CN109977459A - 一种应用cae技术提高强化载荷谱精度的方法 - Google Patents

Abstract

一种应用CAE技术提高强化载荷谱精度的方法，包括下述步骤：一、编辑道路载荷谱，获得多级载荷谱L₀；二、建立零部件有限元模型；三、有限元分析获得零部件应力场；四、将应力场、材料力学参数、多级载荷谱L₀导入到疲劳软件中，计算零部件损伤D₀；五、将多级载荷谱L₀替换为1级载荷谱L₁，再次计算零部件损伤D₁；六、若D₁＝D₀，则L₁与L₀等价，L₁即为1级强化载荷谱；否则调整循环次数为获得1级强化载荷谱L₂，1级强化载荷谱应用于台架试验和CAE仿真计算。该方法采用CAE技术，实现了材料S‑N曲线向零部件S‑N曲线转化，解决了零部件S‑N曲线的斜率K值取经验值造成1级强化载荷谱精度较差的问题，同时避免试验测试零部件S‑N曲线，节约了产品开发成本。

Description

一种应用CAE技术提高强化载荷谱精度的方法

技术领域

本发明属于载荷谱测试与编辑技术领域，具体涉及一种应用CAE技术提高强化载荷谱精度的方法。

背景技术

强化载荷谱主要应用于产品开发过程中的台架试验和CAE仿真计算。强化载荷谱的级数越多，试验和计算的周期越长，反之则越短。因此，从试验和计算周期上考虑，强化载荷谱级数越少越好，最好是1级，其对于快速完善结构方案具有重要意义。

载荷谱强化主要用到零部件应力-寿命曲线的斜率K。目前K值获取有两种方法，一是根据经验直接取值，通常取K＝5；二是通过试验做出零部件应力-寿命曲线，即S-N曲线，进而获得K值。第一种方法多用于载荷级数较多情况，例如1000级，当载荷谱级数较少时，经验值K则会导致载荷谱精度较差，造成产品过重，不能实现产品的轻量化设计。第二种方法虽然可以用于载荷谱强化为1级的情况，但零部件应力-寿命曲线获取耗费大量人力、物力，试验周期长，且获得的K仅适用于所试验的零部件，对于其他零部件不具有通用性，所以通过试验获取真实零部件的K值意义不大。

目前强化载荷谱遇到的主要问题是，零部件S-N曲线的斜率K值制约着多级载荷谱向1级载荷谱强化时的精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用CAE技术提高强化载荷谱精度的方法，为获得高精度1级强化载荷谱提供技术支撑。

为实现上述目的，本发明提供一种应用CAE技术提高强化载荷谱精度的方法，包括下述步骤：

步骤一、编辑道路载荷谱，包括去毛刺，删掉小幅值载荷等，然后统计分析载荷谱，获得多级载荷谱L₀；

步骤二、建立载荷谱所应用零部件的装配有限元模型，施加边界条件及载荷，给定材料弹性模量E和泊松比μ；

步骤三、完成零部件的有限元分析，获得结构应力场；

步骤四、将结构应力场、材料力学参数(包括材料S-N曲线)、多级载荷谱L₀导入到疲劳计算软件中，计算零部件的损伤D₀；

步骤五、多级载荷谱L₀替换为1级载荷谱L₁，L₁包括三个参数：循环次数n、幅值A、均值M，再次计算零部件损伤为D₁；

步骤六、若D₁＝D₀，则L₁与L₀等价，L₁即为1级强化载荷谱；否则调整循环次数为获得1级强化载荷谱L₂，L₂包括三个参数：循环次数幅值A、均值M，1级强化载荷谱应用于台架试验和CAE仿真计算。

在所述步骤一中，多级载荷谱L₀级数可达1000级以上。

在所述步骤二中，零部件有限元模型应力较大位置应细化网格，以提高仿真精度。搭建的零部件装配有限元模型至少包括施加载荷部件、施加边界条件部件及研究对象。

在所述步骤四中，得到零部件损伤D₀同时，也可以获得零部件的S-N曲线，及其斜率值。

步骤五中，所述1级载荷谱L₁包括三个参数：循环次数n、幅值A、均值M。循环次数初始值n设为1000000，根据道路载荷谱确定幅值A、均值M，选取道路载荷谱历程中的最大值F₁和最小值F_1-1，当F＝F₁-F_1-1作用到零部件有限元模型上时，如果零部件应力小于材料强度极限，则A＝(F₁-F_1-1)/2，M＝(F₁+F_1-1)/2；否则，选取道路载荷谱历程中的第二最大值F₂和第二最小值F_2-1，当F＝F₂-F_2-1作用到零部件有限元模型上，如果零部件应力小于材料强度极限，则A＝(F₂-F_2-1)/2，M＝(F₂+F_2-1)/2；否则，再选取道路载荷谱历程中的第三最大值和第三最小值，并计算其差值F作用到零部件有限元模型时，判断零部件应力是否小于材料强度极限；以上过程需要重复计算至零部件应力小于材料强度极限为止；最终根据道路载荷谱确定1级载荷谱的幅值A、均值M。

