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Science &Technology Vision 科技视界工况载荷状况一上小车位于主梁正中间，承载200t，下小车距大车12m，位于柔性支腿侧承载100t二上小车位于主梁正中间，承载200t，下小车距大车12m，位于刚性支腿侧承载100t三上小车位于柔性支腿侧承载200t，下小车距大车12m，承载100t四上小车位于刚性支腿侧承载200t，下小车距大车12m，承载100tFatigue （疲劳）一词最早出现在早拉丁文中（Fatig?re ），通常是指人的身体和精神上的劳累。
作为工程术语，疲劳用来反应在循环变载荷作用下材料的损伤和破坏。
在上世纪60年代，国际标准化组织（ISO ）发表的报告《金属疲劳试验的一般原理》中对疲劳的定义是：“金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫做疲劳”[1-2]。
疲劳的另一个定义是：材料在循环应力或循环应变作用下，由于某点或某些点产生了局部的永久结构变化从而在一定的循环次数以后形成裂纹或发生断裂的过程称为疲劳[36]。
根据研究对象、载荷条件、环境和介质情况，疲劳有很多种分类方法。
1）按研究对象可分为材料疲劳和结构疲劳；2）按失效周次可分为高周疲劳和低周疲劳；3)按载荷条件分随机疲劳、冲击疲劳、接触疲劳、微动摩损疲劳和声疲劳；4)按温度环境分为高温疲劳、低温疲劳、热疲劳和腐蚀疲劳。
1估算方法分析名义应力法是最早的抗疲劳设计计算方法，它以零件或材料的曲线为基础，结合疲劳累积损伤理论，对照试件或结构疲劳危险部位的应力集中系数和名义应力，校核疲劳强度或计算疲劳寿命。
MSC.Fatigue 的疲劳分析过程[3-4]可以用图2的五步曲来表示[38]：图1MSC.Fatigue 疲劳分析五步曲Fig.1Five Steps of MSC Fatigue Analysis 2载荷信息分析图2修正后的Q345钢的P-S-N 曲线Fig.2Corrected P-S-N curve of Q345steel 门式起重机械的主梁在工作中所经历的最大应力远低于材料的屈服极限，其变形均为线弹性变形，处于低应力高频疲劳状态，起重机金属结构疲劳属于高周疲劳。
第14卷第3期2007年6月工程设计学报Journal of Engineering DesignVol.14No.3Jun.2007收稿日期:2007-01-22.作者简介:高 晶(1982-),男,河北邯郸人,硕士生,从事产品疲劳寿命预测研究,E-mail:g aojing05@mails.tsing .cn .基于MSC .Fatigue 的汽车驱动桥壳疲劳寿命预估高 晶1,宋 健1,张步良2,冯喜成2(1.清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084;2.东风车桥有限公司产品研发中心,湖北十堰442051)摘 要:运用三维造型软件Pr o /Eng ineer Wildfir e2.0建立某型商用车驱动桥后桥壳的实体模型.依据有限元基本理论,进一步建立该桥壳的有限元模型,并在通用有限元分析系统M SC.Na st ran 中进行有限元应力分析.基于应力分析结果,采用有效的疲劳寿命预估方法,利用专业耐久性疲劳寿命分析系统M SC .F atigue 对该桥壳进行全寿命分析,得到桥壳整体的疲劳寿命分布和危险点的寿命值.通过与台架疲劳试验的桥壳失效情况相对比,预估结果与试验结果一致.而后对在试验中发生破坏的桥壳进行疲劳断口的微观分析.最终在试验与仿真分析结果的基础上提出对该型桥壳生产的改进方案.关键词:驱动桥壳;有限元方法;疲劳寿命预估;断口分析中图分类号:T H16 文献标识码:A 文章编号:1006-754X (2007)03-0210-05Prediction on fatigue life of vehicle 's driving axlehouse based on MSC .FatigueGAO Jing 1,SONG Jian 1,ZHA NG Bu -liang 2,FENG Xi -cheng2(1.Stat e Key L abo r ator y o f A ut omo tiv e Safety and Ener gy ,T singhua U niv ersit y,Beijing 100084,China ;2.Research &D evelopment Cent er,Dong feng A xle L imited Co mpany ,Shiy an 442051,China)Abstract :The solid model of a com mercial vehicle's driv ing ax le house w as established w ith Pr o/Eng ineer Wildfire 2.0.Accor ding to FEM theory ,the finite element mo del o f this ax le house is set up and its str ess analysis is perform ed by FEA softw are MSC.Nastr an.Based o n the r esult of stress analysis,by adopting effectiv e fatig ue lifespan prediction method,lifecy cle analy sis of axle house