CN113704872A - 一种提高汽车板簧疲劳仿真分析效率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种汽车生产领域，具体是一种汽车板簧疲劳仿真分析方法及提高仿真效率的方法，包括以下步骤：建立基于有限元前处理软件搭建板簧的有限元网格模型；编制定义边界条件自动化处理及应力结果输出和疲劳载荷谱自动化关联模块；对以上自动化模块（类）进行初始化，调用各个有限元模型生成子模块，生成求解应力结果的有限元文件，并提交求解，获得应力结果文件，调用有限元模型结果文件和板簧疲劳载荷自动关联的模块，得到载荷和应力结果关联文件，将载荷应力关联文件和有限元应力结果文件导入疲劳软件求解疲劳结果。本发明将自动化的各个子模块通过类的形式聚合到一个系统中，针对不同板簧，只需要对代码进行微小参数设置即可以将一个类转化为不同的对象，效率提升巨大。
Description
技术领域
本发明涉及一种汽车生产领域，具体是一种提高汽车板簧疲劳仿真分析效率的方法。
背景技术
汽车板簧成本低，维修方便，广泛应用于客车、卡车、皮卡中。在产品开发阶段使用CAE仿真手段对板簧的疲劳寿命进行预测，可以提高板簧质量的稳健性，对提高产品竞争力有重要意义。
板簧疲劳分析步骤较为繁琐，如有限元模型建立完毕后，通常需手动对有限元模型加载力，设置求解结果输出信息，一个板簧疲劳分析需要搭建六个求解模型，每个求解模型有两个载荷步，所以工作量巨大。此外，在疲劳软件中需要对有限元应力结果文件和大量的载荷谱文件进行关联设置，工作量极大，容易出错，为了确保正确性，需要反复检查，导致耗费大量的时间，所以传统疲劳分析周期较长。
申请号为CN201610150625.5的专利公开了一种车辆悬架板簧频域疲劳分析方法，其特征是：针对板簧的预应力和大变形效应，建立自由状态下的板簧几何模型并导入有限元软件中进行分析；通过对板簧座施加位移约束及对前后吊耳处施加理论轴荷获得板簧工作状态下的应力分布进而获得板簧模态结果文件；通过采集车辆在耐久性试验道路上的实验数据，获得相对加速度的功率谱密度；针对获得的板簧模态结果文件，以获得的功率谱密度为载荷输入，在有限元软件中执行随机振动分析，提取虚拟样机在随机激励下的动态响应结果并依照高斯三区间法估算板簧在耐久性试验道路上的疲劳性能。本发明方法结果准确、运算效率高。
为了解决上述板簧应力求解模型载荷加载、结果输出设置，应力结果文件和疲劳载荷谱关联耗时长，效率低的问题，本专利基于计算机编程语言，提出一种规范化及高度自动化的板簧疲劳仿真分析方法，在提高效率及减少人工操作失误带来的计算结果错误方面取得显著的成效，具有很大的工程使用价值，针对这种情况，现提出一种提高汽车板簧疲劳仿真分析效率的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高汽车板簧疲劳仿真分析效率的方法，将自动化的各个子模块通过类的形式聚合到一个系统中，针对不同板簧，只需要对代码进行微小参数设置即可以将一个类转化为不同的对象(实现对不同板簧的自动化处理)，效率提升巨大。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种提高汽车板簧疲劳仿真分析效率的方法，包括以下步骤：
S1：建立基于有限元前处理软件搭建板簧的有限元网格模型，含网格模型，接触模型，所述接触模型确保板簧变形时各片簧不会相互穿透，同时输入板簧材料信息，料厚信息；
S2：编制定义边界条件自动化处理及应力结果和疲劳载荷谱自动化关联模块，共涉及以下几个子模块：
A、初始化模块：将人工处理完毕的有限元模型，加载到自动化系统；
B、约束自动化模块：对初始化的板簧有限元网格模型进行约束边界条件施加，将约束的信息写入到有限元模型中；
C、后处理输出控制自动化模块；它以类的方法的形式存在于类中，对有限元模型自动定义求解时结果输出内容；
D、X、Y、Z向载荷和X、Y、Z向扭矩引起的应力场求解有限元模型自动生成模块；
E、有限元应力场结果和疲劳载荷自动化关联文件生成模块；
