及提高汽车相关部件的使用寿命都有着积极的作用。此外，钢板弹簧还可以当作辅助导向机构使用，因此配置了钢板弹簧的车辆，其悬架系统不需要再专门设置导向机构，这样可以简化悬架的结构，钢板弹簧故而被广泛地运用在货车或皮卡上，某些乘用车也将钢板弹簧作为其弹性元件使用。
目前对钢板弹簧进行疲劳分析方法是基于频域的疲劳分析方法，该分析方法存在着很大的局限性：
1、现有的钢板弹簧疲劳分析技术中，在静力分析之前并没有对钢板弹簧的刚度进行校核验证，也就不能保证钢板弹簧的有限元模型刚度与实际的钢板弹簧刚度保持一致性，从而会对疲劳分析结果带来根本性误差。
2、现有基于频域的疲劳分析方法，需要对钢板弹簧进行模态分析。众所周知，模态分析是一个线性分析技术，任何非线性特性，如接触或塑性变形等，即便是定义了也会被忽视。在钢板弹簧的簧片之间存在着大量的接触对，从这一点可以看出这种分析方法与钢板弹簧的特点不相符，严重影响了钢板弹簧的疲劳分析结果。
3、基于频域的疲劳分析方法涉及到概率分布的问题，依据高斯三区间法进行估算，其精度也是很难保证的。
4、目前钢板弹簧疲劳分析方法没有考虑钢板弹簧属于多轴疲劳问题，没有采用适合多轴疲劳分析的关键面法对钢板弹簧进行不同主应力方向的疲劳寿命进行计算。
为此，需要研究一种新的零部件疲劳分析技术，以克服现有技术中的疲劳分析方法所存在的缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种零部件疲劳分析方法，以解决现有技术中频域疲劳分析方法中所存在的缺陷。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种零部件疲劳分析方法，所述零部件疲劳分析方法包括：
步骤1：对零部件进行网格单元划分，建立零部件的有限元模型；其中，该零部件的有限元模型的刚度与试验实测所得到的刚度之间的误差在要求范围内；
对要作用于所述有限元模型的动态载荷建立动态载荷时间序列；
步骤2：按所述动态载荷的大小将所述动态载荷分为多个区段；将各区段的端点值分别加载于所述有限元模型，得到所述有限元模型的各网格单元在所加载的动态载荷下的应力；
步骤3：根据所加载的动态载荷以及所对应得到的各所述网格单元的应力，通过差值计算得到各个所述网格单元对应于所述动态载荷时间序列的应力时间序列；
步骤4：根据所述应力时间序列计算所述有限元模型的疲劳寿命。
进一步的，所述步骤1中，使得所述零部件的有限元模型的刚度与试验实测得到的刚度之间的误差在要求范围内的具体步骤包括：
在所述有限元模型上施加载荷，得到所述有限元模型的刚度曲线；
将该有限元模型的刚度曲线与零部件试验实测得到的刚度曲线进行比较，如果刚度误差超出要求范围，则修正所述有限元模型。
进一步的，所述步骤1中，所述建立动态载荷时间序列具体包括：将所述动态载荷分解成多个通道载荷，得到多个通道载荷的通道载荷时间序列；
所述步骤2中，将所述动态载荷分为多个区段具体是：将分解得到的各个所述通道载荷分别分成多个区段，以分别得到所述有限元模型的各网格单元在各个所述通道载荷下的应力。
进一步的，所述动态载荷分解得到的多个通道载荷包括三个垂直方向上的力和三个垂直方向上的力矩。
进一步的，各网格单元在各个所述通道载荷下的应力包括多个应力分量；
所述步骤3中得到的所述应力时间序列包括各个所述应力分量在各个所述通道载荷下的应力时间序列。
进一步的，在所述步骤3中还包括：将多个所述通道载荷下的所述应力分量分别进行叠加，得到各个所述应力分量在多个所述通道载荷共同作用下的应力时间序列。
进一步的，所述步骤3中还包括：根据各个应力分量的应力时间序列，对各个所述网格单元不同角度下的正应力进行计算，得到各个所述网格单元不同角度下的正应力时间序列；
所述步骤4中，根据不同角度下的所述正应力时间序列计算零部件的疲劳寿命。
进一步的，所述步骤4中计算零部件的疲劳寿命，具体包括：
利用雨流计数技术对不同角度下的所述正应力时间序列进行雨流计算，得到不同角度下正应力时间序列的循环次数、应力均值、应力幅值；
