CN113051788B - 一种臂架疲劳分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种臂架疲劳分析方法，包括以下步骤：建立臂架三维模型，并建立臂架的网络模型；对臂架进行运动仿真，获取每时刻下的位置和负载情况的离散化数据；选取若干个臂架运动数据，获取静力学的应力分析云图以及相关数据；寻找臂架应力偏大的区域，综合应力分析结果，得出该区域内的应力曲线；在标准工况下对臂架的三维模型进行实验，并对应力分析云图和应力曲线进行对比分析；结合臂架的变形情况，通过疲劳分析获取臂架的疲劳寿命云图和疲劳寿命数据结果；判断臂架疲劳强度要求是否合格，提出优化方案。本发明采用静力学分析技术和利用大量静力学分析来代替动力学分析，以此更加快捷且有效完成对臂架的应力分析和疲劳分析。

Description

一种臂架疲劳分析方法
技术领域
本发明涉及一种应力分析方法，具体涉及一种臂架疲劳分析方法。
背景技术
臂架工作时会随着工件负载运动而产生不断变化的应力，当臂架受到这种多次重复变化的载荷作用后，即使应力值始终没有超过材料的强度极限，臂架仍然有可能出现破坏现象——这就是疲劳破坏。疲劳失效是臂架最常见结构失效的原因之一，因此在设计臂架或者优化臂架的使用寿命时，需通过疲劳分析计算产品的疲劳寿命，才能确保其正常使用的工作时间。
目前常用的方法是根据臂架模型在标准工况下受到的外力最大值作为载荷，通过静态的有限元分析获取臂架的应力分析云图，与实际零件工作中测试所得应力进行对比。若存在严重不符的应力区域，则需要修改模型参数、调整约束条件等方式进行优化，直至出现契合度较高的应力曲线；最后再进行疲劳分析，以此获取臂架的疲劳寿命云图，得到臂架在正常工况下疲劳损伤最严重的区域的预估疲劳寿命值。
由于臂架在实际工作过程中长期保持运动状态，不同时刻臂架的位置和速度都会发生变化，各因素作用下的应力结果与仅单一的负载所得的结果存在明显的差异，因此计算所得的应力结果与实际应力峰值的区域和大小都存在偏差。若对臂架进行动力学分析，但现有软件技术使用动力学分析较为困难，尤其针对复杂的零件，难以得到精确的应力结果，同时在计算时对约束条件、网格化模型等方面均有较高的要求，且难以得到收敛的应力分析结果，需要花大量的时间进行检验和校对，也不利于之后疲劳分析以及优化臂架设计。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种臂架疲劳分析方法，该方法能够快捷且精准地地完成对臂架的应力分析和疲劳分析，以便得出臂架的疲劳分析结果以及优化方向。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种臂架疲劳分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）根据臂架实际形状和尺寸建立三维模型，通过有限元法建立臂架的网络模型，并设置臂架参数；
（2）对臂架进行正常工况下的运动仿真，测量在一次循环运动中臂架受到随时间变化的运动数据，该运动数据包括负载大小和位置；通过对臂架的运动数据进行离散化，形成一系列相对静止状态，从而得到臂架在每时刻下的位置和负载情况的离散化数据；
（3）根据所述离散化数据，在臂架工作时间范围内，选取均匀的若干时刻下的臂架运动数据，从而形成若干个臂架待测模型；确定每个臂架待测模型的负载大小和位置后，分别对各个臂架待测模型进行有限元分析，得到一系列静力学的应力分析云图以及相关数据；