S3：对以上自动化模块进行初始化，调用D中各模块，生成求解应力结果的有限元文件，并提交求解，获得应力结果文件，调用E模块，得到载荷和应力关联文件，将载荷应力关联文件和有限元应力结果文件导入疲劳软件求解疲劳结果。
所述初始化初始化模块是对板簧有限元模型的变量进行定义，包括如下内容：
(1)定义步骤S1建立的有限元模型文件的路径及名称；
(2)定义疲劳载荷的存储路径，也就是自动化模块运行后，有限元应力结果模型&疲劳载荷关联的文件会放置于path所指定的位置；
(3)定义Preload为疲劳应力场求解时，板簧的垂向预载荷，即板簧从自由状态，压缩到板簧放置实车上时，板簧的压缩量，本实施例中Preload＝60；
定义FX、FY、FZ分别为板簧在X、Y、Z方向施加的载荷，MX、MY、MZ分别为板簧在X、Y、Z方向施加的扭矩；
(4)对行为类进行定义和初始化，通过file名称将有限元模型导入类中。
所述约束自动化模块，即对初始化的板簧有限元网格模型进行约束边界条件施加，将约束的信息写入到有限元模型中，约束的边界条件包括：位移边界、前卷耳1的自由度、后卷耳3的自由度；前卷耳1和后卷耳3的自由度约束包括：X、Y、Z方向的移动自由度和转动自由度，其中，以整车行驶方向的正前方作为X轴正向建立O-XYZ空间直角坐标系，Y向为整车左右方向，Z向代表整车上下方向；0表示约束的位移为0，即不可以运动。
所述的X、Y、Z向载荷和X、Y、Z向扭矩引起的应力场求解有限元模型自动生成模块，其具体含义为：
该模块引用初始化模块导入到类对象中的有限元模型，基于已经完成的有限元模型，调用边界约束模块，对板簧进行自动化约束施加，施加板簧预载，将板簧从自由夹紧状态压缩到耐久路试时候的平衡状态，即在板簧座施加Z向位移，使得板簧的状态和实车静止状态一致，完成预载后，调用C中所述的结果输出设置模块，设定板簧在预载荷工况下的结果输出信息，其中包括控制结果输出的帧数；
X向载荷引起的应力场求解有限元模型自动生成模块：在预载模型基础上，施加FX载荷，即在板簧座施加X向载荷，完成加载后，调用C中所述的结果输出设置模块，设定板簧在预载荷工况下的结果输出信息，其中包括控制结果输出的帧数；最后输出有限元模型文件，用于求解Fx引起的板簧应力场；
Y、Z向载荷和X、Y、Z向扭矩的应力场生成方法与上述X引起的板簧应力场的生成方法类似，只需要把上面X向的载荷更换为相应方向的载荷和扭矩即可。
有限元应力场结果和疲劳载荷自动化关联文件生成模块的含义为；根据板簧求解疲劳的疲劳寿命计算软件载荷文件关联范式，生成有限元结果和道路载荷关联文件；1表示FX加载模型的第1个载荷步的结果，2表示FX的结果文件的第二个载荷步的结果，因为疲劳求解时候是把Fx.inp，Fy.inp，Fz.inp，Tx.inp，Ty.inp，Tz.inp有限元模型的求解结果文件一起放入疲劳软件，所以他们的载荷步的序号会依次叠加，比如Fy.inp的结果文件的载荷步在疲劳软件中分别为3和4，Fz.inp的结果文件的载荷步在疲劳软件中分别为5和6，其他依次类推，ScaleFactor＝″-1″表示设置ScaleFactor的值为-1，指定疲劳载荷所在路径并运行fatigue模块后，会生成dcy文件。
所述步骤S3的详细步骤为：
获取指定的载荷文件夹下所有的文件名称，并将所有的文件名称以列表形式放入files列表；
(1)对列表files进行逐一遍历，对每个遍历到的载荷名称进行分析，分析在文件名是否包含.rsp的后缀，如果是则说明该文件是疲劳载荷文件；
(2)loadcase Chan＝“1”表示疲劳载荷中的FX载荷谱的载荷通道是1，依次类推，2，3，4，5，6分别表示Fy，Fz，Tx，Ty，Tz道路载荷谱的通道序号；Divider＝“’+str(FX)‘“表示设置Divider的数值为前面定义的变量FX的大小；
