HyperWorks在疲劳失效预测分析中的应用
张建振常连霞
中国第一汽车集团公司
HyperWorks 在疲劳失效预测中的应用HyperWorks Application in Fatigue FailurePredication
张建振常连霞
（中国第一汽车集团公司技术中心）
摘要: 产品开发过程中制造加工、台架试验和耐久性试验成本高、周期长，而且失效大多出现在设计完成后，对设计更改带来难度，使用Altair公司的HyperWorks软件进行有限元疲劳预测，将零部件设计水平从寿命定性设计到寿命定量设计变为可能。本文借助HyperMesh和RADIOSS 软件，以平衡悬架大支架为例，介绍疲劳分析的使用过程，将计算结果与试验结果对比，并对改进结构进行验证。
关键词: 疲劳失效,HyperMesh, RADIOSS9.0
Abstract:Based on the theory of finite element analysis and fatigue failure analysis, this paper analyze the fatigue failure of components. The analysis can advance the fatigue life of vehicle components and reduce the design cycle.
Key words:fatigue failure, HyperMesh, RADIOSS9.0
1 概述
在重型自卸车在矿山服役过程中，平衡悬架系统承受着多种恶劣的载荷工况，大支架作为其中的支撑件，一旦出现疲劳失效，会造成悬架系统失效，甚至有可能引起汽车侧翻。利用传统的静强度设计方法已不能满足设计要求，需要选择适当的疲劳设计方法，在设计完成之前进行疲劳失效预测，从而为平衡悬架系统的设计安全性提供保障。利用Altair公司的HyperWorks软件，在一个HyperMesh环境下利用RADIOSS求解器进行静强度和疲劳强度分析，并可利用HyperView软件进行结果显示，既省去了从静强度分析软件到疲劳分析软件相互传递的麻烦，又缩短了零件的设计周期，解决了疲劳失效的预测的难题，是目前零部件分析比较完美的一种结合。
2 疲劳理论及RADIOSS疲劳特点
2.1 疲劳失效实质
疲劳失效在是交变应力作用下而产生，常表观为低应力脆性断裂（宏观上均表现为无明显塑性变形的突然断裂），并且常带有局部性质，局部改变细节设计或工艺措施，就可增强疲劳寿命。它是一个累积损伤的过程，需要经历三个过程：a．裂纹形成(成核)，即.在零
件的高局部应力处，较弱晶粒在交变应力作用下形成微裂纹，然后发展成宏观裂纹；b．裂纹扩展；c．裂纹扩展到临界尺寸时快速断裂。因此，疲劳失效与应力循环次数有关[1]。
2.2 疲劳失效与静态破坏的区别
静强度破坏是在静应力(或等效静应力)作用下的失效，其主要失效形式是产生过大的残余变形(对于塑性材料)，或脆性断裂(对于脆性材料)；其所用材科的强度指标是屈服极限和强度极限。其设计应力是按静载荷或少量出观的峰值载荷进行计算出的名义应力。
2.3 RADIOSS疲劳失效分析步骤
RADIOSS疲劳分析方法是根据S—N曲线，应用线性疲劳累积损伤理论进行高周疲劳寿命估算，流程见图1[2]。
(1) 静态分析确定结构中的
危险部位及相应名义应
力；
(2) 根据载荷时间历程，确
定危险部位的名义应力
时间历程；
(3) 根据疲劳试验数据修正
材料S—N曲线，得到
图1 RADIOSS疲劳失效分析步
零部件S—N曲线；
(4) 应用疲劳损伤累积理论，求出危险部位的疲劳寿命。
2.3 RADIOSS疲劳分析特点
利用RADIOSS9.0进行疲劳分析存在下面几个突出的特点：
（1） 相同的疲劳分析方法得出的结果比ncode软件更加快速和准确；
（2） 可定义无限层的疲劳载荷和工况，为复杂的疲劳载荷工况的分析提供了方便；
（3） 疲劳分析和有限元分析可在同一界面下操作和进行，避免了界面操作和数据转换时带来的不必要的麻烦，后处理仍然使用HyperView模块；
（4） 由于是在HyperWorks平台下开发的，数据接口上将实现无缝连接，今后结合HyperMorph的网格自动变形可实现疲劳优化，结合process Manager可实现
疲劳分析流程固化等，其后期将具有很大的功能扩展性。
3. 模型的建立与分析
3.1 单元划分
在保证大支架分析精度的基础上对平衡悬架系统进行简化，对相关连接件如车架纵梁、
加强板等进行等效处理，模型见图2。基于关注区域细化、非关键区域粗化的原则对大支
架进行网格划分，该有限元模型的结点数和单元数见表1。
表1平衡悬架大支架的结点数和单元数
零件结点数单元数
平衡悬架大支架200464 51027
图2. 大支架有限元模型
3.2 材料特性
计算中所使用的材料参数如下：图2
表2. QT600的材料参数
材料弹性模量泊松比条件屈服疲劳极限最高拉应力
QT600-3 169GPa 0.286 370MPa 251MPa 400MPa
QT600-3属于屈强比高，偏脆的球铁材
料，静强度按最大抗拉强度设计，疲劳强度
材料需要根据实测材料数据，对图3[2]的材
料S-N曲线[2]进行修正得到零部件的S-N曲
线。
图3 QT600-3铸样P－S—N曲
3.3 大支架线性静态步分析
约束与车架纵梁和横梁加强板的连接位置，在板簧与平衡轴接触面中心加载垂直向上载荷，时间载荷历程为方便，做了简化，如下表3。
表3.垂直载荷的时间载荷历程表
时间/秒垂直载荷/KN
0 3.5
1 10.5
2 17.5
进行线性计算，得到结果见图5. 位置2、3拉应力超过了条件屈服强度，并且高应力
区已经贯穿了两处的截面，应力集中最为严重；其次为位置5、6处，应力集中程度相对小
一些。
