耐久性分析包括材料的疲勞壽命預(yù)測(cè)，是計(jì)算機(jī)輔助工程中非常重要的一部分。它能提供關(guān)于產(chǎn)品使用壽命的寶貴信息，影響客戶(hù)體驗(yàn)和滿(mǎn)意度。富世華集團(tuán)是一家戶(hù)外動(dòng)力產(chǎn)品生產(chǎn)商，該集團(tuán)將 MSC 軟件的 Nastran 嵌入式疲勞（NEF）軟件作為高效優(yōu)化疲勞分析流程的核心。

產(chǎn)品中任何部位的疲勞都是由二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)引起的，例如電鋸或手持式動(dòng)力切割機(jī)就是由這種發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的（圖 1）。在投產(chǎn)之前，一定要透徹了解這一現(xiàn)象。這就是要使用虛擬樣機(jī)來(lái)評(píng)估材料可能失效的位置并在相應(yīng)位置加強(qiáng)零件結(jié)構(gòu)保證結(jié)構(gòu)完整。在構(gòu)建虛擬樣機(jī)時(shí)，所建立的裝置系統(tǒng)模型包括發(fā)動(dòng)機(jī)、外殼及周邊部件，例如油箱和蓋板。邊界條件為約束手柄處，系統(tǒng)工作將力傳遞到操作員手上。

圖1.富世華手持式動(dòng)力切割機(jī)

本文重點(diǎn)介紹如何將 MSC 軟件的 Nastran 嵌入式疲勞軟件作為高效優(yōu)化疲勞分析流程的核心。

優(yōu)化后的 Nastran 嵌入式疲勞流程所創(chuàng)建的數(shù)據(jù)量顯著減少，因此不再需要大量的中間結(jié)果文件以及繁瑣的重新導(dǎo)入。

傳統(tǒng)疲勞分析流程 

采用 MSC Nastran 進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析是富世華集團(tuán)的長(zhǎng)期傳統(tǒng)。集團(tuán)不斷對(duì)此進(jìn)行改進(jìn)，例如增加模型的復(fù)雜度。但起初疲勞分析也讓工程師們遇到了一些困難。

傳統(tǒng)的強(qiáng)度和疲勞分析由以下幾個(gè)步驟組成：

1. 有限元模型定義

2. 結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析

3. 分析結(jié)果輸出，可能會(huì)包含巨大的結(jié)果文件

4. 將 MSC Nastran 結(jié)果文件導(dǎo)入到單獨(dú)的疲勞軟件中，這需要很長(zhǎng)時(shí)間

5. 大量的讀寫(xiě)操作，有可能導(dǎo)致內(nèi)存問(wèn)題

6. 疲勞壽命結(jié)果的后期處理

圖2.傳統(tǒng)疲勞分析工作流程

這是一個(gè)無(wú)法輕易進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化的繁瑣過(guò)程。我們只能對(duì)簡(jiǎn)短的時(shí)間間隔進(jìn)行優(yōu)化，更確切地說(shuō)，只能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)轉(zhuǎn)速進(jìn)行優(yōu)化。這種限制是由于提取應(yīng)力數(shù)據(jù)而造成的。提取應(yīng)力數(shù)據(jù)導(dǎo)致結(jié)果文件很大，因此運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)。

通過(guò) MSC Nastran—Adams 流程可得到模態(tài)變形、隨時(shí)間變化應(yīng)力、應(yīng)力峰值。

實(shí)際上，我們想分析 1 秒鐘的時(shí)長(zhǎng)，但是只能勉強(qiáng)處理一個(gè)沖程。因此不得不將輸出步長(zhǎng)數(shù)量減少到 40 個(gè)，以曲軸箱分析為例，結(jié)果文件會(huì)高達(dá) 40 GB。此外分辨率也不夠高，無(wú)法確保不會(huì)錯(cuò)過(guò)應(yīng)力變化歷程的最大值。

具備較長(zhǎng)的時(shí)長(zhǎng)分析能力非常重要，這可以確保某一感興趣的模態(tài)能夠被任意的多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速激勵(lì)。這樣即使建模存在不確定性也能進(jìn)行更穩(wěn)健的分析。運(yùn)動(dòng)解算器（Adams）和有限元分析工具（MSCNastran）緊密配合可顯著加快工作流程。借助 NEF，富世華集團(tuán)能進(jìn)一步改進(jìn)這一流程。

富世華集團(tuán)當(dāng)初系統(tǒng)化 NEF 流程時(shí)，一開(kāi)始并沒(méi)有明確確定耐久性分析的工作流程。MSC 的 Nastran 嵌入式疲勞軟件上市后，這一狀況發(fā)生了改變。經(jīng)過(guò)一年的密集評(píng)估，我們決定在生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)中使用 NEF 進(jìn)行振動(dòng)分析。