对照零部件的材料S-N曲线进行零部件的疲劳寿命计算。
进一步的，所述步骤1中，在建立所述零部件的有限元模型时，在所述零部件表面铺一层壳单元；所述步骤2和步骤3中，获取各网格单元的应力具体为获取各网格单元表面的壳单元的应力。
进一步的，所述零部件为车辆的钢板弹簧，所述动态载荷为采集的疲劳路谱载荷。
本发明提供的零部件疲劳分析方法在进行零部件疲劳分析之前，对零部件的刚度进行校核，使有限元模型的刚度与试验实测刚度的误差控制在允许范围内，因此可保证疲劳计算精度。而且本发明提供的是基于时域的疲劳分析方法，能够充分考虑到几何分线性、接触非线性的问题，与零部件的实际使用状态更加一致，从而保证有限元模型的真实性。另外，本发明提供的计算方法，效率高、计算准确，且更合理、更全面地对零部件的疲劳寿命进行评估。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的一个实施方式中提供的钢板弹簧的结构示意图；
图2为在钢板弹簧上施加载荷的示意图；‘
图3为对钢板弹簧进行疲劳分析的流程图；
图4为在动态载荷下应力分量的非线性差值函数曲线。
附图标记说明：
1-板簧前吊耳；2-板簧卡箍；3-簧片；4-中心螺栓；5-板簧后吊耳。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
本发明公开了一种零部件疲劳分析方法，该零部件疲劳分析方法包括如下步骤：
步骤1：对零部件进行网格单元划分，建立零部件的有限元模型；其中，该零部件的有限元模型的刚度与试验实测所得到的刚度之间的误差在要求范围内；
对要作用于所述有限元模型的动态载荷建立动态载荷时间序列；
步骤2：按所述动态载荷的大小将所述动态载荷分为多个区段；将各区段的端点值分别加载于所述有限元模型，得到所述有限元模型的各网格单元在所加载的动态载荷下的应力；
步骤3：根据所加载的动态载荷以及所对应得到的各所述网格单元的应力，通过差值计算得到各个所述网格单元对应于所述动态载荷时间序列的应力时间序列；
步骤4：根据所述应力时间序列计算所述有限元模型的疲劳寿命。
本发明提供的零部件疲劳分析方法在进行零部件疲劳分析之前，对零部件的刚度进行校核，使有限元模型的刚度与试验实测刚度的误差控制在允许范围内，因此可保证疲劳计算精度。而且本发明提供的是基于时域的疲劳分析方法，能够充分考虑到几何分线性、接触非线性的问题，与零部件的实际使用状态更加一致，从而保证有限元模型的真实性。另外，本发明提供的计算方法，效率高、计算准确，且更合理、更全面地对零部件的疲劳寿命进行评估。
下面通过具体实施方式对本发明提供的疲劳分析方法的上述各个步骤进行详细说明，在该实施方式中，所述零部件以钢板弹簧为例，当然，该疲劳分析方法并不限于用于分析钢板弹簧，其它的零部件也可以采用该方法进行疲劳分析。本实施方式中对钢板弹簧的疲劳分析过程结合图3进行描述。
目前，钢板弹簧通常应用在汽车后悬架上，由若干片曲率不同的簧片利用中心螺栓和板簧卡箍形成弹性元件。钢板弹簧的自由状态，是指各个簧片通过中心螺栓和板簧卡箍固定起来，但是板簧前后吊耳并没有与车架相连接，自由放置所呈现出来的一种状态。钢板弹簧的结构如图1所示，包括多个簧片3，该多个簧片3通过板簧卡箍2以及位于中心的中心螺栓4固定起来，在该板簧结构的两端分别设置有与车架连接的板簧前吊耳1和板簧后吊耳5，在本实施方式中，是以图1所示的钢板弹簧的结构建模的。
步骤1：对零部件进行网格单元划分，建立零部件的有限元模型；其中，该零部件的有限元模型的刚度与试验实测所得到的刚度之间的误差在要求范围内；对要作用于所述有限元模型的动态载荷建立动态载荷时间序列。
其中，该步骤中，建立零部件(在本实施方式中该零部件为图1所示的钢板弹簧)的有限元模型具体包括：将自由状态的钢板弹簧三维数模，导出有限元前处理软件能够识别的中间格式，利用有限元前处理软件对钢板弹簧进行网格单元的划分。钢板弹簧的簧片采用实体单元模拟，钢板弹簧表面铺一层壳单元，钢板弹簧的簧片之间采用接触单元模拟，簧片与簧片之间的中心螺栓采用刚性连接，从而建立钢板弹簧刚度校对的有限元模型。