is co nducted by MSC .Fatig ue ,a pr ofessional fatigue analysis sy stem and then fatigue lifes-pan distributio n o f the w ho le axle house body and the lifespan value of mo st dangerous points are obtained.By comparing the failure position and fatigue life of the ax le house in the rig test,the results show that the predictio n result is the same as the o ne o btained from experim ents.T hen,the fracture surface of specim ens w hich brought o n fatigue invalidation in rig test is investigated w ith scanning electron micro scopy (SEM ).Finally ,on the basis o f the results got fr om sim ula-tio n calculation and r ig test,the m odified design of ax le house is presented.Key words :driving ax le house ;finite elem ent m ethod (FEM );fatigue life prediction ;fracture surface analysis 疲劳破坏是工程结构和机械失效的主要原因之一,引起疲劳失效的交变载荷的峰值往往远低于静态断裂分析估算出来的“安全”载荷[1].因此,承受交变载荷的零部件的疲劳强度和寿命预测是汽车生产企业迫切需要解决的问题.作为底盘最重要的承载部件,汽车驱动桥壳在使用过程中承受不同程度和不同工况的交变载荷,极易产生微观的裂纹并进一步扩展而形成宏观的裂纹,造成失效.作者通过对某型驱动桥壳使用情况的调研和多次台架试验,确定疲劳损伤是该型桥壳的主要损伤方式.本文基于企业提供的工程图纸,在三维造型软件Pro /Eng ineer 中建立桥壳的三维实体模型.依据桥壳台架试验,利用M SC.Nastran 进行桥壳的有限元静强度分析,基于有限元的分析结果,在专业疲劳分析设计工具M SC .Fatigue 中进行桥壳的疲劳寿命分析.最后,对在试验中发生破坏的桥壳进行断口微观分析,从微观的角度分析裂纹萌生的原因.1 全寿命分析的基本原理全寿命分析以材料或零件的S —N 曲线为基础,对照试件或结构疲劳危险部位的应力集中系数和名义应力,结合疲劳累计损伤理论,校核疲劳强度或计算疲劳寿命,适用于高周疲劳区[2].其基本分析过程为:(1)对应力信号进行峰谷抽取.(2)用雨流计数技术对峰谷信号进行循环计数,获取循环直方(频次)图.(3)根据应力集中系数、表面加工处理状况以及其他因素修正S —N 曲线.(4)根据平均应力计算等效应力幅.(5)通过S —N 曲线计算损伤,获取损伤直方图.(6)使用Palm gren -M iner 法则计算疲劳寿命.对基于强度分析得到的弹性应力谱,采用雨流计数之后,用Palmg ren -M iner 线性累积损伤理论来进行损伤和寿命的计算.该理论假定:材料在各个应力水平下的疲劳损伤是独立进行的,总损伤可以线性叠加,即∑Di=∑n iN i ,f≥1,∑N =1∑D i ,(1)式(1)中,D i ——每级载荷下产生的损伤;n i ——每级载荷的循环次数;N i ,f ——每级载荷对应的疲劳极限次数;∑N ——总寿命.2 桥壳模型的建立和强度分析2.1 桥壳模型的建立依据企业提供的工程图纸,在三维造型软件Pro /Eng ineer 中建立桥壳的三维实体模型,如图1所示.图1 驱动桥壳的三维实体模型Fig .1 T he so lid mo del of t he dr iving ax le ho use所建立的模型简化了原有桥壳的某些细节特征,以提高随后有限元前后处理和求解的效率.简化模型的一般原则是在保证原有结构力学性能不发生改变的前提下,对于非关键区域的特征以及通过试算而获得的分析对象的整体应力场分布中应力水平较低的部件,可以予以忽略.将建立好的桥壳实体模型导入有限元前后处理仿真分析系统M SC.Patran 中进行网格划分.利用M SC.Patran 的分组功能,依次划分每个零部件,对于装配在一起的2个或多个零件,可以通过设置M SC.Patran 的装配参数,自动调整相互装配零件在接触面上的网格以使其保持一致.网格模型采用四节点四面体单元,并依据在强度试验中应变片的粘贴位置,在模型相应的位置设置10个硬点,其中6个位于桥壳本体与后盖装配一侧的内侧圆环上,剩余4个位于弹簧座加载点的两侧,以方便计算结果与试验结果的对比.最终共划分网格204232个,节点51997个[3].桥壳的网格模型如图2所示.图2 驱动桥壳的有限元网格模型Fig.2 T he finite element model o f t he driving ax leho use2.2 桥壳模型材料参数的设定和加载模型建立完成后,向模型中各零件的单元设定材料参数和物理特性.桥壳各零件所用材料及其力学性能参数如表1所示.