Nastran 嵌入式疲勞——?jiǎng)?chuàng)新與顛覆

Nastran 嵌入式疲勞（NEF）與傳統(tǒng)處理的區(qū)別在于，由于直接在 MSC Nastran 中完成疲勞分析，因此 NEF 無(wú)需導(dǎo)出、導(dǎo)入巨大的二進(jìn)制結(jié)果文件，從而提高了效率（圖 3）。

圖3.Nastran 嵌入式疲勞處理流程

我們還是以上文中的曲軸箱為例對(duì)此進(jìn)行說(shuō)明：如今的 NEF 包含250,000 個(gè)殼體單元、200個(gè)沖程、30,000 個(gè)輸出步長(zhǎng)以及一個(gè)僅有 50 MB 的通用輸出結(jié)果文件。而傳統(tǒng)處理則包含 250,000 個(gè)殼體單元、僅僅1 個(gè)沖程、40 個(gè)輸出步將輸出產(chǎn)生 40 GB的結(jié)果文件。以 200 個(gè)沖程為例，過(guò)去需要很長(zhǎng)時(shí)間，現(xiàn)在只需 1 秒左右就可以輕松地完成分析，而且大幅提高了結(jié)果精度。

疲勞材料數(shù)據(jù)和真實(shí)性

當(dāng)然，我們知道自己建立的模型并不完美。將不精確性考慮在內(nèi)。例如，分析假定溫度是一致的，但在部件中卻有可能存在明顯的溫度分布。另外對(duì)附件建模也做了簡(jiǎn)化。因此，計(jì)算所得的特征頻率可能會(huì)偏離真實(shí)值。此外，還針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速做了一些假定。另一方面，由于這些簡(jiǎn)化使得處理更加輕松，現(xiàn)在可以對(duì)更長(zhǎng)的時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行仿真，因而有助于消除波動(dòng)。

參照真實(shí)的壽命試驗(yàn)來(lái)校準(zhǔn)輸入疲勞材料數(shù)據(jù)（S-N 曲線），可改進(jìn)疲勞壽命仿真結(jié)果。

圖4.Nastran 嵌入式疲勞處理流程：結(jié)構(gòu)分析結(jié)果＋S-N數(shù)據(jù)曲線＝疲勞輸出，例如應(yīng)力、損傷、壽命

我們對(duì)物理疲勞試驗(yàn)進(jìn)行建模，并通過(guò)古德曼修正改變應(yīng)力范圍以調(diào)整 S-N 曲線。采用古德曼修正（赫氏圖）來(lái)量化平均應(yīng)力和交變應(yīng)力對(duì)疲勞壽命的相互作用。

取得的成果

優(yōu)化后的 Nastran 嵌入式疲勞流程所創(chuàng)建的數(shù)據(jù)量明顯降低。不再需要巨大的中間結(jié)果文件以及繁瑣的再導(dǎo)入。

F?lth 說(shuō)：“我們可以對(duì)整個(gè)負(fù)載循環(huán)進(jìn)行分析，而不是局限于負(fù)載峰值附近。”事實(shí)證明，該流程能穩(wěn)定可靠地處理激勵(lì)中的各種變化。由于數(shù)據(jù)大小僅為 MB 而非 GB，因此大幅縮短了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。NEF 具有非常實(shí)用的功能，可根據(jù)少量的輸入數(shù)據(jù)自動(dòng)生成 S-N 曲線。

此外，現(xiàn)在還可以采用黑盒方式建立系統(tǒng)模型。Adams 在腳本環(huán)境中運(yùn)行。這意味著分析和仿真的民主化 

由于無(wú)需了解流程中的確切細(xì)節(jié)，因此更多的仿真工程師可以進(jìn)行高端的耐久性分析。富世華產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)能夠在迭代循環(huán)中完成優(yōu)化。

在切割混凝土等硬質(zhì)材料時(shí)，專(zhuān)業(yè)動(dòng)力切割機(jī)會(huì)經(jīng)受不穩(wěn)定的外力。借助 NEF，可以更詳細(xì)地就這一行為對(duì)動(dòng)力切割機(jī)耐久性和潛在裂隙的影響進(jìn)行評(píng)估。該分析包括 250 個(gè)沖程（2 s）、140 個(gè)作用在結(jié)構(gòu)上的力脈沖以及 60,000 個(gè)應(yīng)力輸出步。

關(guān)于富世華集團(tuán)

富世華集團(tuán)是林業(yè)、公園及園藝護(hù)理戶(hù)外動(dòng)力產(chǎn)品生產(chǎn)商。產(chǎn)品包括鏈鋸、清理鋸、自動(dòng)割草機(jī)及騎乘式草坪車(chē)。

此外，集團(tuán)還生產(chǎn)用于建筑及石材行業(yè)的機(jī)器。集團(tuán)的產(chǎn)品和解決方案品牌包括 Husqvarna、Gardena、McCulloch、Poulan Pro、Weed Eater、Flymo、Jonsered、Diamant Boart 及 RedMax。