（4）根据步骤（3）中所得到的应力分析云图及相关数据结果，寻找臂架在工作过程中应力偏大的区域，并以该区域作为研究对象，综合应力分析结果，得出该区域内的应力曲线；
（5）在标准工况下对臂架的三维模型进行实验，观察对比臂架损伤最严重的区域位置信息与步骤（3）中所述的应力分析云图是否相似，再比较步骤（4）中所得出的应力曲线与实际测量所得应力曲线；若在标准工况下臂架损伤最严重的区域位置信息与步骤（3）中所述的应力分析云图存在明显的偏差或步骤（4）中所得出的应力曲线与实际测量所得应力曲线存在明显的偏差，则返回步骤（3），并在步骤（3）中选取更多的臂架待测模型，直至计算所得的应力曲线与标准工况实验所得的应力曲线结果相近；
（6）将步骤（3）和步骤（4）中所得的应力分析云图及应力曲线结合臂架的变形情况，并通过模态变换的方式，得到各部件在运动过程中的模态坐标，形成臂架的变形曲线，以此作为输入信号，对臂架进行疲劳分析，获得臂架的疲劳寿命云图以及疲劳寿命数据结果；
（7）在按照标准工况下对臂架实体进行实验，得到实际情况的实际臂架疲劳寿命云图，对比步骤（6）所得的疲劳寿命云图；若两者的较大疲劳损伤区域范围，疲劳寿命误差在允许范围之内，且疲劳寿命能够满足最低疲劳寿命要求，则证明该臂架满足疲劳强度的要求，否则证明该臂架不符合疲劳强度的要求，并且根据疲劳损伤较为严重的区域，针对性地提出优化方案。
本发明的一个优选方案，步骤（1）中所述的臂架参数包括材料属性、密度及弹性模量。具体地，还包括屈服应力、最小抗拉强度、泊松比等。
本发明的一个优选方案，步骤（5）中，若在臂架工作时间内已选取足够多的臂架待测模型（即足够多的样本）仍无法减少测量所得数据与实际情况之间的误差，则调整步骤（1）中的三维模型的形状、尺寸参数、相关的约束及求解因素，并返回步骤（3）重新进行。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明采用相对于动力学分析较为成熟的静力学分析技术，且在臂架低速、匀速工况下更容易得出准确的应力结果；本发明通过利用大量静力学分析来代替动力学分析，以此更加快捷且有效完成对臂架的应力分析和疲劳分析。
2、本发明避免使用繁杂的动力学分析，通过更加成熟且便捷的静力学分析完成的臂架应力分析运算，有效地简化运算过程、降低运算难度和加快运算速度，有利于提高分析计算结果的精度。
3、另外，本发明整合静力学分析的结果，将其转换成模态坐标，使其获取近似于动力学分析结果所得的臂架变形曲线，从而满足疲劳分析的要求，提高臂架的疲劳分析精度。
附图说明
图1为本发明的臂架疲劳分析方法的流程框图。
图2为待分析臂架的立体图。
图3为臂架材料属性参数示意图。
图4为臂架在某时刻下静态有限元分析示意图。
图5为臂架的疲劳分析示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。
参见图1，本实施例的臂架疲劳分析方法，包括以下步骤：
（1）根据臂架实际形状和尺寸建立三维模型，通过有限元法建立臂架的网络模型，并设置臂架参数。其中的臂架参数包括材料属性、密度及弹性模量。具体地，还包括屈服应力、最小抗拉强度、泊松比等。
（2）采用仿真软件对臂架进行正常工况下的运动仿真，测量在一次循环运动中臂架受到随时间变化的运动数据，该运动数据包括负载大小和位置；通过对臂架的运动数据进行离散化，形成一系列相对静止状态，从而得到臂架在每时刻下的位置和负载情况的离散化数据。
（3）根据所述离散化数据，在臂架工作时间范围内，选取均匀的若干时刻下的臂架运动数据，从而形成若干个臂架待测模型（初次选择时数量不宜较大，一般可选30-50个）；确定每个臂架待测模型的负载大小和位置后，分别对各个臂架待测模型进行有限元分析，得到一系列静力学的应力分析云图以及相关数据。
