Accexp汽車疲勞耐久性工程解決方案
2016-12-05
近年來，隨著 CAD/CAE 技術(shù)突飛猛進，靠實驗室臺架試驗或試車場路試來評價或改進汽車耐久性的方法成本高、周期長，已經(jīng)逐步被虛擬耐久性設(shè)計理念取代。隨著汽車行業(yè)內(nèi)的競爭不斷加劇，汽車制造商無不面臨著如下情況：滿足用戶日益提高的安全性及可靠性要求的同時做到節(jié)省成本。其中，汽車的疲勞耐久性設(shè)計就是必須面對的重要課題之一。
疲勞耐久性工程
長期以來，汽車的耐久性主要靠實驗室臺架試驗或試車場路試來評價或改進，這種設(shè)計思路成本高、周期長。近一二十年來，CAD/CAE 技術(shù)突飛猛進，虛擬耐久性設(shè)計理念已經(jīng)在一些著名的汽車公司得到了廣泛應(yīng)用。 一個完整的疲勞耐久性解決方案通常包括如下步驟（如圖 1） ：根據(jù)用戶用途建立壽命設(shè)計目標；采集用戶使用環(huán)境和試車場載荷數(shù)據(jù)；驗證分析處理實測數(shù)據(jù)；創(chuàng)建零構(gòu)件幾何模型；求取零構(gòu)件間所傳遞的載荷；獲取材料的疲勞壽命性能；預(yù)估零構(gòu)件的疲勞壽命；臺架模擬試驗；試車場耐久性試驗。
圖 1 疲勞耐久性解決方案流程
圖 1 疲勞耐久性解決方案流程
ICE-flow 的功能
作為著名的疲勞耐久性技術(shù)服務(wù)公司之一的英國恩科（nCode）國際有限公司開發(fā)了一整套用于汽車耐久性設(shè)計、分析、試驗及管理的硬件和軟件工具——ICE-flow系列產(chǎn)品。包括：數(shù)據(jù)采集器 Somat eDAQ、數(shù)據(jù)分析處理及實驗疲勞軟件 GlyphWorks、CAE 疲勞分析軟件 DesignLife 和耐久性數(shù)據(jù)管理軟件系統(tǒng) Library。ICE-flow 集工程數(shù)據(jù)采集分析處理、疲勞壽命分析模擬、實驗室臺架加速和遠程數(shù)據(jù)傳遞及管理于一身，是進行一體化抗疲勞設(shè)計必備的一個分析工具， 也是進行異地協(xié)同設(shè)計的有效工具。 ICE-flow系列產(chǎn)品如圖 2所示，以下對各功能分別進行介紹。
圖 2 ICE-flow 系列產(chǎn)品
圖 2 ICE-flow 系列產(chǎn)品
1、數(shù)據(jù)采集
道路載荷譜采集是疲勞耐久性設(shè)計的基礎(chǔ)，我們需要調(diào)查用戶的使用環(huán)境和用途，需要實測數(shù)據(jù)在實驗室臺架上做道路模擬試驗，也需要為多體動力學分析、有限元分析以及疲勞壽命分析提供輸入數(shù)據(jù)。Somat eDAQ 由基礎(chǔ)層、各種不同功能的擴展層以及智能型調(diào)理模塊組成?；A(chǔ)層是一個具有高速運算能力的處理器；功能擴展層包括電橋板、同步高電平板、同步低電平板、帶隔離和不帶隔離的熱電偶板、數(shù)字 I/O板以及高平板。系統(tǒng)可直接接入工程中常用的各類傳感器，用來測量如應(yīng)變、加速度、溫度、車輪六分力、載荷、壓力、位移、數(shù)字脈沖、數(shù)據(jù)總線及 GPS 等信號。
Somat eDAQ 系統(tǒng)的測試通道數(shù)可靈活配置，單套系統(tǒng)的模擬通道數(shù)最高可達 96 個，數(shù)字信號通道可達 10～100 個。各套系統(tǒng)也可以聯(lián)合組建成一個分布式同步測試網(wǎng)絡(luò)，以滿足大通道數(shù)的數(shù)據(jù)采集要求。系統(tǒng)采用 TCP/IP 通信協(xié)議，可實現(xiàn)與計算機的有線或無線連接進行遠程測試控制。系統(tǒng)帶有大容量的數(shù)據(jù)存儲卡，可脫離計算機獨立運行，特別適合于移動測試。 系統(tǒng)可以對信號進行在線計算分析， 記錄時域、 頻域或雨流循環(huán)直方圖數(shù)據(jù)格式，能進行觸發(fā)等不同模式的條件數(shù)據(jù)采集，以適合于長時間的用戶環(huán)境調(diào)查和壽命監(jiān)控等場合。另外，系統(tǒng)非常堅固，具有良好的抗震防塵和防水濺功能，在惡劣的工作環(huán)境下能夠保持長時間的穩(wěn)定工作。