本发明利用CAE技术，以及材料S-N曲线的优点，将二者充分结合，从而实现了材料S-N曲线向零部件S-N曲线转化，解决了零部件S-N曲线的斜率K值取经验值造成的1级强化载荷谱精度较差的问题，同时避免因试验测试零部件S-N曲线耗费大量人力、物力、财力，节约了产品开发成本。

附图说明

图1为道路载荷谱；

图2为采用雨流计数获得的多级载荷谱；

图3为零部件的有限元模型；

图4为零部件应力场；

图5为材料应力-寿命曲线；

图6为应用多级载荷谱计算的零部件损伤；

图7为零部件的应力-寿命曲线；

图8为1级强化载荷谱计算的零部件损伤。

具体实施方案

为了使发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，进一步说明本发明的技术方案及优点，下面结合附图及实施例进行详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种应用CAE技术提高强化载荷谱精度的方法，包括下述步骤：

一、编辑道路载荷谱，如图1所示，包括去毛刺，删掉小幅值载荷等，然后进行载荷雨流计数统计分析，获得多级载荷谱L₀，如图2所示；

二、建立零部件有限元模型，如图3所示，约束零部件的轴向运动以及零部件的轴向旋转运动，根据道路载荷谱确定施加零部件的径向载荷F＝10000N，给定材料弹性模量E＝2.1e5MPa、泊松比μ＝0.3；

三、应用ABAQUS软件进行零部件的有限元分析，获得结构应力场，如图4所示，应力单位为MPa；

四、将结构应力场(如图4)、材料力学参数(表1、如图5)、多级载荷谱L₀(如图2)导入到疲劳计算软件FEMFAT中，计算零部件最大损伤为D₀＝0.59，如图6所示，同时获得零部件的S-N曲线，如图7所示；

表1材料力学参数 单位：MPa

五、依据道路载荷谱经过分析计算，L₁为1级载荷谱，包括三个特征参数：循环次数n＝1000000、幅值A＝5000N、均值M＝500N，F＝A+M＝10000N，检查结构应力最大为62.7MPa，其远小于表1中的材料强度极限500MPa，符合要求；多级载荷谱L₀替换为1级载荷谱L₁，再次计算零部件损伤，如图8所示，此时计算的损伤为D₁＝0.17；

六、比较D₀和D₁，D₁≠D₀，为此调整循环次数为即得1级强化载荷谱L₂，L₂包括三个参数：循环次数n＝3470588、幅值A＝5000N、均值M＝5000N，L₂应用于台架试验和CAE仿真计算。

所述方法应用CAE技术实现了多级载荷谱向1级载荷谱强化，实现快，精度高，该方法对于完成零部件CAE计算、零部件试验及其结构改进具有重要意义。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种应用CAE技术提高强化载荷谱精度的方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤一，编辑道路载荷谱，然后统计分析载荷谱，获得多级载荷谱L₀；

步骤二，建立零部件的装配有限元模型，施加边界条件及载荷；

步骤三，完成零部件的有限元分析，获得结构应力场；

步骤四，将结构应力场、材料力学参数、多级载荷谱L₀导入到疲劳计算软件中，计算零部件的损伤D₀；

步骤五，多级载荷谱L₀替换为1级载荷谱L₁，L₁包括三个参数：循环次数n、幅值A、均值M，再次计算零部件损伤为D₁；

步骤六，若D₁＝D₀，则L₁与L₀等价，L₁即为1级强化载荷谱；否则调整循环次数为获得1级强化载荷谱L₂，L₂包括三个参数：循环次数幅值A、均值M，1级强化载荷谱应用于台架试验和CAE仿真计算。

2.根据权利要求1所述的一种应用CAE技术提高强化载荷谱精度的方法，其特征在于，步骤五中，所述1级载荷谱L₁包括三个参数：循环次数n、幅值A和均值M，所述循环次数n初始值设为1000000，根据道路载荷谱确定幅值A、均值M，选取道路载荷谱历程中的最大值F₁和最小值F_1-1。

3.根据权利要求2所述的一种应用CAE技术提高强化载荷谱精度的方法，其特征在于，当F＝F₁-F_1-1作用到零部件有限元模型上时，如果零部件应力小于材料强度极限，则A＝(F₁-F_1-1)/2，M＝(F₁+F_1-1)/2；否则，选取道路载荷谱历程中的第二最大值F₂和第二最小值F_2-1。

4.根据权利要求3所述的一种应用CAE技术提高强化载荷谱精度的方法，其特征在于，当F＝F₂-F_2-1作用到零部件有限元模型上，如果零部件应力小于材料强度极限，则A＝(F₂-F_2-1)/2，M＝(F₂+F_2-1)/2；否则，再选取道路载荷谱历程中的第三最大值和第三最小值，并计算其差值F作用到零部件有限元模型时，判断零部件应力是否小于材料强度极限。

5.根据权利要求4所述的一种应用CAE技术提高强化载荷谱精度的方法，其特征在于，需要重复计算至零部件应力小于材料强度极限为止；最终根据道路载荷谱确定1级载荷谱的幅值A、均值M。