基于结构疲劳寿命可视化技术的虚拟疲劳设计
论文关键词:有限元软件;疲劳寿命预测;寿命可视化;虚拟疲劳设计
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论文摘要:介绍了大型图形用户界面有限元软件、疲劳寿命预测模型、疲劳寿命可视化方法等结构疲劳寿命可视化相关技术。分析了我国机械产品虚拟疲劳设计的应用现状和提高产品设计水平的迫切性;阐述了基于“全场”疲劳寿命可视化技术的产品虚拟疲劳设计构想。以有限元软件ANSYS为平台，采用自行开发的疲劳寿命可视化模块Fatigue/ANSYS对某飞机起落架框进行了疲劳寿命可视化分析及虚拟疲劳设计优化。
疲劳是结构在循环载荷作用下的一种失效形式。机械构件中80%以上的破坏为疲劳失效，因此，疲劳设计成为产品设计过程中的重要环节。
1、结构疲劳寿命可视化技术
1. 1结构疲劳寿命可视化平台—图形用户界面有限元软件
随着有限元法及数值模拟技术在工程中的广泛应用，出现了一批面向工程的著名有限元软件，如ANSYS,NASTRAN等。这些软件将有限元分析、计算机图形学和优化技术紧密结合，已成为解决现代工程问题必不可少的工具，且一般都具有通用的数据接口、友好的图形用户界面、开放的二次开发功能等特点。
当使用这些有限元软件对产品结构进行应力分析后，再结合具体的应力谱、材料的疲劳性能参数、适当的疲劳寿命预测模型、应力“准静态叠加法”以及这些软件的二次开发功能便可计算出模型上每点的疲劳寿命，进而将寿命结果在这些有限元软件的图形窗体中显示，即可实现结构“全场”疲劳寿命的可视化。
1. 2疲劳寿命可视化寿命预测模型
自从19世纪中期Wohler提出S一N曲线以及疲劳极限的概念至今，人们发展了各种各样的疲劳寿命预测方法。其中，S一N应力寿命法、∈一N局部应变法，以及基于断裂力学理论的疲劳裂纹扩展寿命方法已成为3种经典的疲劳寿命预测方法。要实现结构疲劳寿命的可视化，必须计算出结构中每一点的疲劳寿命，显然，选择S一N应力寿命法和￡一N局部应变法较为方便。
(1)S一N应力寿命法 S一N应力寿命法是以应力循环为参量的结构寿命预测方法，通常用于低应力高周次的疲劳寿命预测。它包括名义应力法、DFR法等，其基本思路是通过试样测得材料的S一N曲线。由于试样和实际构件之间存在着如平均应力、应力集中、表面质量、试样几何尺寸等的差异，需对S一N曲线进行修正;为了更合理地反映实际的疲劳载荷情况，可采用雨流技术对循环载荷进行计数，并结合Miner线性累积损伤准则计算寿命。
(2)∈一N局部应丈法 ∈一N局部应变法是一种基于结构局部细节应力应变历程而发展起来的疲劳寿命预测方法，目前已在工程中得到了广泛应用。在寿命估算中，∈一N局部应变法需要从应变控制的标准光滑试样试验获取材料∈一N曲线以及循环应力应变曲线，然后根据修正的Neuber方法，从局部的弹性应力应变计算出该处的弹塑性应力应变历程，再用雨流计数法计数，最后采用Miner线性累积损伤准则计算出寿命。￡一N局部应变法主要适用于高应力低周次的疲劳寿命估算。
(3)其它夜劳寿命预侧方法尽管基于断裂力学的裂纹扩展寿命方法主要用于较长裂纹的损伤容限分析，但近些年来，该方法有被拓展到结构耐久性分析领域的趋势。因此，该方法可望在结构疲劳寿命可视化分析中得到应用，并发挥其独特的优势。
除了以上的疲劳寿命以外，许多较为复杂的疲劳理论模型也有望在相关结构的疲劳寿命可视化分析中得到体现。这些方法中较有代表性的有如下几种:①考虑多轴应力的影响，如疲劳能量方法、多轴疲劳理论，磨损疲劳、接触疲劳等;②考虑环境因素影响，如热机疲劳、变疲劳、腐蚀疲劳、电致疲劳等;③考虑材料结构因素，如复合材料疲劳、界面疲劳等。
1. 3结构疲劳寿命可视化实现方法