表1 驱动桥壳各零部件材料参数T able 1 T he paramet ers of a ll par ts'mater ial零部件名称材料牌号弹性模量/M P a 泊松比屈服极限/M P a 桥壳本体、三角板16M nL 218.90.247398后盖、加强圈、衬环Q 235217.80.222250半轴套管402090.274816.9板簧座Z G230-4502110.311366.3减速器壳Q T 450-101690.257393.5以上材料中,16M nL 和Q235的使用量大,为提高仿真计算精度,这2种材料的参数通过标准拉伸试验获得,其他材料的参数通过查标准手册获得.・211・ 第3期高 晶,等:基于M SC .Fat ig ue 的汽车驱动桥壳疲劳寿命预估参照标准Q C -T 533—1999《汽车驱动桥台架试验方法》中桥壳静强度台架实验的说明[4],并结合台架实验工况,进行静强度计算.本模型可简化为两点约束、两点加载的计算工况,在建立好的桥壳有限元网格模型上施加约束定义.载荷定义为满载13t ,均匀分配施加在2个板簧座上表面上.约束和载荷的定义参见图2.2.3 仿真计算结果及其与试验结果的对比仿真计算得到的桥壳应力分布云图如图3所示.图3 驱动桥壳满载下的应力分布云图F ig .3 T he str ess distr ibutio n of the ax le ho use w ithfull load由图3可见,在13t 满载作用下,桥壳所受最大等效应力值为110.80M Pa ,发生于桥壳本体与板簧座连接处,远低于桥壳本体材料的屈服极限398M Pa,说明该桥壳的静强度指标是完全合格的.其他较高应力区主要分布于桥壳本体上的圆弧过渡区和半轴套管上的支撑约束及阶梯轴直径过渡区.在静强度试验中已经利用矩形应变片测得桥壳本体上10个测点的应变值,通过计算可以得到这10个测点的等效应力值.提取有限元模型上所设定的10个硬点的Vo n M ises 应力值与试验测得的数据相比较,结果如表2所示.表2 仿真计算与试验测试结果对比T able 2 Co mpar iso n o f the results betw een test and calcu-latio n 节点号仿真计算结果/M P a 试验测试结果/M Pa误差值/%1090370.6284.6116.5341303469.8978.210.6271438766.3466.07-0.4091121150.7746.95-8.1362599913.7513.21-4.0882780110.879.399-15.651269557.258.53315.036198137.25 6.715-7.96721556 6.57 5.967-10.106由表2的对比情况可知,仿真计算结果与试验结果之间的误差较小,70%的数据误差值在10%左右或以下,最大的误差值也仅为16.534%.考虑到应变片测量位置的精度、桥壳焊接残余应力以及应变片粘贴情况的影响等,可以认为该模型的仿真计算结果是可信的.3 驱动桥壳的疲劳寿命预估3.1 桥壳本体材料应力—寿命曲线的测试应力—寿命曲线即S —N 曲线,是在控制应力的条件下得到的破坏寿命与应力幅值之间的关系曲线,其对于估算部件的疲劳寿命是至关重要的,适用于高周疲劳问题.本文研究对象桥壳的本体材料为16M nL,在试验中采用成组法进行其S —N 曲线的测试工作.对测试获取的原始测点的应力和寿命数据进行双对数坐标下的线性拟合,得到如图4所示的直线.对通过试验测得的拟合直线进行分析,计算其纵轴截距及斜率分别为:SRI =2550.657MPa ,b 1=-0.17.利用这2个参数,在M SC .Fatigue 软件中进行自定义16M nL 的S —N 曲线如图5所示.图4 16MnL 疲劳试验测点数据及拟合直线Fig.4 T he fatig ue capability test's data and cur ve o fmater ial 16M nL图5 16MnL 材料的S —N 曲线Fig.5 T he S —N cur ve o f mater ial 16M nL・212・工 程 设 计 学 报第14卷3.2 驱动桥壳的疲劳分析和结果对比定义好材料的S —N 曲线之后需要进一步定义桥壳承受的循环载荷.循环加载方式与台架试验加载方式相同,即在板簧座处施加频率为11Hz 的正弦波加载,最大载荷为满载的2.5倍,最小载荷取最大载荷的10%.在M SC.Fatigue 中,通过读取桥壳的有限元静强度分析结果,定义材料S —N 曲线和循环加载工况之后,即可进行桥壳疲劳寿命的评估计算.运算得到的桥壳危险部位的疲劳寿命分布云图与试验失效部位对比如图6所示.图6 计算结果与试验结果损伤部位的对比F ig.6 Compar ison o f t he da maged po sitio n betw eentest and calculation表3给出了计算出来的前10个危险点部位的寿命值.表3 计算所得的危险点的寿命值T able 3 T he life repeats of t he danger ous points节点号寿命/次48520 4.457E62629 4.783E 63787 6.141E648517 6.141E 627687.984E6489437.984E 6501167.984E626288.56E 627698.56E6481118.56E 6从表3的结果可见,在满载13t 对应的循环载荷作用下,桥壳的疲劳估算寿命为446万次,疲劳危险部位分布于半轴套管的2处阶梯轴的下表面应力集中处和三角板与桥壳本体焊接处,与疲劳试验结果吻合得很好.4 疲劳断口的微观分析由于金属材料本身的冶金因素和产品制造特定的工艺因素以及焊件设计所构成的结构因素等的综合作用,特别是当焊接接头具有复杂的几何形状,应力集中程度高,应力状态恶劣时,焊接与其他热加工工艺相比,是一种最容易出现缺陷的工艺.