(3)Testname＝″'+file+'；ats；c1-13″中的+file+会转化为列表中遍历到的含有rsp后缀的文件名，FELoadCase＝″1″设置有限元结果文件的载荷步的编号，1表示FX加载模型的第1个载荷步的结果，2表示FX的结果文件的第二个载荷步的结果(包含第一步施加的预载)，因为疲劳求解时候是把Fx.inp，Fy.inp，Fz.inp，Tx.inp，Ty.inp，Tz.inp有限元模型的求解结果文件一起放入疲劳软件，所以他们的载荷步的序号会依次叠加，比如Fy.inp的结果文件的载荷步在疲劳软件中分别为3和4，Fz.inp的结果文件的载荷步在疲劳软件中分别为5和6，其他依次类推；ScaleFactor＝″-1″表示设置ScaleFactor的值为-1，指定疲劳载荷所在路径并运行fatigue模块后，会生成dcy文件；
(4)将所述有限元结果应力场结果和载荷关联文件导入疲劳软件进行疲劳寿命求解，疲劳软件将FX，FY，FZ，TX，TY，TZ各个方向载荷导致的应力场进行叠加，获得总的应力的应力时间历程；
σ(t)＝σx(t)+σy(t)+σz(t)+σTx(t)+σTy(t)+σTz(t)
σx(t)表示Fx引起的应力时间历程，即应力随时间的变化曲线；
相应的，σy(t)、σz(t)、σTx(t)、σTy(t)、σTz(t)分别代表FX，FY，FZ，TX，TY，TZ引起的应力时间历程，
σfx-preload表示板簧有限元模型FX.inp文件中，第一个载荷步施加垂向预载作用下的应力结果；
preload-60mm的应力结果中，σfx-Fx是在预载的基础上，施加Fx方向载荷的求解得到的第二个载荷步的结果，该部分结果应力包含了垂向(z向)预载荷和fx载荷共同作用的结果，所以σfx-Fx-σfx-preload即为Fx方向载荷引起的应力的增量；
其中
(5)针对不同的路试工况即对应的不同的载荷谱，在疲劳软件中指定实际的路试循环次数，在疲劳软件中输入板簧材料的S-N(应力-寿命)曲线参数，疲劳软件将根据上一步获得的每个单元的应力时间历程σ(t)进行雨流计数，获得不同应力幅Sa(含均值)的计数次数，对平均应力不为0的应力幅进行幅值修正，等效计算为平均应力为0时的等效应力幅Sami，然后根据材料的S-N曲线，计算不同等效应力幅Sami对板簧造成的疲劳损伤并进行线性叠加获得总损伤D，
其中，Ni为等效应力幅为Sami时，板簧对应的可循环寿命次数，ni表示等效应力幅为sami的在耐久路试中实际受到的循环次数，i为等效应力幅的序号，最后计算疲劳寿命，疲劳寿命L为总损伤值的倒数，即L＝1/D。
本发明的有益效果：
本发明将自动化的各个子模块通过类的形式聚合到一个系统中，针对不同板簧，只需要对代码进行微小参数设置即可以将一个类转化为不同的对象(实现对不同板簧的自动化处理)，效率提升巨大。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明板簧自由夹紧状态的CAD模型示意图；
图2是本发明板簧的有限元模型意图；
图3是本发明板簧的约束结果示意图；
图4是本发明预载前后的状态示意图；
图5为板簧座受到的随时间变化的载荷谱示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种提高汽车板簧疲劳仿真分析效率的方法，包括以下步骤：
S1：建立基于有限元前处理软件搭建板簧的有限元网格模型，含网格模型，自接触模型，所述自接触模型模拟的是板簧的装配状态，是指利用螺栓和板簧座的夹持，将各簧片装配成曲率相同的整体构件，在簧片上形成预应力，板簧各片之间呈相互接触状态，但要确保板簧变形时各片簧不会相互穿透，同时输入板簧材料信息，料厚信息；
S2：编制定义边界条件自动化处理及应力结果和疲劳载荷谱自动化关联模块，共涉及以下几个子模块：
A.初始化模块；
将人工处理完毕的有限元模型，加载到自动化系统；
该自动化系统可以基于任何面向对象编程语言进行编写，本专利基于python编程语言进行编写。本自动化系统将自动化的各个子模块通过类的形式聚合到一个系统中，针对不同板簧，只需要对代码进行微小参数设置即可以将一个类转化为不同的对象(实现对不同板簧的自动化处理)，效率巨大提升。
初始化模块主要内容是对板簧有限元模型的变量进行定义，包括如下内容：
A1.定义步骤一建立的有限元模型文件的路径及名称；
