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HyperView在方向盘疲劳分析中的应用

日期:2024-03-29 23:31
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摘要:


1 概述

产品的疲劳寿命是现代设计的一个重要指标,有限元疲劳仿真能够提供零部件的疲劳寿命分析,在设计初期阶段发现零部件的薄弱位置。仿真分析能够减少试验样机的数量,缩短产品的开发周期,进而降低开发成本,提高市场竞争力。一般此类分析都需采用专业的疲劳分析软件,成本较高。

本文以某方向盘骨架为研究对象,利用相关求解器求解在典型工况下的应力分布,并利用HyperView进行相关的疲劳分析,计算出结构的应力幅、疲劳寿命和疲劳损伤;针对设计方案疲劳断裂失效形式及有限元分析结果,提出了改进的骨架设计方案并验证。

2
方向盘疲劳实验介绍

方向盘疲劳性能主要是由骨架决定,此实验主要是评估骨架在交变载荷下的疲劳性能,典型疲劳实验示意图见图1


1 疲劳实验示意图

骨架下端通过管柱水平固定在实验台上,由循环气缸设施施加±221N在骨架*弱位置(通常为轮圈12点钟),加载方向垂直轮圈平面。设计标准要求骨架能承受8万次的循环。

3
疲劳分析

3.1
静态分析

为了真实反映方向盘骨架的结构特性,采用六面体和五面体网格划分骨架、管柱模型。分别创建两个静态分析,将方向相反的载荷±221N分别施加在轮圈相应位置(命名为Model_UPModel_Down两个分析),求解出结构在交变载荷下的*大静态响应。

3.2
疲劳分析

HyperView查看相关结果,并利用Derived Results工具进行疲劳分析。其中Derived ResultsHyperView 11.0的特色功能,允许用户基于已有数据创建自定义的张量或标量等数据类型。

本分析采用有限元局部应力高周疲劳方法来判断结构失效,其疲劳特性主要是由应力循环决定的,通过加载历程分析,此应力循环的平均应为为0,骨架同一位置的应力循环中的*大应力和*小应力分别出现在两个分析中。因此,先利用HyperView加载Model_Up分析结果,然后利用Derived Results引入Model_Down分析结果,并利用相关的公式将两分析中的主应力数据生成新的数据类型Stress Amplitude(应力幅),其对应的mvw文件对应的数据行详见表一。

表一 Stress Amplitude程序行

利用同样原理,基于结构应力幅和相关应力-寿命曲线(S-N曲线)计算出新的数据类型Life Repeats(疲劳寿命),原设计的应力幅和疲劳寿命云图见图2。从图2.a可以看出,在区域AB上结构应力幅值比较高;图2.b显示A处的寿命*低,小于标准要求的8万次要求,相关物理实验表明骨架断裂均在A处。


2 原设计分析结果


3.3改进设计

为了提高骨架疲劳寿命,将骨架A处光顺处理,同时将区域AB处轮圈面积增大。图3.a显示改进后A处不是*危险位置,B处为*大应力幅,但相比原设计已经显著下降;图3.b显示*小的疲劳寿命大于标准要求的8万次要求;后续物理实验也证明了此设计改进的可行性。


3 改进设计分析结果

HyperView可扩展的功能并不局限于上面所示内容,例如疲劳损伤也是疲劳分析的一个比较重要的参数,均可以通过此技术得到,本案例的疲劳损伤云图见图4所示:


4 新旧设计疲劳损伤对比

实际设计过程中,影响机械零件疲劳强度的因素还包括:应力集中、尺寸形状、表面因素[1],同时加载历程也是疲劳寿命的重要因素。根据上述方法均可以对现有功能进行扩展,考虑更多参数来满足不同分析的需求,但相关程序复杂,对用户专业知识要求较高。

4结论

本文以某方向盘骨架为研究对象,**地提出了基于HyperView进行方向盘疲劳分析的技术方法,快速地计算出结构的应力幅、疲劳寿命和疲劳损伤,并将其用于指导方向盘骨架的结构设计,得出以下结论:
(1). 基于疲劳断裂失效形式及有限元分析结果,对方向盘骨架改进后,结构疲劳寿命明显提高,满足设计及使用要求;

(2). HyperView对于疲劳分析的解决方案具有一定实用性,成本较低,可以运用在相关领域。
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