这些缺陷往往是工件(尤其是承受交变载荷的工件)断裂或萌生裂纹导致断裂的根源[5].本文对桥壳台架疲劳实验中出现的2处主要裂纹断口进行断口金属微观组织和焊接缺陷分析,一处是三角板与桥壳本体之间焊缝自由端的焊趾区域,另一处是后盖与桥壳本体连接顶部的焊缝区域.在焊缝横断面进行线切割和磨、抛、腐蚀制样,采用电子扫描图像仪(Ax iovert 200M AT)在断面上获取大量信息图片.通过对各区域的组织形貌图进行详细描述并加以分析,能为焊缝的焊接质量评估提供有力依据,为焊接工艺的调整和改进提供有效参考.对原始断口进行电镜扫描可见,断口呈现出明显的韧窝和撕裂特征,还可观察到垂直方向的微裂纹.进一步观察可见,该区域焊缝金属与基体间局部存在未焊合现象,从缝隙和缝隙中存在的夹杂物可见这一点,如图7所示.图7 焊缝与基体的未熔合现象及夹杂物Fig.7 T he flaw bet ween seams weld and base另外可得到一个完整的焊接残留缺陷及其以裂纹的形式扩展的情况,并且在焊接组织中可见气孔等缺陷的存在,如图8所示.采用能谱仪对焊缝处金属成分进行标定,发现焊缝金属含铝、硅元素,如图9所示.母体金属中不存在铝、硅元素,表明在焊条中加入了铝、硅脱氧剂成分,在焊接过程中,铝、硅元素进入焊缝金属熔体中.・213・ 第3期高 晶,等:基于M SC .Fat ig ue 的汽车驱动桥壳疲劳寿命预估图8 焊缝残留缺陷与裂纹扩展F ig .8 Seam w eld's r esidual flaw andcrack图9 焊缝金属元素分析F ig.9 T he metal element analy sis of the seam w eld5 结 论通过有限元虚拟仿真计算和台架物理样机试验的结果可以看出,本文所分析桥壳的各项性能指标(包括静强度和疲劳强度)都是符合强度安全和相关行业标准规范的,且有一定的裕度,能保证工作中的正常使用.驱动桥壳焊接部位的疲劳强度主要取决于焊接过程、焊条种类、焊接水平、焊后热处理和焊缝的最后形状.对于本文研究对象这一典型的焊接结构,在后续研发过程中,为在不降低其各性能指标的前提下,实现减重、降耗的目的,对焊接工艺和焊接质量控制是需首要解决的问题.这是因为从文中断口电镜分析的结果来看,尤其是三角板处的手工焊缝的质量还存在较大的隐患.三角板的布置形式和位置将是后期产品优化改型需要首先考虑的,因为从静强度分析的结果来看,三角板的2个自由端恰好布置在桥壳本体大圆周上应力水平相对较高的区域,且上半部分略高于下半部分,这样即使该处应力在整体桥壳结构中不是最高的,但由于其他高应力区结构完整,而三角板处是通过手工焊接工艺进行连接的,焊接质量的不稳定将很容易导致失效从那里发生.台架疲劳试验中出现的失效部位也能验证这点.参考文献:[1]周传月,郑红霞,罗慧强.M SC .F atig ue 疲劳分析应用与实例[M ].北京:科学出版社,2005.ZHO U Chuan-y ue,ZHEN G Ho ng -x ia,L U O Hui-qiang.M SC.F atig ue analysis and applicatio n ex amples [M ].Beijing :Science Pr ess ,2005.[2]陈传尧.疲劳与断裂[M ].武汉:华中科技大学出版社,2002.CHEN Chuan -y ao .Fat ig ue and fractur e [M ].W uhan :Huazho ng U niv ersit y of Science and T echno lo -gy Pr ess,2002.[3]刘兵山,黄 聪.Pat ran 从入门到精通[M ].北京:中国水利水电出版社,2003.L IU Bing -sha n ,HU A N G Cong .P atr an fr om acci-dence to familiar ity [M ].Beijing:China Wat er Co nser -vancy a nd Electr ic Po w er P ress,2003.[4]《汽车工程手册》编辑委员会.汽车工程手册・试验篇[M ].北京:人民交通出版社,2001.“V ehicle Engineer ing N o tebook ”Edit or Co mmitt ee.Vehicle engineer ing noteboo k ・Ex perim ent [M ].Bei-jing :China Communicatio ns Pr ess ,2001.[5]朱 涛,高 峰,张步良,等.汽车结构中焊缝疲劳寿命预估[J].汽车技术,2006(10):37-40.ZHU T ao ,G AO Feng ,ZHA NG Bu-liang ,et al.Pr e-diction o n fatigue life of seam w elds o f autom otive st ructure [J].V ehicle T echnolog y,2006(10):37-40.・214・工 程 设 计 学 报第14卷。
第三章疲劳载荷谱的统计处理3.1 疲劳载荷谱的统计处理理论基础3.1.1 数字化滤波频率分析的典型参量是功率谱密度（PSD），如像确定频率为4Hz对应的幅值的均方根值，只需要求取功率谱密度下对应的3.5-4Hz之间的面积。
3.1.2 雨流计数法循环计数法：将不规则的随机载荷-时间历程，转化为一系列循环的方法。