Somat eDAQ 系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車的道路載荷譜數(shù)據(jù)采集、實驗式臺架試驗、用戶使用狀況調(diào)查以及汽車安全性、剎車系統(tǒng)、排放系統(tǒng)、發(fā)動機及變速箱等測試。
2、數(shù)據(jù)處理和實驗疲勞分析
數(shù)據(jù)采集器所記錄的原始數(shù)據(jù)通常需要進行分析處理才能變成工程中有用的信息。 原始數(shù)據(jù)的常規(guī)處理通常包括：信號的顯示、編輯、算術(shù)及三角運算；頻譜分析；數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換；單位轉(zhuǎn)換、元數(shù)據(jù)處理及報告等。對于疲勞耐久性而言，需要鑒別出原始數(shù)據(jù)中所包含的異常信號并修正這些信號，通過不同的方法對數(shù)據(jù)的有效性進行檢驗。需要將時域數(shù)據(jù)進行付里葉變換，獲得信號中的頻率內(nèi)容，或者進行雨流計數(shù)得出數(shù)據(jù)中包含的循環(huán)頻次信息。在零部件臺架試驗部門， 需要將采集的數(shù)據(jù)根據(jù)疲勞等效原理轉(zhuǎn)換成一個加速試驗所需的輸入數(shù)據(jù)。而在 CAE 分析部門，則需要從數(shù)據(jù)中提取出有限元分析、多體動力學分析和疲勞壽命分析所需要的時間域有效載荷譜。另外，從實測量中直接預(yù)測疲勞壽命也是耐久性分析中的一項內(nèi)容。ICE-flow GlyphWorks 就是英國 nCode 公司為了滿足上述工程需要而開發(fā)的新一代數(shù)據(jù)處理和疲勞分析工程軟件。
GlyphWorks 具有流程式架構(gòu)、功能強大、運行高效、與各種數(shù)據(jù)格式無縫兼容、可方便地處理分析大通道數(shù)海量數(shù)據(jù)等突出優(yōu)點。軟件由基礎(chǔ)模塊和一些功能模塊組成，這些模塊包括：時域處理、頻域分析、異常信號檢驗、疲勞分析、時域疲勞損傷編輯、頻域加速譜合成、疲勞裂紋擴展以及開放 Glyph 和超級 Glyph。GlyphWorks 以交互的方式簡單直觀地創(chuàng)建一個有著數(shù)以百計的處理及分流步驟的流程。企業(yè)自己開發(fā)的程序也能夠通過開放Glyph 接入分析流程實現(xiàn)二次開發(fā)。流程可以加密封裝以實現(xiàn)企業(yè)標準的執(zhí)行。另外，GlyphWorks能將處理分析和報告連成一體，從原始數(shù)據(jù)到最后的分析報告可一步完成。 GlyphWorks 軟件已經(jīng)在汽車行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。無論是道路載荷譜處理分析、用戶關(guān)聯(lián)試車方案制定、臺架加速試驗譜編制，還是疲勞壽命分析，甚至在車輛平順性，振動噪聲分析中都發(fā)揮出了顯著的作用。
3、CAE 虛擬疲勞分析
傳統(tǒng)的疲勞分析是基于一些工程實測量、針對零部件中的一些關(guān)鍵位置進行的。隨著CAD和 CAE 技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)在也已經(jīng)能夠?qū)φ麄€零部件進行疲勞分析，這使得在設(shè)計的早期就能夠?qū)μ摂M零部件進行疲勞壽命分析與優(yōu)化，以避免設(shè)計的盲目性，提高實物樣機在驗證試驗中第一次通過的可能性，從而縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。
CAE 疲勞分析的基本原理是：根據(jù)有限元分析中所獲得的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果，再結(jié)合材料的疲勞壽命性能， 然后， 應(yīng)用疲勞理論計算出零部件的疲勞壽命分布。 零部件中所受的載荷，應(yīng)該對應(yīng)于實際工況，理想的應(yīng)該是從實際測試中所獲得的載荷數(shù)據(jù)。通過對各種可能影響壽命的參量進行敏感性分析，比如選擇不同的材料、比較不同的表面加工處理、不同的應(yīng)力集中以及它們之間不同的組合，以獲得最佳的、以壽命為設(shè)計目標的設(shè)計方案。