其中在建立所述钢板弹簧的有限元模型时，在所述钢板弹簧表面铺一层壳单元，目的是能够更加准确的获得钢板弹簧表面的应力值。因为实体部件发生疲劳破坏肯定是从表面开始的，实体表面的拉应力是最大的，因此板簧表面壳应力的提取是钢板弹簧疲劳评估的重要环节。因此在所述步骤2和步骤3中，获取的各网格单元的应力具体为获取各网格单元中壳单元的应力。在后面的描述中，获取的网格单元的应力也是从钢板弹簧实体网格单元表面的壳单元获取的。
在该步骤1中，需要校验钢板弹簧的有限元模型的刚度，使其刚度与试验实测得到的刚度之间的误差在控制范围内。
其具体步骤为：在所述有限元模型上施加载荷，得到所述有限元模型的刚度曲线；将该有限元模型的刚度曲线与钢板弹簧试验实测得到的刚度曲线进行比较，如果刚度误差超出要求范围，则修正所述有限元模型。
更具体的，如图2所示，在簧片连接中心螺栓处施加载荷F，方向与前后吊耳连线垂直，通过有限元软件求解器进行刚度计算，再利用有限元后处理软件中绘制施力点力与位移的非线性刚度曲线，将该曲线与钢板弹簧刚度试验实测刚度曲线进行误差对比分析，使刚度误差保证控制在一定范围内(例如不超过5％)。如果刚度误差值超过5％，需要不断修正钢板弹簧有限元模型，最终使刚度误差值控制在5％以内，才可以进行后续的疲劳计算。其目的就是为了保证钢板弹簧有限元模型的真实性，进而保证后续钢板弹簧疲劳计算的准确性。
在该步骤1中，还包括对作用于有限元模型的动态载荷建立动态载荷时间序列。
优选地，建立动态载荷时间序列包括：将所述动态载荷进行分解成多个通道载荷，得到多个通道载荷的通道载荷时间序列；
其中，由于本实施方式中所要分析的零部件为车辆的钢板弹簧，因此，所述动态载荷为采集的疲劳路谱载荷。进行疲劳耐久试验中，在四个车轮上安装六分力传感器，从而采集在疲劳耐久路面传递到轮心的载荷，该载荷被称为疲劳路谱载荷。
所述动态载荷分解得到的多个通道载荷包括三个垂直方向上的力和三个垂直方向上的力矩。
具体的，在本实施方式中，利用多体仿真分析软件，搭建整车悬架系统多体仿真模型。将疲劳耐久试验采集的疲劳路谱载荷作为输入进行动态载荷分解，在钢板弹簧与后桥连接位置建立输出，得到该输出点六个通道载荷的通道载荷时间序列，分别为Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz，即三个方向的力F和三个方向的力矩M。
在此需说明的是，建立零部件的有限元模型和建立动态载荷时间序列不分先后，可同时进行，也可先后进行。
步骤2：按所述动态载荷的大小将所述动态载荷分为多个区段；将各区段的端点值分别加载于所述有限元模型，得到所述有限元模型的网格单元在所加载的动态载荷下的应力。
本实施方式中，在步骤1中，将输入的动态载荷进行分解，得到多个通道载荷的通道载荷时间序列。因此，在该步骤2中，将所述动态载荷分为多个区段具体是：将分解得到的各个通道载荷分别分成多个区段，以分别得到所述有限元模型的各网格单元在所加载的各个通道载荷下的应力。
以钢板弹簧的一个通道载荷为例，来阐述钢板弹簧的应力计算分析步数及分步加载载荷的确定方法，其它通道载荷的处理方法与其相同。
首先，识别出该通道载荷的最大值Fmax和最小值Fmin，再根据Fmax和Fmin的正负号确定钢板弹簧应力计算分析步数及分步加载载荷。具体确定方法有以下两种情况：
情况一：若Fmin＞0或Fmax＜0。
通过Fmax-Fmin计算出该通道载荷的变化最大幅值△F，再将△F分为n份。这样就可以将该通道载荷F分成n个区段，第一区段的F范围在Fmin≤F＜Fmin+△F/n之间，第二区段的F范围在Fmin+△F/n≤F＜Fmin+△F×2/n之间，第三区段的F范围在Fmin+△F×2/n≤F＜Fmin+△F×3/n之间，……，第n区段的F范围在Fmin+△F×(n-1)/n≤F≤Fmax之间。
针对此情况，钢板弹簧应力计算一个通道载荷步为n步，从第1步到第n步加载载荷分别为Fmin，Fmin+△F/n，Fmin+△F×2/n，Fmin+△F×3/n，……，Fmin+△F×(n-1)/n，Fmax。将该通道的多个区段的上述端点值的载荷进行加载，可得到钢板弹簧有限元模型在所加载的该通道载荷下的应力。