3.2 数据的导入与显示（1）新建：File>New（2）导入：Tools>Fatigue Utilities>File Conversion Utilities>Covert ASCII.dac to Binary...>Single Channel（设置，注意Header Lines to skip要跳过的行数）>exit（3）查看：Tools>Fatigue Utilities>Graphic Display>Quick Look Display1）放大：View>Window X，输入X的最值2）读取：①左击任何位置，状态栏显示②数据轨迹：Display>Track3）显示数据点：Display>Join Points；显示实线图：Display>Join4）网格和可选坐标轴：Axes>Axes Type/Grid5）显示某段时间信号的统计信息：Display>Wstats，放大3.3 数字滤波去除电压干扰信号（1）载荷时间历程的PSD分析1）File>New2）Tools>Fatigue Utilities>Advanced Load Utilities>Auto Spectral density（2）信号的滤波1）Tools>Fatigue Utilites>Advanced Load Utilities>Fast Fourier Filtering2）比较滤波前后结果：Tools>Fatigue Utilities>Graphic Display>Multi-file Display（3）滤波稳定性检查：比较前后PSD，多文件叠加显示第四章应力疲劳分析4.2 载荷谱块的创建与疲劳寿命计算（1）创建载荷谱块：Tools>Fatigur Utility>Load Management>Add an Entry>Block program （2）疲劳分析：Tools>Fatigue Utilities>Advanced fatigue utilities>选方法4.3 零部件疲劳分析（1）导入有限元模型及应力结果：工具栏Import>Action、Object、Method，查看Results （2）疲劳分析1）设置疲劳分析方法：工具栏Analysis，设置2）设置疲劳载荷①创建载荷时间历程文件Loading info>Time History Manager②将有限元分析工况与时间载荷关联：Loading Info>Load case空白>Get/Filte result...3）设置材料的疲劳特性：Material info>Materials Database Manager>create...4）求解：Solution Params5）疲劳分析：Job Control6）查看寿命结果云图：Import Fatigue Result...>Action:Read results>工具栏Results查看7）寿命列表显示：Import Fatigue Result...>Action:List Results...>most damaged nodes （3）优化设计：Import Fatigue Results...>Action:Optimize....1）参数优化：Parameter optimization>Scaling factor>Recalculate2）材料优化：Material Optimization...>Recalculate3）灵敏度分析：Sensitivity analysis>Scaling factor比例因子....4）灵敏度分析结果：results Display>Sensitivity plot第五章应变疲劳分析5.2 考虑残余应力的应变疲劳分析（1）导入有限元模型和应力分析结果（2）先不考虑残余应力的疲劳分析（3）考虑残余应力的疲劳分析1）设置疲劳分析方法：保留Material Info和Solution Params...的设置2）定义残余应力：Loading Info..>Static Load Case:2，单击enter。
3 Ba nnantine J A ,Co mer J J ,Handrock J L .Fundamentals o f M etal Fa tig ue Ana ly -sis.Pretice Hall,1990.4 鲍万年.机械强度有限寿命设计专家工作站配置的疲劳寿命预测和局部应变法.中国机械工程,1997,8(3):25～275 nCode Internatio na l Limited.The n Code Boo k o f Fa-tig ue Theo ry ,1997.6 林晓斌,Hey es P J .多轴疲劳寿命工程预测方法.中国机械工程,1998,9(11):20～237 Halfpenny A ,林晓斌.基于功率谱密度信号的疲劳寿命估计.中国机械工程,1998,9(11):16～198 Austen I M ,林晓斌.加速疲劳试验的疲劳编辑技术.中国机械工程,1998,9(11):27～309 Ensor D F ,林晓斌.关联用户用途的试车技术.中国机械工程,1998,9(11):24～28林晓斌 男,1963年生。
英国n Cod e 国际有限公司高级疲劳工程师、英国Sheffield 大学客座研究员。
1978～1990年在浙江大学学习工作,主要从事压力容器的安全性研究。
1994年获英国Sh effield 大学博士学位,接着做了近两年的博士后研究,在疲劳裂纹形状扩展研究领域取得了国际性领先成果。
1996年加入nCode,从事疲劳新技术的开发研究,已开发了多轴疲劳寿命分析工具。
当前的研究包括多轴疲劳、热机疲劳、疲劳裂纹形状扩展模拟、压力容器及管道的疲劳断裂等。