A2.定义疲劳载荷存储的路径，也是自动化模块运行后，有限元应力结果模型&疲劳载荷
关联的文件会放置于path所指定的位置；
A3.定义对有限元模型施加的如下载荷量：
Preload：疲劳应力场求解时，板簧的垂向预载荷，即板簧从自由状态，压缩到板簧放置实车上时，板簧的压缩量。
FX：板簧在X方向施加的载荷；
FY：板簧在Y方向施加的载荷；
FZ：板簧在Z方向施加的载荷；
MX:板簧在X方向施加的扭矩；
MY:板簧在Y方向施加的扭矩；
MZ:板簧在Z方向施加的扭矩；
A4.对行为类进行定义和初始化，通过file名称将有限元模型的信息导入类中；
B.约束自动化模块：对初始化的板簧有限元网格模型进行约束边界条件施加，将约束的信息写入到有限元模型中。
约束的边界条件包括：位移边界、前卷耳1的自由度、后卷耳3的自由度；
前卷耳1和后卷耳3的自由度约束包括：
X、Y、Z方向的移动自由度和转动自由度，其中，以整车行驶方向的正前方作为X轴正向建立O-XYZ空间直角坐标系，Y向为整车左右方向，Z向代表整车上下方向。0表示约束的位移为0，即不可以运动。
C.后处理输出控制自动化模块；它以类的方法的形式存在于类中。对有限元模型自动定义求解时结果输出内容；
D.X、Y、Z向载荷和X、Y、Z向扭矩引起的应力场求解有限元模型自动生成模块；
该模块引用初始化模块导入到类对象中的有限元模型，基于已经完成的有限元模型，调用边界约束模块，对板簧进行自动化约束施加，施加板簧预载，将板簧从自由夹紧状态压缩到耐久路试时候的平衡状态，即在板簧座(板簧和车桥连接处)施加Z向位移，使得板簧的状态和实车静止状态一致，完成预载后，调用C中所述的结果输出设置模块，设定板簧在预载荷工况下的结果输出信息，其中包括控制结果输出的帧数(本例设定为1，即只输出最终的结果-应力场文件)。在预载模型基础上，施加FX载荷，即在板簧座(板簧和车桥连接处)施加X向载荷，完成加载后，调用C中所述的结果输出设置模块，设定板簧在预载荷工况下的结果输出信息，其中包括控制结果输出的帧数(本例设定为1，即只输出最终的结果-应力场文件)；最后输出有限元模型文件，用于求解Fx引起的板簧应力场；
Y、Z向载荷和X、Y、Z向扭矩的应力场生成方法与上述X引起的板簧应力场的生成方法类似，只需要把上面X向的载荷更换为相应方向的载荷和扭矩即可。
E.有限元应力场结果和疲劳载荷自动化关联文件生成模块；根据板簧求解疲劳的疲劳寿命计算软件载荷文件关联范式(有限元仿真输出应力结果文件和载荷谱文件的关联的格式)，生成有限元结果和道路载荷关联文件；1表示FX加载模型的第1个载荷步的结果，2表示FX的结果文件的第二个载荷步的结果(包含第一步施加的预载)，因为疲劳求解时候是把Fx.inp，Fy.inp，Fz.inp，Tx.inp，Ty.inp，Tz.inp有限元模型的求解结果文件一起放入疲劳软件，所以他们的载荷步的序号会依次叠加，比如Fy.inp的结果文件的载荷步在疲劳软件中分别为3和4，Fz.inp的结果文件的载荷步在疲劳软件中分别为5和6，其他依次类推。
ScaleFactor＝″-1″表示设置ScaleFactor的值为-1。指定疲劳载荷所在路径并运行fatigue模块后，会生成dcy文件。
S3：对以上自动化模块进行初始化，调用D中各个有限元模型自动生成模块，生成求解应力结果的有限元文件，并提交求解，获得应力结果文件，调用E模块，得到载荷和应力关联文件，将载荷应力关联文件和有限元应力结果文件导入疲劳软件求解疲劳结果。
实施例1
S1.打开有限元前处理软件hypermesh，切换到ABAQUS建模模块，将设计部门输入的板簧自由夹紧状态的CAD模型，进行有限元建模，获得板簧的有限元模型，即自接触模型，模拟的是板簧的装配状态，是指利用螺栓和板簧座的夹持，将各簧片装配成曲率相同的整体构件，在簧片上形成预应力，板簧各片之间呈相互接触状态，但要确保板簧变形时各片不会相互穿透，如图1、图2所示，并对板簧外联点进行编号，板簧外联点指的是板簧和其他系统连接的网格节点，通过刚性单元将板簧卷耳单元连接到卷耳孔中心，中心点为外联点，图2中，1为前卷耳，3为后卷耳，2为板簧座，板簧座2也是用刚性单元连接到板簧U型螺栓夹紧区域内单元上，刚性单元中点在板簧U型螺栓加紧区域的中心位置；