情况二：若Fmin＜0且Fmax＞0。
将Fmin≤F＜0区间载荷分为m份。将Fmin≤F＜0的通道载荷F分成m个区段，第一区段的F范围在Fmin≤F＜Fmin-Fmin/m之间，第二区段的F范围在Fmin-Fmin/m≤F＜Fmin-Fmin×2/m之间，第三区段的F范围在Fmin-Fmin×2/m≤F＜Fmin-Fmin×3/m之间，……，第m区段的F范围在Fmin-Fmin×(m-1)/m≤F＜0之间。
将0＜F≤Fmax区间载荷分为p份。将0＜F≤Fmax的通道载荷F分成p个区段，第一区段的F范围在0＜F≤Fmax/p之间，第二区段的F范围在Fmax/p＜F≤Fmax×2/p之间，第三区段的F范围在Fmax×2/p＜F≤Fmax×3/p之间，……，第p区段的F范围在Fmax×(p-1)/p＜F≤Fmax之间。
针对情况二，钢板弹簧强度计算一个通道载荷步为m+p步，从第1步到第m+p步加载载荷分别为Fmin，Fmin-Fmin/m，Fmin-Fmin×2/m，Fmin-Fmin×3/m，……，Fmin-Fmin×(m-1)/m，Fmax/p，Fmax×2/p，Fmax×3/p，Fmax×(p-1)/p，Fmax。将该通道的多个区段的上述端点值的载荷进行加载，可得到钢板弹簧有限元模型在所加载的该通道载荷下的应力。
使用同样的方法分别对其余通道载荷进行相应载荷步及加载载荷的确定，由此分别得到有限元模型的各网格单元在各个通道下所加载的载荷下的应力。
步骤3：根据所加载的动态载荷以及所对应得到的各所述网格单元的应力，通过差值计算得到各个所述网格单元对应于所述动态载荷时间序列的应力时间序列。
本实施方式中，在该步骤2中得到的各网格单元在各个所述通道载荷下的应力，该应力包括多个应力分量。
利用有限元后处理软件从上述步骤2中计算的应力结果中，提取钢板弹簧表面每个网格单元(具体是壳单元)局部坐标系下的X向正应力δx、Y向正应力δy、XY平面的切应力δxy等三个应力分量。根据每个壳单元应力分量与每个载荷步加载载荷的非线性关系，获得载荷应力差值函数δ’。
具体的，首先通过数据处理软件判断每个时刻的通道载荷属于哪个区段的载荷，然后进行应力分量差值计算，从而获得钢板弹簧表面每个壳单元对应的应力分量(δx、δy、δxy)的应力时间序列。举例，若载荷F’在F1和F2之间，那么F’对应的应力差值函数载荷应力差值函数曲线示意图如图4所示。
因此，通过差值计算可得到各网格单元对应于动态载荷时间序列的应力时间序列，该应力时间序列包括各个应力分量在各个通道载荷下的应力时间序列。
在该步骤3中还包括：将多个通道载荷下的所述应力分量分别进行叠加，得到各个所述应力分量在多个通道载荷共同作用下的应力时间序列。
所述步骤3中还包括：根据各个应力分量的应力时间序列，对各个网格单元不同角度下的正应力进行计算，得到各个网格单元不同角度下的正应力时间序列。
具体的，因为本实施方式中六个通道的载荷(三个方向上的力和三个方向上的力矩)是同时作用在钢板弹簧上的，所以需要对六个通道同一时刻的应力分量进行线性叠加，从而得到在六个通道共同作用下的应力分量(δ’x、δ’y、τ’xy)时间序列。
在此需说明的是，在本实施方式中，将动态载荷分解为多个通道载荷，而且将获得的应力分为多个应力分量，是为更精确地根据应力计算零部件的疲劳寿命。但并不限于本实施方式中的分解方式，其它的分解方式或者不对动态载荷分解而直接得到各网格单元的应力的方式也属于本发明的保护范围。
然后，利用关键面法，对每个网格单元表面的壳单元不同角度下的主应力进行计算，如下式所示：
其中：α＝10°，20°，30°，......，180，共分了18份。可以根据计算精度需求对角度进行细分，此处以分为18份为例。
根据每个角度，分别计算一次正应力，从而得到每个壳单元不同角度下的正应力时间序列。
最后进行步骤4：根据所述应力时间序列计算有限元模型的疲劳寿命。