发表论文40篇。
基于有限元的疲劳设计分析系统M SC /FA TIGU EPete r J .Heyes 博士Peter J .Heyes 林晓斌译 摘要 简单描述了基于有限元分析结果进行疲劳寿命分析的思路,着重介绍了根据时域载荷输入计算构件内各点弹性应力应变响应的各种方法,以及从弹性应力应变结果近似计算弹塑性应力应变历史,并考虑多轴影响的各种途径;简单介绍了几种包含在M SC /FATIGUE 中的疲劳寿命计算方法及其各自的特点;总结了M SC /FA TIGU E 系统的功能和特点,并给出了一个转向节疲劳分析例子。
2017年第5期总第339期造船技术MARINE TECHNOLOGYNo.5Oct.，2017文章编号：1〇〇〇-3878 (2017) 〇5-〇037-〇7基于MSC.F atig u e的30. 6万t原油运输船疲劳强度分析郭威\侯星2,任文彬1(1.上海申博信息系统工程有限公司.上海200032; 2.上海船舶工艺研究所，上海200032)摘要针对船体疲劳事故的发生往往具有突然性.因此更容易造成巨大的人员伤亡和经济损失的问题，论述一种基于MSC.Fatigue软件的船舶疲劳强度分析研究方法，并将其应用于30. 6万t原油船的疲劳强度分析，再与其他研究方法进行比较，以证其可行性。
该研究方法具有以下特点：可用于分析船体不同结构部位的疲劳强度；操作简便.利于使用；结果具有较高的准确性。
关键词疲劳强度分析;MSC.Fatigue;共同结构规范（Common Structural Rules，CSR)中图分类号U661 文献标志码 AFatigue Analysis of 306000t Crude Oil Tanker Based on MSC. FatigueGUO Wei1,HOU Xing2,REN Wenbin1(1. Shanghai Shenbo Information Systems Engineering Co. ,Ltd. ,Shanghai 200032, China；2.Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute,Shanghai 200032, China)Abstract In view of the fact tlat the fatigue phenomenon generally occurs suddenly in a ship hull,and always causes a large number of heavy casualties and economic losses,a method of ship fatigue strength analysis based on MSC.Fatigue software is discussed and the fatigue strength analysis of 306 000 t crude oil tanker is applied.The details of the research method has several advantages：it allows the wide application of different structural details；it is easy to use?and the results are accurate.The research method is proven to be feasible for a ship’s fatigue analysis.Key words fatigue analysis；MSC.Fatigue；Common Structural Rules(CSR)〇引言船舶结构疲劳强度是船舶结构在一定的交变应 力作用下经一定的循环周期不致损坏的能力[1]。
3 Ba nnantine J A ,Comer J J ,Handr ock JL .F undamentals of Met al Fa tigue Analy-sis.P retice Hall,1990.4 鲍万年.机械强度有限寿命设计专家工作站配置的疲劳寿命预测和局部应变法.中国机械工程,1997,8(3):25～275 nCode Inter national Limit ed.The nCode Book of F a-tigue Theory,1997.6 林晓斌,Heyes P J .多轴疲劳寿命工程预测方法.中国机械工程,1998,9(11):20～237 Halfpenny A,林晓斌.基于功率谱密度信号的疲劳寿命估计.中国机械工程,1998,9(11):16～198 Austen I M ,林晓斌.加速疲劳试验的疲劳编辑技术.中国机械工程,1998,9(11):27～309 Ensor D F ,林晓斌.关联用户用途的试车技术.中国机械工程,1998,9(11):24～28林晓斌 男,1963年生。
英国n Code 国际有限公司高级疲劳工程师、英国Sheffield 大学客座研究员。
1978～1990年在浙江大学学习工作,主要从事压力容器的安全性研究。
1994年获英国Sh effield 大学博士学位,接着做了近两年的博士后研究,在疲劳裂纹形状扩展研究领域取得了国际性领先成果。
1996年加入nCode,从事疲劳新技术的开发研究,已开发了多轴疲劳寿命分析工具。
当前的研究包括多轴疲劳、热机疲劳、疲劳裂纹形状扩展模拟、压力容器及管道的疲劳断裂等。
发表论文40篇。