S2.编制定义边界条件自动化处理及应力结果和疲劳载荷谱自动化关联模块，该步骤主要涉及以下A、B、C、D、E五个模块。
A.初始化模块：将人工处理完毕的有限元模型，加载到自动化系统；
该自动化系统可以基于任何面向对象编程语言进行编写，本专利基于python编程语言进行编写，本自动化系统将自动化的各个子模块通过类的形式聚合到一个系统中，针对不同板簧，只需要对代码进行微小参数设置即可以将一个类转化为不同的对象，实现对不同板簧的自动化处理，效率提升巨大。
在该模块中，对板簧有限元模型的变量进行定义，包括如下内容：
(1)定义步骤S1建立的有限元模型文件的路径及名称；
(2)定义疲劳载荷的存储路径，也就是自动化模块运行后，有限元应力结果模型&疲劳载荷关联的文件会放置于path所指定的位置；
(3)定义Preload为疲劳应力场求解时，板簧的垂向预载荷，即板簧从自由状态，压缩到板簧放置实车上时，板簧的压缩量，本实施例中Preload＝60；
定义FX、FY、FZ分别为板簧在X、Y、Z方向施加的载荷，MX、MY、MZ分别为板簧在X、Y、Z方向施加的扭矩；
本实施例中，FX＝6000、FY＝6000、FZ＝6000，MX＝100000、MY＝100000、MZ＝100000；
(4)对行为类进行定义和初始化，通过file名称将有限元模型导入类中。
B.边界约束模块：对初始化的板簧有限元网格模型进行约束边界条件施加，约束定义是通过将约束的信息写入到有限元模型中，运行该子模块后，板簧约束结果如图3所示。
约束的边界条件包括：位移边界、前卷耳1的自由度、后卷耳3的自由度；
前卷耳1和后卷耳3的自由度约束包括：
X、Y、Z方向的移动自由度和转动自由度，其中，以整车行驶方向的正前方作为X轴正向建立O-XYZ空间直角坐标系，Y向为整车左右方向，Z向代表整车上下方向。0表示约束的位移为0，即不可以运动。
C.结果输出设置模块，对有限元模型自动定义求解时结果输出内容，通过该模块，将有限元仿真输出内容写入到有限元模型中。
该模块设置的内容有：ABAQUS软件定义输出的格式，输出的类型为场变量FIELD，interval＝1表示输出仅仅为最后一步结果文件，定义是声明节点输出的是位移场，定义声明单元输出内容为PEEQ(等效塑性应变)，定义输出的内容为应力，最后输出定义部分结束。
D.X、Y、Z方向施加的载荷和X、Y、Z方向施加的扭矩引起的应力场求解有限元模型自动生成模块：
(1)X向载荷引起的应力场求解有限元模型自动生成模块，该模块引用初始化模块导入到类对象中的有限元模型，基于已经完成的有限元模型，调用边界约束模块，对板簧进行自动化约束施加，施加板簧预载如图4所示，将板簧从自由夹紧状态压缩到耐久路试时候的平衡状态，即在板簧座(板簧和车桥连接处)施加Z向位移，使得板簧的状态和实车静止状态一致，完成预载后，调用结果输出设置模块，设定板簧在预载荷工况下的结果输出信息，其中包括控制结果输出的帧数(本例设定为1，即只输出最终的结果-应力场文件)。
在预载模型基础上，在板簧座处施加FX载荷，完成加载后，调用4中所述的结果输出设置模块，设定板簧在预载荷工况下的结果输出信息，其中包括控制结果输出的帧数(本例设定为1，即只输出最终的结果-应力场文件)；最后输出有限元模型文件，用于求解FX引起的板簧应力场；
(2)Y、Z方向施加的载荷和X、Y、Z方向施加的扭矩引起的应力场求解有限元模型自动生成模块，该模块类似于上述X向载荷引起的应力场求解有限元模型自动生成模块，载荷加载模块仅需将X向载荷更改为Y、Z方向施加的载荷和X、Y、Z方向施加的扭矩即可。
E.有限元应力场结果和疲劳载荷自动化关联文件生成模块。
对以上自动化模块进行初始化，调用各个D中的各模块，即X、Y、Z方向施加的载荷和X、Y、Z方向施加的扭矩引起的应力场求解有限元模型自动生成模块，生成求解应力结果的有限元文件，并提交求解，获得应力结果文件，调用E模块，得到载荷和应力关联文件.