（4）根据步骤（3）中所得到的应力分析云图及相关数据结果，寻找臂架在工作过程中应力偏大的区域，并以该区域作为研究对象，综合应力分析结果，得出该区域内的应力曲线；
（5）在标准工况下对臂架的三维模型进行实验，观察对比臂架损伤最严重的区域位置信息与步骤（3）中所述的应力分析云图是否相似，再比较步骤（4）中所得出的应力曲线与实际测量所得应力曲线；若在标准工况下臂架损伤最严重的区域位置信息与步骤（3）中所述的应力分析云图存在明显的偏差或步骤（4）中所得出的应力曲线与实际测量所得应力曲线存在明显的偏差，则返回步骤（3），并在步骤（3）中选取更多的臂架待测模型，直至计算所得的应力曲线与标准工况实验所得的应力曲线结果相近。若在臂架工作时间内已选取足够多的臂架待测模型（即足够多的样本）仍无法减少测量所得数据与实际情况之间的误差，则调整步骤（1）中的三维模型的形状、尺寸参数、相关的约束及求解因素，并返回步骤（3）重新进行。
（6）将步骤（3）和步骤（4）中所得的应力分析云图及应力曲线结合臂架的变形情况，并通过模态变换的方式，得到各部件在运动过程中的模态坐标，形成臂架的变形曲线，以此作为输入信号，对臂架进行疲劳分析，获得臂架的疲劳寿命云图以及疲劳寿命数据结果；
（7）在按照标准工况下对臂架实体进行实验，得到实际情况的实际臂架疲劳寿命云图，对比步骤（6）所得的疲劳寿命云图；若两者的较大疲劳损伤区域范围，疲劳寿命误差在允许范围之内，且疲劳寿命能够满足最低疲劳寿命要求，则证明该臂架满足疲劳强度的要求，否则证明该臂架不符合疲劳强度的要求，并且可根据疲劳损伤较为严重的区域，针对性地提出优化方案。
根据本实施例的臂架疲劳分析方法，举出以下实际的臂架应力分析和疲劳分析例子：
（1）导入臂架初始状态的模型，如图2所示。
（2）对臂架材料属性进行相关设定：如叉车臂架第一节臂距离载荷最远，因此在整个臂架中，其受到的力矩是最大的，选用结构钢，屈服应力为500MPa，最小抗拉强度为900MPa，弹性模量为2e+5MPa，泊松比为0.3，密度为10.79g/cm3，如图3所示。
网格化模型：根据模型形状特点以及可能出现较大应力区域，针对性优化网格，选择网格大小为40mm，其余地方保持默认，尽量控制网格数量在十万个左右，保证有限元分析精度的同时也能有较快的运算速度。
（3）利用Adams软件对臂架进行刚体运动仿真，测量运动过程中由于负载及其他各部件作用的情况下，臂架受到的外力的位置以及大小。在零件正常负载情况下，完成一次循环工作后，记录负载以及臂架的位置以及受到各作用力的数据，形成离散化数据。
（4）选择分析样本：将臂架一次运动所获得的数据（即上述离散化数据），每0.1秒划分为一个个体进行离散化，形成一个数据库，在库中按等时间跨度选择40个均匀的个体作为样本，本例臂架一次运动约200秒，故每5秒时刻臂架的工作状态为一个个体；如图4所示。
有限元分析：将所选取的样本个体进行有限元分析，根据仿真所得外力情况设置负载，获得各个时刻下臂架的应力分析云图。
（5）检验和校对：根据所有应力分析街过预计臂架应力较大的区域，对实际臂架进行应力分析检测，对比与步骤（4）的应力分析是否有明显的误差。若有，则返回步骤（4），在对应时间段内选择更多个体作为新样本，直到应力分析结果与实际检测结果的误差在可允许范围之内，才可进行下一步。若在该时间内数据库中所有数据已全部进行有限元分析且仍存在较大误差，则需要修改模型形状及尺寸参数，或者调整约束条件，等影响有限元分析计算精度的因素，返回步骤（4）。
