結構疲勞壽命、可靠性可視化技術與虛擬疲勞設計
論文關鍵詞:有限元軟件;疲勞壽命;壽命可視化;可靠性可視化;ANSYS
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論文摘要:介紹了大型圖形用戶界面有限元軟件、疲勞壽命預測模型、疲勞壽命可視化、可靠性可視化實現方法等結構疲勞壽命以及可靠性可視化技術。闡述了先進的基于“全場”疲勞壽命、可靠性可視化技術的產品虛擬疲勞設計思想。以有限元軟件ANSYS為平臺，自行開發了基于結構疲勞壽命、可靠性可視化技術的外部模塊，并采用該模塊對某戰斗機起落架框進行了“全場”疲勞壽命、可靠性可視化分析。
疲勞與可靠性是產品設計過程中需要考慮的重要環節。目前，基于產品結構可視化技術的虛擬設計思想，已成為現代產品設計與優化的潮流。工程師利用計算機，能夠在無需產品樣機的前提下即可通過CAE工程分析軟件在虛擬環境中快速、全面、有效地獲得“虛擬樣機”的相關性能，如產品結構的應力分布、疲勞壽命和可靠性等。然后在此基礎上，對“虛擬樣機”進行“全場”的壽命分析與優化，進行所謂的“一次就對”的設計，可大大避免設計的盲目性，縮短產品開發周期，降低成本。
1、結構疲勞壽命、可靠性可視化技術
1.1結構壽命、可靠性可視化開發平臺—圖形用戶界面有限元軟件
隨著有限元法及數值模擬技術在工程中的廣泛應用，目前，國際上出現了一批著名的圖形用戶界面有限元軟件，像ANSYS,NASTRAN等。這些軟件將有限元分析、計算機圖形學和優化技術緊密結合，已成為解決現代工程問題必不可少的工具，且具有如下共同特點：
(1)通用的數據接口。
可與許多知名的CAI〕軟件，如AutoCAD, Pro/E等共享數據。利用數據接口，可精確地將在CAI〕系統下生成的幾何模型傳入有限元分析軟件，而后準確地在該模型上進行網格劃分并求解，這樣用戶可以方便地利用已有的模型，而不必因重新建模而費時耗力。
(2)友好的圖形用戶界面。
具有友好的圖形用戶界面，易學易用。用戶通過這些界面可以方便地訪問程序的各種功能、命令、用戶手冊;建立或修改模型;劃分網格及加載;直觀顯示模型及計算結果等。
(3)開放的二次開發功能。
為用戶提供了廣闊的二次開發功能。通過系統提供的語言編程，可對有限元模型中相關的參量(如節點坐標、應力、應變等)實現如下操作或功能:定義參數、數組、函數;進行數學運算;分支和循環;宏操作等。系統甚至還允許用戶利用高級語言(如Fortran語言)編寫子程序，并把這些代碼和系統提供的語言代碼連接在一起，從而增加程序的靈活性。
由于目前知名的通用有限元軟件大都具有如上特點，因此，當使用這些有限元軟件對產品結構進行應力分析后，再結合具體的應力譜、材料的疲勞性能參數、適當的疲勞壽命預測模型、應力“準靜態疊加法”、壽命概率分析以及這些軟件的二次開發功能，便可計算出模型上每點的疲勞壽命與破壞概率分布，并將壽命、破壞概率結果在這些有限元軟件的圖形窗體中顯示，即可實現結構“全場”疲勞壽命與可靠性的可視化。1.2疲勞壽命預測模型
目前，人們發展了各種各樣的疲勞壽命預測方法，其中，S一N應力壽命法、e一N局部應變法以及基于斷裂力學理論的疲勞裂紋擴展壽命方法，已成為三種經典的疲勞壽命預測方法。要實現結構疲勞壽命的可視化，必須計算出結構中每一點的疲勞壽命，顯然，選擇S一N應力壽命法和e一N局部應變法較為方便。