基于有限元的疲劳设计分析系统MSC /FATIGU EPeter J.Heyes 博士Pet er J.Heyes 林晓斌译 摘要 简单描述了基于有限元分析结果进行疲劳寿命分析的思路,着重介绍了根据时域载荷输入计算构件内各点弹性应力应变响应的各种方法,以及从弹性应力应变结果近似计算弹塑性应力应变历史,并考虑多轴影响的各种途径;简单介绍了几种包含在MSC/FATIGUE 中的疲劳寿命计算方法及其各自的特点;总结了MSC/FAT IGUE 系统的功能和特点,并给出了一个转向节疲劳分析例子。
基于ＭＳＣＦａｔｉｇｕｅ的脉动真空灭菌器疲劳分析作者：薛贵林宇慧平隋允康赵尔冰杜家政岳彩锐来源：《计算机辅助工程》2008年第04期摘要：针对某些脉动真空灭菌器在未达到使用寿命时内壁就出现裂纹的问题，应用MSC Patran建立其有限元模型，调用MSC Nastran进行应力分析，然后应用MSC Fatigue软件进行疲劳分析. 将所得寿命分析结果与实际工程使用情况比较，发现疲劳不是脉动真空灭菌器内壁产生裂纹的主要原因.关键词：脉动真空灭菌器；裂纹；疲劳分析； S-N曲线；有限元分析； MSC Fatigue；MSC Patran; MSC Nastran中图分类号：TH771； O346.2； O241.82 文献标志码：0 引言脉动真空灭菌器主体一般为矩形夹套结构，主要包括内壁、外壁、加强筋、底部和大门以及一些其他操作部件.由内壁、外壁、底部和门组成的封闭空间为夹套，在工作过程中主要靠使夹套保持较高温度实现对内腔物品的干燥.内腔两端封闭，形成占主要空间的密封空间，用于放置被灭菌物品.物品从门处放入取出，为了加强内外腔的刚度，改善受力状况，根据不同要求，在脉动真空灭菌器内外壁之间的夹层中设有拉撑加强筋.通常，各部件通过焊接方式连接：加强筋与内壁为断续焊，加强筋与外壁为塞焊，底部与内外壁为全焊.某特种设备检测中心在检测中发现，有些脉动真空灭菌器远未超过使用寿命，但双层结构的内壁出现断续裂纹，大部分集中在加强筋与内壁的焊缝处.真空压力蒸汽灭菌器属于压力容器，内壁开裂具有爆炸的危险性，在人群密集的医院，一旦出现安全事故，影响很大；其次，继续使用开裂后的灭菌器，无法保证灭菌效果，容易引起各种感染，发生医疗事故.为此，需要分析内壁产生裂纹的主要原因.在使用时，脉动真空灭菌器夹套内始终通有左右的蒸汽.内腔中通蒸汽时的压力变化见图1.根据压力变化情况可将使用过程分为抽真空、加压、灭菌、卸载和干燥等阶段.（1）抽真空阶段：第1次抽取内腔空气，真空度达到约-0.09 MPa（相对压强，下同）；内腔通入蒸汽到常压；反复几次，以便达到理想效果.（2）加压阶段：达到真空效果后，继续往内腔充蒸汽，使压强增至约0.22 MPa.（3）灭菌阶段：使内腔压力保持在约0.22 MPa，持续时间应根据被灭菌物品种类设定.（4）卸载阶段：灭菌时间到，从内腔中抽出蒸汽，内部压强达到常压.（5）干燥阶段：灭菌时间结束后，抽取内腔蒸汽到约-0.09 MPa；内腔通入洁净空气到约-0.01 MPa，反复几次达到干燥效果.图 1 内腔充蒸汽压力变化曲线通过以上分析，影响裂纹产生的主要原因可能是：(1)从工作载荷方面看，在加压（或抽真空）、卸压（或干燥）时承受交变载荷的作用，因此会存在疲劳［1-2］问题；（2）从使用方面看，由于灭菌器主要用于对医疗器械等物品的消毒，被消毒物品中存在大量氯离子，因此可能存在应力腐蚀［3］问题.为此，本文以XG1.DMXD.01—00 D型全自动多功能灭菌器（见图2）为例，应用MSC Fatigue［4］疲劳分析软件对其进行疲劳分析，预测脉动真空灭菌器的疲劳寿命.图 2 XG1.DMXD.01—00 D型全自动多功能灭菌器1 应用MSC Patran建立脉动真空灭菌器有限元模型用MSC Patran建立脉动真空灭菌器有限元模型，基于灭菌器的对称性，取其1/2进行几何建模(见图3).图3的右下角角钢是为了便于外壁焊接而添加的两根角钢之一，另一根位于左上角.焊缝、角钢间距以及内外壁倒角等参数见图4.图 3 几何模型示意图图 4 模型几何参数示意图图4中各参数的意义：t1为内壁厚度；t2为外壁厚度；r1为内壁折弯角半径；r2为外壁折弯角半径；k为两相邻加强筋间距.外壁和角钢使用Q235B，其弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3.内壁和底部所用的304不锈钢弹性模量为210 GPa，泊松比也为其余参数见表1，其中t1,t2,t3为实测数据，r1和r2为脉动真空灭菌器工程图纸中所标数据.在进行有限元模型分析前处理时，由于内外壁是板材，因此可以采用壳单元；焊缝不连续(如图4中表示焊接部分的白色线条)；底部和两壁的焊缝为连续焊，加强筋和外壁为塞焊；通过实验测得焊缝连接处的残余应力.［5］对焊缝区施加残余应力，平行于焊缝方向的数值为210 MPa，垂直于焊缝方向的数值为220 MPa.由于在夹套内始终有0.22 MPa的蒸汽压力，且内腔数值为充入蒸汽压力的最小值为-0.09 MPa，所以内壁承受的最大载荷为0.31 MPa.2 应用MSC Nastran对灭菌器进行应力分析经过MSC Patran处理后，应用MSC Nastran对真空脉动灭菌器模型进行数值计算：图5是只有残余应力时的应力云图，最大应力为170 MPa；图6为有内压0.31 MPa且带有残余应力情况下的应力云图，最大应力为246 MPa.有无残余应力时应力最大值均出现在断续焊缝的断点处，也正是在实际使用过程中最先出现裂纹［6］的地方.图 5 只有残余应力时的应力云图图 6 内压为0.31 MPa且考虑残余应力时的应力云图3 用MSC Fatigue进行疲劳分析3.1 MSC Fatigue的背景和理论基础简介MSC Fatigue是在MSC.Software公司与英国nCode国际公司紧密合作基础上发展起来的疲劳仿真软件，为用户提供疲劳耐久性集成化仿真系统.