如图1所示，结构疲劳寿命可视化实现方法可分为如下几个步骤:①把CAD系统下生成的几何模型传人有限元分析软件，并对其进行应力分析;②根据应力计算结果，采用应力准静态叠加法则，并结合具体的应力谱、材料疲劳性能参数、适当的疲劳寿命预测模型计算出模型上每点的疲劳寿命;③通过有限元软件的宏命令使模型每点的疲劳寿命在有限元软件的图形窗体中显示，即实现结构“全场”疲劳寿命的可视化。
这里需要说明几点:①结构疲劳寿命可视化实现方法的第二步可由VC.VB等语言开发的外部模块—疲劳寿命可视化模块来完成;②结构上的很大一部分点应力可能很小，寿命很长，即出现所谓的无限寿命(如大于108载荷循环)，对于这些点，其寿命可以在分析时直接赋于某一约定的长寿命值，如108载荷循环;③为了直观，寿命可用对数寿命lg(N)显示;④采用图1疲劳寿命可视化方法不但可以直观地观察结构“全场”的疲劳寿命分布，而且还可以给出该结构的疲劳寿命。
2、基于疲劳寿命可视化技术的虚拟疲劳设计构想
2. 1我国机械产品开发中虚拟疲劳设计思想的应用现状
目前，基于结构全场疲劳寿命可视化技术的虚拟疲劳设计思想已在一些世界级的企业集团中得到了广泛应用，在机械产品开发设计中发挥的巨大作用已产生了显著的经济效益。但是，我国的机械产品10多年来一直徘徊在传统的基于试验的“设计一试验一调整”的开发层次上，产品设计水平和发达国家之间有较大差距。我国拥有较大的疲劳断裂研究队伍，但疲劳断裂知识在产品设计中的应用水平却相对较低，基于结构疲劳寿命可视化技术的虚拟疲劳设计思想的应用仅刚刚起步。
2. 2基于疲劳寿命可视化技术的虚拟疲劳设计构想
图2给出了传统基于试验的“设计一试验一调整”的产品设计方案。从图2可以看出，在传统产品设计过程中，尽管设计人员在设计阶段对产品的寿命进行了简单估算，但这种设计寿命和实际产品寿命往往相差甚远，实际产品寿命仍须等到产品样机制造完成或试验阶段才能得到验证。图3给出了一种新的一体化产品设计方案。从图中可以看出，该方案在传统的设计方案中引人了基于疲劳寿命可视化技术的虚拟疲劳设计思想。也就是说，在实物样机生产之前，通过虚拟环境下的疲劳寿命可视化技术对虚拟样机进行全场的疲劳寿命分析与设计优化，并使得第一个实物样机一经生产便已是一个经过疲劳优化了的好产品。这样，大大避免设计的盲目性，提高了实物样机第一次就能通过疲劳试验的可能性，从而缩短了产品的开发周期。与传统基于试验的“设计一试验一调整”的产品设计相比有如下优点:以疲劳寿命为设计目标;试验只对“好”设计进行;“全场”疲劳寿命可视化，产品结构的寿命分布直观;不同设计方案设计的产品寿命评估更方便;试验与理论紧密配合，理论指导试验，试验验证理论;产品的设计是经过基于“全场”疲劳寿命分布优化的;产品性能好、开发周期短、开发成本低。
3、基于疲劳寿命可视化技术的虚拟疲劳设计应用实例
我们用VB语言开发了以ANSYS为平台的疲劳寿命可视化外部模块—Fatigue/ ANSYS。用户用ANSYS对模型进行应力分析后，点击该模块便可以获得模型上的各节点的疲劳寿命，并实现全场疲劳寿命的可视化。该模块也可以与其它大型商业有限元软件和结构优化软件联合使用，可以根据用户需求提供各种寿命分析方法和模型选项。
笔者用ANSYS对某飞机起落架框进行静力分析的应力结果。起落架框的材料为Lc9cgs铝合金;载荷谱为含13000载荷循环的某飞机起落架简化谱;载荷作用于轴架孔的内侧。使用疲劳寿命可视化模块Fatigue/ ANSYS。
这里需要说明的是，该疲劳寿命计算的方法选取了航空领域普遍使用的DFR方法。
起落架框的最危险点(寿命最短)位于轴架、加强肋和框板三者之间的夹角处。为此，笔者在虚拟环境下，对模型该处及其它各处的倒角进行了多次调整(增大/减小倒角)，并进行相应的疲劳寿命可视化分析，即疲劳设计优化。结果发现，合理的倒角布局可以使该起落架框的疲劳寿命及其分布得到较大的改善。
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