ICE-flow DesignLife 是nCode 開發(fā)的新一代 CAE 疲勞分析軟件，它繼承了已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的 FE-Fatigue軟件的功能特點，并且在分析流程的創(chuàng)建、各種參數(shù)的定義、材料的選擇、 和有限元分析軟件和前后處理軟件的連接以及和試驗分析的無縫整合等多個方面得到了極大的改進，使得一個復(fù)雜的疲勞分析優(yōu)化變得容易和直觀。圖 3 為利用DesignLife 預(yù)測的汽車某部件疲勞壽命分布圖。
圖 3 DesignLife 預(yù)測的某汽車部件疲勞壽命分布
圖 3 DesignLife 預(yù)測的某汽車部件疲勞壽命分布
DesignLife 與業(yè)界流行的 CAE 分析軟件及前后處理器無縫連接，如 MSC.Nastran、ANSYS、ABAQUS、Hypermesh 和 I-deas。它全面支持多種線性或非線性的靜態(tài)、瞬態(tài)或模態(tài)疊加動態(tài)模型以及焊點分析模型提供了從基本的 S-N，E-N到高等的焊點焊縫、多軸疲勞分析工具；可自動鑒別圖示壽命關(guān)鍵點的位置。DesignLife 支持多線程并行計算，計算效率非常高。它和GlyphWorks 共處一個軟件平臺，并且和數(shù)據(jù)處理實驗疲勞分析完全整合，實現(xiàn)了真正意義上的一體化疲勞耐久性分析。
4、耐久性數(shù)據(jù)管理
汽車的耐久性管理涉及到大量的工程數(shù)據(jù)。有實測的原始數(shù)據(jù)、處理過的分析數(shù)據(jù)、臺架試驗的輸入數(shù)據(jù)、有限元載荷數(shù)據(jù)、多體動力學模擬中的輸入輸出載荷、還有各種材料的常規(guī)和疲勞性能數(shù)據(jù)。
另外，耐久性設(shè)計也涉及企業(yè)里各個功能部門，這些部門可能分散在各個不同的地方，甚至在不同的國家。 如何將來自不同部門不同地方的這些海量數(shù)據(jù)有效并快速地轉(zhuǎn)換成有用的信息并進行科學的管理，以幫助進行耐久性或其它關(guān)鍵技術(shù)或重大商業(yè)決策，對于一個企業(yè)是至關(guān)重要的。ICE-flow Library 是 nCode 開發(fā)的基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，旨在解決這個問題。
ICE-flow Library 可在服務(wù)器端對整個工作流程，包括試驗配置、數(shù)據(jù)上傳、運行分析以及整個試驗報告的提交實現(xiàn)自動化運行。 Library系統(tǒng)是對現(xiàn)有的 PDM 和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的補充，以實現(xiàn)工程數(shù)據(jù)的管理，包括解決測試數(shù)據(jù)管理的入門級解決方案軟件包和基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng)包。Library 系統(tǒng)需要專門的服務(wù)器用來連接互聯(lián)網(wǎng)和局域網(wǎng)，用戶可以在任何時間登陸。 并且， 系統(tǒng)設(shè)有多級安全進入控制以保證系統(tǒng)的安全性。 ICE-flow Library已經(jīng)在一些著名的汽車,摩托車制造商中得到應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益。
如果有汽車疲勞性方面的研究和需求歡迎致電長沙艾克賽儀器設(shè)備有限公司0731-84284278。
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