［7］由于脉动真空灭菌器在内壁处容易产生裂纹，且只有内壁承受交变载荷的作用，因此只对灭菌器内壁进行疲劳寿命分析，找出其寿命的薄弱环节，为将来的设计提供理论依据.用有限元法进行疲劳分析的基本思路是：首先进行静强度或动强度分析，提取相关应力应变结果，再定义载荷事件和材料疲劳特性，并根据所需要的疲劳准则对每个载荷事件进行寿命计算，最后根据累积损伤理论判断是否发生疲劳.由于结构受力状态往往是个复杂的应力状态，而实验中测得的结构材料S-N［8-10］曲线在对称循环应力状态下获得，因此常用最小能量屈服准则或其他等效准则，将所研究的疲劳点上的复杂应力用1个等效应力替代.这一过程在有限元法中很容易实现，等效替代以后即可参照原始材料的S-N曲线进行疲劳寿命评估，这种方法称之为名义应力法［11-12］.本文在疲劳分析时采用MSC Fatigue有限元疲劳分析中的名义应力分析法，用有限元法预测疲劳寿命［13］的过程见图7.图 7 疲劳寿命预测流程3.2 灭菌器内壁材料参数和载荷设置因为脉动真空灭菌器的结构对称，选择其内壁1/2模型为疲劳分析对象，内壁材料为304不锈钢，在测定S-N曲线的疲劳实验中也选用该材料，通过最大应力246 MPa和最小应力170 MPa进行计算，取应力比为0.70.通过实验测试，材料的屈服强度为，强度极限为666 MPa.在MSC Fatigue中创建以实验数据为参数的304不锈钢的材料S-N曲线，创建的S-N 曲线图见图8.由于在夹套中始终通有0.22 MPa的蒸汽，而内腔中的蒸汽压力变化曲线见图1，通过分析可以得出内壁受力曲线见图9，所以在MSC Fatigue的材料和载荷设置中分别导入如图8和图9所示曲线.考虑残余应力影响，在进行疲劳分析设置中选择2种工况载荷，一种为只有残余应力工况（见图5）作为静态载荷，另一种为有内压且带有残余应力工况（见图6）.指定1个静载荷工况进行分析，从操作工况下得到的有限元分析应力乘以在任何给定时间步的载荷历程因子，用从静态（残余）载荷工况得到的应力弥补有内压(残余)载荷工况下的应力.图 8 304不锈钢的S-N曲线图 9 内壁受力曲线3.3 疲劳分析在上述前处理工作完成后，考虑到模型对称性以及计算方便，将带有残余应力结果中内壁模型的应力结果对应的载荷工况与MSC Fatigue已建立的内壁载荷曲线相关联，然后运行MSC Fatigue进行分析计算，所得对数寿命云图见图10.图 10 脉动真空灭菌器内壁对数寿命云图4 结论从图10的疲劳寿命云图可见，灭菌器在角钢和内壁的焊点处寿命明显较低，与实际使用过程中脉动真空灭菌器在其角钢和内壁断续焊焊缝断点处最早出现裂纹相符合.但从对数寿命云图上也可以看出最小寿命值为5.21，这是以10为底的对数值，最小寿命值为1.67×105次，超过实际使用寿命（1×104次）.所以，疲劳不是灭菌器发生破坏的主要原因.通过其他影响裂纹产生的原因分析，应力腐蚀很可能是灭菌器内壁裂纹的主要原因.参考文献：［1］武秀根, 郑百林, 杨青, 等. 柴油机曲轴的多柔体动力学仿真与疲劳分析［J］. 计算机辅助工程, 2007, 16(2): 1-4.［2］何兵, 郑长江, 艾钢. 曲轴疲劳寿命三维有限元分析［J］. 计算机辅助工程, 2007, 16(1): 5-9.［3］ GAMBOA E, LINTON V, LAW M. Fatigue of stress corrosion cracks in X65 pipeline ［J］. Int J Fatigue, 2008, 30(5): 850-860.［4］［K］. 2005.［5］张亦良, 李雪, 赵尔冰, 等. XG1.DMXD.01—00 D脉动真空灭菌器残余应力测试结果报告［R］. 北京: 北京工业大学工程力学中心，2007.［6］ FADAG H A, MALL S, JAIN V K. A finite element analysis of fretting fatigue crack growth behavior in Ti-6Al-［J］. Eng Fracture Mech, 2008, 75(6): 1 384-1 399.［7］孙先波. 基于JTP的油船结构疲劳评估方法研究［D］. 大连: 大连理工大学, 2005: 10-35.［8］周传月, 郑红霞, 罗慧强, 等. MSC Fatigue疲劳分析应用与实例［M］. 北京: 科学出版社, 2005: 113-158.［9］ BU[KG--*2]ˇ[DD)]AR T, NAGODE M, FAJDIGA M. An improved neural computing method for describing the scatter of S-［J］. Int J Fatigue, 2007, 29(12): 2 125-2 137.［10］ TATSUO S, YOSUKE S, YOSHIYUKI N, et al. Effect of stress ratio on long lifeading［J］. Int J Fatigue, 2006, 28(11): 1547-1554.［11］姚卫星. 结构疲劳寿命分析［M］. 北京: 国防工业出版社, 2003: 88-116.［12］［J］. Int J Fatigue, 1993, 15(3): 243-246.［13］李良碧, 王自力, 孙强. 耐压锥柱结合壳疲劳寿命有限元预测［J］. 船舶工程, 2004, 26(4): 37-40.(编辑廖粤新)。
