CAE仿真技术在汽车疲劳分析中的应用

 在汽车产品的研制过程中，需要对零部件进行大量的台架试验和整车耐久性试验，不仅试验费用高、周期长，而且问题大多是出现在产品设计完成之后，对设计更改带来一定难度。通过有限元疲劳分析，可以在汽车设计初期对整车的耐久性进行预测，找到结构的薄弱环节，提出合理的改进方案，还可以大幅度降低或最终取代部分疲劳试验。在汽车行业，从最初的线弹性部件分析到汽车结构中大量的非线性问题分析，到现在汽车疲劳寿命分析、NVH分析、碰撞模拟等，有限元科技CAE应用项目几乎可以涵盖所有环节。

 随着计算机软、硬件水平的逐步提高，将关键零部件的设计水平从寿命定性设计上升到寿命定量设计已经逐步成为可能。

根据疲劳理论，疲劳破坏主要由循环载荷引起。从理论上说，如果汽车的输入载荷相同，那么所引起的疲劳破坏也应该一样，所以通过CAE仿真技术用载荷谱模拟和加载，预测寿命和反馈优化，大幅度压缩试验时间、缩短开发周期。

 有限元疲劳分析方法

 汽车零部件疲劳分析方法主要有静态（或准静态）、随机振动疲劳等方法，对于给定的问题，应该根据结构所受载荷及其动态特性不同，判断并选择正确的疲劳分析方法。如果结构的一阶固有频率大于3倍载荷频率，可采用静态（或者准静态）疲劳分析方法，否则必须采用动态疲劳分析方法。

 从理论上来讲，虽然随机载荷作用下的结构可以很方便地用时域信号表达，并可以进行相应的动应力计算，但是在时域内，通常需要非常长的信号记录来描述一个完整的随机载荷过程，对于这种情况，人们已经证明在时域中进行瞬态动力分析是非常困难和不必要的。对于这类问题，可以将随机载荷及响应信号用功率谱密度(PSD)函数分类，动态结构模拟成为一个线性传递函数，在频域内进行疲劳分析是非常方便的。

 1、（准）静态疲劳分析方法

 目前，对于准静态（quasi-static）结构件的应力分析大量采用惯性释放方法，如车身、车架及底盘零部件等。计算过程主要由3步构成：首先，施加单位载荷，每个载荷位置按照其载荷数量及方向分别施加单位载荷。载荷施加位置举例：车身疲劳分析时，载荷施加位置为车身安装点；车架疲劳分析时，载荷施加位置为悬架固定点。

 其次，有限元应力分析。对于准静态结构零部件，如运动件或者不完全约束件采用惯性释放方法计算，例如，车身或者车架等。惯性释放计算结果是在某单位载荷作用下结构的应力响应，分析时需指定某一节点作为惯性释放的参考点，在该点处的载荷为零。建议参考节点选择在安装点（载荷点）附近但不能是安装点本身。

 最后，应力采用线性静态叠加法计算，并采用Miner准则进行疲劳分析。

 2、动态疲劳分析方法

 如果结构的固有频率与载荷的频率接近，此时需要采用动态疲劳分析方法，可以采用MSCNastran瞬态应力求解器计算出载荷历程在每一个周期内的动态应力历程，之后用MSCFatigue可以很容易地计算出结构的寿命。

 瞬态应力计算有直接法和模态法，对于类似车身疲劳分析等规模较大的问题，模态法有着更高的计算效率，建议采用。如果多体模型中含有柔性体时，MSCAdams对于柔性体有专门的疲劳分析接口，可以直接在多体软件中应用模态叠加法进行应力历程计算，使得疲劳分析更为方便。

 当前，随着计算机软、硬件水平的不断提高，采用VPG方法进行瞬态应力计算也逐渐为人们所接受，该方法采用显示有限元分析方法，将轮胎进行网格划分作为整车模型的一部分，与刚性颠簸（坑或者突起等）路面做接触计算，可以得到整车经过一段特殊路面时整车的动态应力历程，进而可以计算出关心区域的寿命。

 3、振动疲劳分析方法

 如前所述，对于在随机载荷作用下的零件进行疲劳分析，如果采用瞬态疲劳分析方法，则需要大量的硬盘空间和计算时间，对于较大规模的工程问题，分析时间通常是不能接受的。对于这类问题，可以将载荷时间历程在频域内用功率谱密度函数描述，并采用振动疲劳分析方法。由于随机载荷的动力响应分析不需要全部瞬态分析，因此可以极大地降低计算时间。

 由于汽车结构工作环境非常复杂，而且载荷、材料参数等缺乏准确性，导致绝对的疲劳分析结果一般不准确。基于这种情况，目前疲劳分析可以应用在台架试验模拟、方案比较、结构改进等方面。在进行疲劳分析时，要根据载荷及结构特点，选择合理的疲劳分析方法。如果结构的一阶固有频率大于3倍载荷频率，可采用静态（或者准静态）疲劳分析方法，否则必须采用动态疲劳分析方法；如果载荷比较复杂，具有随机载荷特征时，需要考虑采用振动疲劳分析方法。

 随着行业竞争加剧，通过加快产品研发速度、降低产品成本、提高产品可靠性的手段来提高产品竞争力，已经为各企业所认可。而疲劳分析是达到上述目的的一个重要途径，并且在产品研发中得到越来越多的应用。

 作为一家致力于为客户提供一站式CAE整体解决方案的CAE技术服务公司，有限元科技先后为汽车、电子电器、风电等500多家企业提供CAE项目服务。如有业务的需要请联系电话：13632683051，咨询QQ：4006046636。

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