（6）疲劳分析前处理：综合上述应力分析结果，得出臂架动态变形情况，将其进行模态变换，得到臂架各部件一系列的模态坐标，生成关于臂架变形曲线dac.格式文件，将该文件作为疲劳分析的输入信号，作用于臂架模型上。
（7）疲劳分析：将臂架模型和输入信号导入疲劳分析软件中，选择适当的分析方法并确定相关材料参数以及疲劳参数，进行疲劳分析，得到疲劳寿命云图以及疲劳寿命数据；如图5所示。
（8）检验：对实际臂架进行疲劳分析，获取实际疲劳破坏和损伤的区域，对比与步骤（7）计算分析所得疲劳寿命云图作比较，若两者之间误差在合理范围，且臂架的疲劳寿命均不低于最低疲劳寿命要求，则证明该臂架满足疲劳设计要求。
上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种臂架疲劳分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）根据臂架实际形状和尺寸建立三维模型，通过有限元法建立臂架的网络模型，并设置臂架参数；
（2）对臂架进行正常工况下的运动仿真，测量在一次循环运动中臂架受到随时间变化的运动数据，该运动数据包括负载大小和位置；通过对臂架的运动数据进行离散化，形成一系列相对静止状态，从而得到臂架在每时刻下的位置和负载情况的离散化数据；
（3）根据所述离散化数据，在臂架工作时间范围内，选取均匀的若干时刻下的臂架运动数据，从而形成若干个臂架待测模型；确定每个臂架待测模型的负载大小和位置后，分别对各个臂架待测模型进行有限元分析，得到一系列静力学的应力分析云图以及相关数据；
（4）根据步骤（3）中所得到的应力分析云图及相关数据结果，寻找臂架在工作过程中应力偏大的区域，并以该区域作为研究对象，综合应力分析结果，得出该区域内的应力曲线；
（5）在标准工况下对臂架的三维模型进行实验，观察对比臂架损伤最严重的区域位置信息与步骤（3）中所述的应力分析云图是否相似，再比较步骤（4）中所得出的应力曲线与实际测量所得应力曲线；若在标准工况下臂架损伤最严重的区域位置信息与步骤（3）中所述的应力分析云图存在明显的偏差或步骤（4）中所得出的应力曲线与实际测量所得应力曲线存在明显的偏差，则返回步骤（3），并在步骤（3）中选取更多的臂架待测模型，直至计算所得的应力曲线与标准工况实验所得的应力曲线结果相近；
（6）将步骤（3）和步骤（4）中所得的应力分析云图及应力曲线结合臂架的变形情况，并通过模态变换的方式，得到各部件在运动过程中的模态坐标，形成臂架的变形曲线，以此作为输入信号，对臂架进行疲劳分析，获得臂架的疲劳寿命云图以及疲劳寿命数据结果；
（7）在按照标准工况下对臂架实体进行实验，得到实际情况的实际臂架疲劳寿命云图，对比步骤（6）所得的疲劳寿命云图；若两者的较大疲劳损伤区域范围，疲劳寿命误差在允许范围之内，且疲劳寿命能够满足最低疲劳寿命要求，则证明该臂架满足疲劳强度的要求，否则证明该臂架不符合疲劳强度的要求，并且根据疲劳损伤较为严重的区域，针对性地提出优化方案。
2.根据权利要求1所述的臂架疲劳分析方法，其特征在于，步骤（1）中所述的臂架参数包括材料属性、密度及弹性模量。
3.根据权利要求1或2所述的臂架疲劳分析方法，其特征在于，步骤（5）中，若在臂架工作时间内已选取足够多的臂架待测模型仍无法减少测量所得数据与实际情况之间的误差，则调整步骤（1）中的三维模型的形状、尺寸参数、相关的约束及求解因素，并返回步骤（3）重新进行。
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