利用雨流计数技术对上述步骤3中得到的不同角度下的正应力时间序列进行雨流计算，得到不同角度下正应力时间序列的循环次数、应力均值、应力幅值等参数。
对照钢板弹簧的材料S-N曲线进行钢板弹簧的疲劳寿命计算，如下式所示。
其中：n1，n2，n3，……，ni代表应力时间序列经过雨流技术统计后，不同应力循环的循环次数；N1，N2，N3，……，Ni代表SN曲线不同应力循环理论循环次数；f代表钢板弹簧的疲劳寿命。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种零部件疲劳分析方法，其特征在于，所述零部件疲劳分析方法包括：
步骤1：对零部件进行网格单元划分，建立零部件的有限元模型；其中，该零部件的有限元模型的刚度与试验实测所得到的刚度之间的误差在要求范围内；
对要作用于所述有限元模型的动态载荷建立动态载荷时间序列；
步骤2：按所述动态载荷的大小将所述动态载荷分为多个区段；将各区段的端点值分别加载于所述有限元模型，得到所述有限元模型的各网格单元在所加载的动态载荷下的应力；
步骤3：根据所加载的动态载荷以及所对应得到的各所述网格单元的应力，通过差值计算得到各个所述网格单元对应于所述动态载荷时间序列的应力时间序列；
步骤4：根据所述应力时间序列计算所述有限元模型的疲劳寿命。
2.根据权利要求1所述的零部件疲劳分析方法，其特征在于，所述步骤1中，使得所述零部件的有限元模型的刚度与试验实测得到的刚度之间的误差在要求范围内的具体步骤包括：
在所述有限元模型上施加载荷，得到所述有限元模型的刚度曲线；
将该有限元模型的刚度曲线与零部件试验实测得到的刚度曲线进行比较，如果刚度误差超出要求范围，则修正所述有限元模型。
3.根据权利要求1所述的零部件疲劳分析方法，其特征在于，所述步骤1中，所述建立动态载荷时间序列具体包括：将所述动态载荷分解成多个通道载荷，得到多个通道载荷的通道载荷时间序列；
所述步骤2中，将所述动态载荷分为多个区段具体是：将分解得到的各个所述通道载荷分别分成多个区段，以分别得到所述有限元模型的各网格单元在各个所述通道载荷下的应力。
4.根据权利要求3所述的零部件疲劳分析方法，其特征在于，所述动态载荷分解得到的多个通道载荷包括三个垂直方向上的力和三个垂直方向上的力矩。
5.根据权利要求3所述的零部件疲劳分析方法，其特征在于，各网格单元在各个所述通道载荷下的应力包括多个应力分量；
所述步骤3中得到的所述应力时间序列包括各个所述应力分量在各个所述通道载荷下的应力时间序列。
6.根据权利要求5所述的零部件疲劳分析方法，其特征在于，在所述步骤3中还包括：将多个所述通道载荷下的所述应力分量分别进行叠加，得到各个所述应力分量在多个所述通道载荷共同作用下的应力时间序列。
7.根据权利要求6所述的零部件疲劳分析方法，其特征在于，所述步骤3中还包括：根据各个应力分量的应力时间序列，对各个所述网格单元不同角度下的正应力进行计算，得到各个所述网格单元不同角度下的正应力时间序列；
所述步骤4中，根据不同角度下的所述正应力时间序列计算零部件的疲劳寿命。
8.根据权利要求7所述的零部件疲劳分析方法，其特征在于，所述步骤4中计算零部件的疲劳寿命，具体包括：
利用雨流计数技术对不同角度下的所述正应力时间序列进行雨流计算，得到不同角度下正应力时间序列的循环次数、应力均值、应力幅值；
对照零部件的材料S-N曲线进行零部件的疲劳寿命计算。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的零部件疲劳分析方法，其特征在于，所述步骤1中，在建立所述零部件的有限元模型时，在所述零部件表面铺一层壳单元；所述步骤2和步骤3中，获取各网格单元的应力具体为获取各网格单元表面的壳单元的应力。
10.根据权利要求1-8中任意一项所述的零部件疲劳分析方法，其特征在于，所述零部件为车辆的钢板弹簧，所述动态载荷为采集的疲劳路谱载荷。
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