新一代虚拟疲劳分析软件DesignLife

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　　随着汽车行业内的竞争不断加剧，汽车制造商无不追求着如下目标：满足用户日益提高的安全性及可靠性要求的同时做到节省成本。其中，汽车的疲劳耐久性设计就是必须面对的重要课题之一。长期以来，汽车的耐久性主要靠实验室台架试验或试车场路试来评价或改进，这种设计思路成本高、周期长。近20年来，随着CAD/CAE技术的突飞猛进，虚拟疲劳设计理念已经在一些著名的汽车公司得到了广泛应用。

　　英国恩科(nCode)国际有限公司开发了一整套用于汽车耐久性设计、分析、试验及管理的硬件和软件工具——ICE-flow(Integrated Communication, Engineering and workflow)系列产品。包括：数据采集器Somat eDAQ、数据分析处理及实验疲劳软件GlyphWorks、CAE疲劳分析软件DesignLife和耐久性数据管理软件系统Library。下面主要介绍一下ICE-flow中的CAE疲劳分析软件DesignLife。

　　DesignLife及CAE疲劳分析概述

　　DesignLife是nCode公司开发的新一代CAE疲劳分析软件。它继承了已经得到了广泛应用的上一代疲劳分析软件FE-Fatigue的功能特点，但在分析流程的创建、各种参数的定义、材料的选择、与有限元分析软件和前后处理软件的连接以及与试验数据分析的无缝整合等多个方面得到了极大的改进，使得一个复杂的疲劳分析和优化设计过程变得容易和直观。

　　CAE疲劳分析的基本原理是：根据有限元分析中所获得的应力应变结果结合材料的疲劳寿命性能曲线，应用疲劳理论计算出零部件的疲劳寿命分布。这个思路可用经典的疲劳分析五框图来示意，见图1。通过对各种可能影响寿命的参量进行敏感性分析，如选择不同的材料、比较不同的表面加工处理方式、不同的应力集中系数以及它们之间不同的组合，获得最佳的以寿命为设计目标的设计方案。

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图1疲劳分析五框图

　　DesignLife的构架即是在经典疲劳分析五框图的思路下进行设计的，它在一个使用方便的图形化工作环境下完全整合了试验和CAE分析工具，实现了真正意义上的一体化疲劳耐久性分析的需要。图2所示的是一个汽车零部件受试车场典型路面载荷的DesignLife分析流程。

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图2一个典型的DesignLife疲劳分析流程图

　　下面对DesignLife分析五框图作一简单描述。

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　　载荷：可通过数据采集系统获取，ICE-flow还提供了强大的工具来识别异常信号(如毛刺等)以确保载荷数据是所分析部件在真实运行环境下的表征。也可通过多体动力学系统仿真生成载荷，然后这些载荷在后续的处理过程中施加到输入的有限元模型中。

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　　几何：DesignLife可无缝读取主流有限元分析系统(如MSC.Nastran、ANSYS、Abaqus、I-DEAS)输出的结果模型，获取有限元模型中各种有用信息并传递给疲劳分析过程。

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　　材料：用户可定义分析中相应疲劳分析方法所需的材料疲劳性能。DesignLife中提供了包含近300种常用材料的疲劳性能曲线，软件还支持用户自定义生成特定材料的疲劳性能曲线并能保存加以反复调用。需要指出的是，软件还可计入各种不同表面粗糙度、不同表面加工方式(如冷轧、滚压等)对结构疲劳寿命的影响。

　　疲劳模型：DesignLife中除了经典的S-N和E-N疲劳分析方法外，还提供了多轴，焊点焊缝及频域疲劳分析器。在这里调用相应的疲劳模型对输入的载荷、几何和材料进行合成并进行疲劳损伤计算。疲劳求解器对每一个节点(或单元)通过合成该节点(或单元)的有限元应力和输入的载荷时间历程来计算其应力时间历程，然后计入循环材料性能即可计算疲劳损伤/寿命。这样的过程对分析结构中的每一个节点(或单元)进行重复，即可获得整个结构的疲劳损伤/寿命分布。对于大模型、多通道和较长时间历程的计算，DesignLife还支持多线程并行解算模式来加速整个计算进程。

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　　疲劳寿命：疲劳分析五框图最后的环节即是对计算结果的输出和可视化，DesignLife提供了丰富的后处理工具可对疲劳分析的结果进行观察，包括轮廓线/云图效果显示结构在给定输入载荷下可能发生失效的部位和寿命，与通用CAE后处理工具不同的是能巧妙处理疲劳分析特有的结果，如无限寿命和静载失效以及寿命结果的对数化等。

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　　DesignLife特征及模块组成

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　　DesignLife与业界流行的有限元分析软件及前后处理器无缝连接，能合理地估计出疲劳关键点的位置所在及其寿命值。

　　DesignLife的基本特点如下：

　　可直接读入op2、rst、fil、odb、unv等有限元结果；支持线性或非线性静态瞬态或模态有限元结果；能进行多轴应力状态评价及多轴疲劳分析；多种载荷处理功能，包括线性叠加、时间步、常幅载荷、任务工况组合等；独立计算各种工况的损伤；载荷输入显示及操作运算工具；常用材料性能数据库；图形化界面交互式创建分析流程；自动鉴别疲劳关键区域和热点；支持多线程并行计算；Studio Glyph自动报告创建；和数据处理试验疲劳分析软件Glyphworks完全整合。

　　DesignLife的主要模块如下：

　　1.应力-寿命模块

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　　支持标准SN、多平均应力SN和Haigh图；单轴和关键面法；多轴应力修正自动模式；雨流计数和线性损伤累积理论；Goodman、Gerber平均应力修正；静态失效检查；基于载荷缩放系数的寿命反求。

　　2.应变-寿命模块

　　局部应变法；Neuber和Hoffman-Seeger缺口修正；单轴和关键面法；多轴应力修正自动模式；雨流计数和线性损伤累积理论；Morrow和SWT平均应力修正；基于载荷缩放系数的寿命反求。

　　3.多轴Dang Van模块

　　Dang Van多轴分析法；计算安全因子。

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　　4.焊接疲劳

　　Rupp/LBF焊点疲劳分析法；支持Bar、CWELD和ACM焊点模拟；Volvo Seamweld疲劳分析法。

　　5.频域疲劳

　　适用于受随机载荷作用的部件，或载荷可在频域内方便描述的情形。对载荷和响应以PSD来描述，可有效地计入共振产生的激励；Dirlik方法，可从应力PSD来估计雨流分布，进而计算疲劳寿命；模拟/检验振动台试验。

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　　DesignLife应用案例

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　　在这样流程化风格的操作平台上，DesignLife可以轻松构建从简单到复杂、从单任务到多任务等各种计算流程来进行结构疲劳分析。需要说明的是，所有这些搭建并调试通过的流程都可保留下来，作为一个模板供后续类似分析任务的重复调用和编辑，而无需重新搭建整个流程。

　　结束语

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　　DesignLife软件操作灵活、功能强大、解算速度快，能迅速给出您在设计比较时关于疲劳耐久性方面所需要的全部信息。应用DesignLife可帮助企业在设计阶段即对产品的疲劳耐久性能进行充分的分析和优化，能开发出重量轻但能满足耐久性要求的产品，减少物理样机试验的次数，提高最终的物理样机一次试验通过率，从而缩短产品的开发周期，降低开发成本，众多成功的汽车制造企业已经从中获益。-【MechNet】

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