S3.将载荷应力关联文件和有限元应力结果文件导入疲劳软件求解疲劳结果。
根据板簧求解疲劳的疲劳寿命计算软件载荷文件关联范式(有限元仿真输出应力结果文件和载荷谱文件的关联的格式)，生成有限元结果和道路载荷关联文件。
具体操作步骤为：
获取指定的载荷文件夹下所有的文件名称，并将所有的文件名称以列表形式放入files列表(列表类似数组)；
(1)对列表files进行逐一遍历，146对每个遍历到的载荷名称进行分析，分析在文件名是否包含.rsp的后缀，如果是则说明该文件是疲劳载荷文件；
(2)loadcase Chan＝“1”表示疲劳载荷中的FX载荷谱的载荷通道是1，依次类推，2，3，4，5，6分别表示Fy，Fz，Tx，Ty，Tz道路载荷谱的通道序号；Divider＝“’+str(FX)‘“表示设置Divider的数值为前面定义的变量FX的大小；
(3)Testname＝″’+file+’；ats；c1-13″中的+file+会转化为列表中遍历到的含有rsp后缀的文件名，FELoadCase＝″1″设置有限元结果文件的载荷步的编号，1表示FX加载模型的第1个载荷步的结果，2表示FX的结果文件的第二个载荷步的结果(包含第一步施加的预载)，因为疲劳求解时候是把Fx.inp，Fy.inp，Fz.inp，Tx.inp，Ty.inp，Tz.inp有限元模型的求解结果文件一起放入疲劳软件，所以他们的载荷步的序号会依次叠加，比如Fy.inp的结果文件的载荷步在疲劳软件中分别为3和4，Fz.inp的结果文件的载荷步在疲劳软件中分别为5和6，其他依次类推。ScaleFactor＝″-1″表示设置ScaleFactor的值为-1。指定疲劳载荷所在路径并运行fatigue模块后，会生成dcy文件。
(4)将所述有限元结果应力场结果和载荷关联文件导入疲劳软件进行疲劳寿命求解，疲劳软件将FX，FY，FZ，TX，TY，TZ各个方向载荷导致的应力场进行叠加，获得总的应力的应力时间历程。
σ(t)＝σx(t)+σy(t)+σz(t)+σTx(t)+σTy(t)+σTz(t)
σx(t)表示Fx引起的应力时间历程，即应力随时间的变化曲线；
相应的，σy(t)、σz(t)、σTx(t)、σTy(t)、σTz(t)分别代表FX，FY，FZ，TX，TY，TZ引起的应力时间历程。
σfx-preload表示板簧有限元模型FX.inp文件中，第一个载荷步施加垂向预载作用下的应力结果；
σfx-Fx是在预载的基础上，施加Fx方向载荷的求解得到的第二个载荷步的结果，该部分结果应力包含了垂向(z向)预载荷和fx载荷共同作用的结果，所以σfx-Fx-σfx-preload即为Fx方向载荷引起的应力的增量。
其中
(5)针对不同的路试工况即对应的不同的载荷谱，在疲劳软件中指定实际的路试循环次数，在疲劳软件中输入板簧材料的S-N(应力一寿命)曲线参数。疲劳软件将根据上一步获得的每个单元的应力时间历程σ(t)进行雨流计数，获得不同应力幅Sa(含均值)的计数次数，对平均应力不为0的应力幅进行幅值修正，等效计算为平均应力为0时的等效应力幅Sami，然后根据材料的S-N曲线，计算不同等效应力幅Sami对板簧造成的疲劳损伤并进行线性叠加获得总损伤D，
其中，Ni为等效应力幅为Sami时，板簧对应的可循环寿命次数，ni表示等效应力幅为sami的在耐久路试中实际受到的循环次数，i为等效应力幅的序号，最后计算疲劳寿命，疲劳寿命L为总损伤值的倒数，即L＝1/D。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (6)
1.一种提高汽车板簧疲劳仿真分析效率的方法，包括以下步骤：
S1：建立基于有限元前处理软件搭建板簧的有限元网格模型，含网格模型，接触模型，所述接触模型确保板簧变形时各片簧不会相互穿透，同时输入板簧材料信息，料厚信息；
S2：编制定义边界条件自动化处理及应力结果和疲劳载荷谱自动化关联模块，共涉及以下几个子模块：
A、初始化模块：将人工处理完毕的有限元模型，加载到自动化系统；
B、约束自动化模块：对初始化的板簧有限元网格模型进行约束边界条件施加，将约束的信息写入到有限元模型中；
C、后处理输出控制自动化模块；它以类的方法的形式存在于类中，对有限元模型自动定义求解时结果输出内容；
D、X、Y、Z向载荷和X、Y、Z向扭矩引起的应力场求解有限元模型自动生成模块；
E、有限元应力场结果和疲劳载荷自动化关联文件生成模块；
S3：对以上自动化模块进行初始化，调用D中各模块，生成求解应力结果的有限元文件，并提交求解，获得应力结果文件，调用E模块，得到载荷和应力关联文件，将载荷应力关联文件和有限元应力结果文件导入疲劳软件求解疲劳结果。
2.根据权利要求1所述的一种提高汽车板簧疲劳仿真分析效率的方法，其特征在于：所述初始化初始化模块是对板簧有限元模型的变量进行定义，包括如下内容：
(1)定义步骤S1建立的有限元模型文件的路径及名称；
(2)定义疲劳载荷的存储路径，也就是自动化模块运行后，有限元应力结果模型&疲劳载荷关联的文件会放置于path所指定的位置；
(3)定义Preload为疲劳应力场求解时，板簧的垂向预载荷，即板簧从自由状态，压缩到板簧放置实车上时，板簧的压缩量，本实施例中Preload＝60；
定义FX、FY、FZ分别为板簧在X、Y、Z方向施加的载荷，MX、MY、MZ分别为板簧在X、Y、Z方向施加的扭矩；
(4)对行为类进行定义和初始化，通过file名称将有限元模型导入类中。
3.根据权利要求1所述的一种提高汽车板簧疲劳仿真分析效率的方法，其特征在于：所述约束自动化模块，即对初始化的板簧有限元网格模型进行约束边界条件施加，将约束的信息写入到有限元模型中，约束的边界条件包括：位移边界、前卷耳的自由度、后卷耳的自由度；前卷耳和后卷耳的自由度约束包括：X、Y、Z方向的移动自由度和转动自由度，其中，以整车行驶方向的正前方作为X轴正向建立0-XYZ空间直角坐标系，Y向为整车左右方向，Z向代表整车上下方向；0表示约束的位移为0，即不可以运动。
4.根据权利要求1所述的一种提高汽车板簧疲劳仿真分析效率的方法，其特征在于：所述的X、Y、Z向载荷和X、Y、Z向扭矩引起的应力场求解有限元模型自动生成模块，其具体含义为：
该模块引用初始化模块导入到类对象中的有限元模型，基于已经完成的有限元模型，调用边界约束模块，对板簧进行自动化约束施加，施加板簧预载，将板簧从自由夹紧状态压缩到耐久路试时候的平衡状态，即在板簧座施加Z向位移，使得板簧的状态和实车静止状态一致，完成预载后，调用C中所述的结果输出设置模块，设定板簧在预载荷工况下的结果输出信息，其中包括控制结果输出的帧数；
X向载荷引起的应力场求解有限元模型自动生成模块：在预载模型基础上，施加FX载荷，即在板簧座施加X向载荷，完成加载后，调用C中所述的结果输出设置模块，设定板簧在预载荷工况下的结果输出信息，其中包括控制结果输出的帧数；最后输出有限元模型文件，用于求解Fx引起的板簧应力场；
Y、Z向载荷和X、Y、Z向扭矩的应力场生成方法与上述X引起的板簧应力场的生成方法类似，只需要把上面X向的载荷更换为相应方向的载荷和扭矩即可。
5.根据权利要求1所述的一种提高汽车板簧疲劳仿真分析效率的方法，其特征在于：有限元应力场结果和疲劳载荷自动化关联文件生成模块的含义为；根据板簧求解疲劳的疲劳寿命计算软件载荷文件关联范式，生成有限元结果和道路载荷关联文件；1表示FX加载模型的第1个载荷步的结果，2表示FX的结果文件的第二个载荷步的结果，因为疲劳求解时候是把Fx.inp，Fy.inp，Fz.inp，Tx.inp，Ty.inp，Tz.inp有限元模型的求解结果文件一起放入疲劳软件，所以他们的载荷步的序号会依次叠加，比如Fy.inp的结果文件的载荷步在疲劳软件中分别为3和4，Fz.inp的结果文件的载荷步在疲劳软件中分别为5和6，其他依次类推，ScaleFactor＝″-1″表示设置ScaleFactor的值为-1，指定疲劳载荷所在路径并运行fatigue模块后，会生成dcy文件。
6.根据权利要求1所述的一种提高汽车板簧疲劳仿真分析效率的方法，其特征在于：所述步骤S3的详细步骤为：
获取指定的载荷文件夹下所有的文件名称，并将所有的文件名称以列表形式放入files列表；
(1)对列表files进行逐一遍历，对每个遍历到的载荷名称进行分析，分析在文件名是否包含.rsp的后缀，如果是则说明该文件是疲劳载荷文件；
(2)loadcase Chan＝“1”表示疲劳载荷中的FX载荷谱的载荷通道是1，依次类推，2，3，4，5，6分别表示Fy，Fz，Tx，Ty，Tz道路载荷谱的通道序号；Divider＝“’+str(FX)‘“表示设置Divider的数值为前面定义的变量FX的大小；
(3)Testname＝″’+file+’；ats；c1-13″中的+file+会转化为列表中遍历到的含有rsp后缀的文件名，FELoadCase＝″1″设置有限元结果文件的载荷步的编号，1表示FX加载模型的第1个载荷步的结果，2表示FX的结果文件的第二个载荷步的结果(包含第一步施加的预载)，因为疲劳求解时候是把Fx.inp，Fy.inp，Fz.inp，Tx.inp，Ty.inp，Tz.inp有限元模型的求解结果文件一起放入疲劳软件，所以他们的载荷步的序号会依次叠加，比如Fy.inp的结果文件的载荷步在疲劳软件中分别为3和4，Fz.inp的结果文件的载荷步在疲劳软件中分别为5和6，其他依次类推；ScaleFactor＝″-1″表示设置ScaleFactor的值为-1，指定疲劳载荷所在路径并运行fatigue模块后，会生成dcy文件；
(4)将所述有限元结果应力场结果和载荷关联文件导入疲劳软件进行疲劳寿命求解，疲劳软件将FX，FY，FZ，TX，TY，TZ各个方向载荷导致的应力场进行叠加，获得总的应力的应力时间历程；
σ(t)＝σx(t)+σy(t)+σz(t)+σTx(t)+σTy(t)+σTz(t)
σx(t)表示Fx引起的应力时间历程，即应力随时间的变化曲线；
相应的，σy(t)、σz(t)、σTx(t)、σTy(t)、σTz(t)分别代表FX，FY，FZ，TX，TY，TZ引起的应力时间历程，
σfx-preload表示板簧有限元模型FX.inp文件中，第一个载荷步施加垂向预载作用下的应力结果；
preload-60mm的应力结果中，σfx-Fx是在预载的基础上，施加Fx方向载荷的求解得到的第二个载荷步的结果，该部分结果应力包含了垂向(z向)预载荷和fx载荷共同作用的结果，所以σfx-Fx-σfx-preload即为Fx方向载荷引起的应力的增量；
其中
(5)针对不同的路试工况即对应的不同的载荷谱，在疲劳软件中指定实际的路试循环次数，在疲劳软件中输入板簧材料的S-N(应力-寿命)曲线参数，疲劳软件将根据上一步获得的每个单元的应力时间历程σ(t)进行雨流计数，获得不同应力幅Sa(含均值)的计数次数，对平均应力不为0的应力幅进行幅值修正，等效计算为平均应力为0时的等效应力幅Sami，然后根据材料的S-N曲线，计算不同等效应力幅Sami对板簧造成的疲劳损伤并进行线性叠加获得总损伤D，
其中，Ni为等效应力幅为Sami时，板簧对应的可循环寿命次数，ni表示等效应力幅为sami的在耐久路试中实际受到的循环次数，i为等效应力幅的序号，最后计算疲劳寿命，疲劳寿命L为总损伤值的倒数，即L＝1/D。
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| KR20010010575A (ko) * | 1999-07-21 | 2001-02-15 | 정몽규 | 차량의 리프 스프링 피로수명 예측 방법 |
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| CN105808872A (zh) * | 2016-03-15 | 2016-07-27 | 合肥工业大学 | 一种车辆悬架钢板弹簧频域疲劳分析方法 |
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| CN116842663B (zh) * | 2023-08-31 | 2023-12-08 | 华东交通大学 | 一种基于机器学习的汽车板簧非线性时变应力值测量方法 |
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