除了以上的疲勞壽命模型以外，還有許多較為復雜的疲勞理論模型，也可望在結構疲勞壽命可視化技術中取得應用。這些方法中較典型的有:多軸疲勞理論、磨損疲勞、接觸疲勞、熱機疲勞及蠕變疲勞等。
1.3結構壽命與可靠性可視化方法
如圖1所示，結構疲勞壽命、可靠性可視化實現方法可分為如下幾個步驟:
(1)把CAI〕系統下生成的幾何模型傳人有限元分析軟件，并對其進行應力分析。
(2)根據應力計算結果，采用應力“準靜態疊加法則”，并結合具體的應力譜、材料疲勞性能參數、適當的疲勞壽命預測模型及壽命概率分析，計算出模型上每點的疲勞壽命與破壞概率分布。
(3)通過有限元軟件的宏命令，使模型每點的疲勞壽命、破壞概率在有限元軟件的圖形窗體中顯示，即實現結構“全場”疲勞壽命與可靠性的可視化。
這里需要說明幾點:
(1)結構疲勞壽命、可靠性可視化實現方法的第二步，可由vc,vs等語言開發的外部模塊—疲勞壽命可視化模塊來完成。
(2)結構上的很大一部分點應力可能很小，壽命很大，即出現所謂的“無限壽命”(譬如，大于10”載荷循環)。對于這些點，其壽命可以在分析時直接賦某一約定的長壽命值，如10”載荷循環，并視其破壞概率始終為０。
(3)要從材料常幅疲勞性能數據的概率分布，通過概率分析確定譜載下結構的疲勞壽命概率分布通常是很困難的。這里給出一種近似的“等壽命等概率分布”的確定原則，即:①用材料的S一N(或e一N)疲勞特性均值曲線和適當的疲勞壽命預測模型，算出結構上各節點的疲勞壽命N};②在圖2材料常幅疲勞性能曲線上，得到壽命均值等于N;對應的名義應力S;(或名義應變e})及相應試驗組的壽命概率分布Fr(N);③認為F;( N)即為壽命等于N，節點的壽命概率分布。
(4)采用圖1的疲勞壽命可視化方法，不但可以直觀地觀察結構“全場”的疲勞壽命分布，而且還可以給出結構經歷N次循環載荷后“全場”的破壞概率分布。
2、基于疲勞壽命、可靠性可視化技術的虛擬疲勞設計
圖3給出了一種新的基于疲勞壽命與可靠性可視化技術的虛擬疲勞設計方案。從圖3中可以看出，與傳統基于實驗的“設計一試驗一調整”的產品設計方案相比，該方案相當于在傳統設計方案中引人了基于疲勞壽命與可靠性可視化技術的虛擬疲勞設計思想。也就是說，在實物樣機生產之前，通過虛擬環境下的疲勞壽命與可靠性可視化技術，對“虛擬樣機”進行“全場”的壽命分析與設計優化，并使得第一個實物樣機一經生產，便已是一個經過“疲勞優化”了的“好”產品，這樣，大大避免設計的盲目性，提高了實物樣機第一次或第二次就能通過疲勞試驗的可能性，從而縮短了產品的開發周期。顯然，在產品設計中，引人基于疲勞壽命與可靠性可視化技術的虛擬疲勞設計思想有如下優點:以疲勞壽命和可靠性為設計目標;試驗只對“好”設計進行;“全場”疲勞壽命、可靠性可視化、產品結構的壽命、可靠度分布直觀;不同設計方案設計的產品壽命評估更方便;實驗與理論緊密配合，理論指導試驗，試驗驗證理論;產品的設計是經過基于“全場”疲勞壽命分布優化的;產品性能好、開發周期短及開發成本低。
3、結構疲勞壽命與可靠性可視化技術在工程中的應用
采用上述的可視化技術，用VF3語言開發了以ANSYS為平臺的疲勞壽命及可靠性分析可視化外部模塊—Fatigue/ AN-SYS} Fatigue/ A.VSYS運行后的界面如圖a所示。用戶可以通過該界面，根據需求選擇不同的壽命分析方法二當用戶用AN-SYS對模型進行應力分析后，調用該模塊便可以計算出有限元模型上各節點的疲勞壽命及其概率分布。然后，再通過相應的ANSYS宏命令，即可實現“全場”疲勞壽命與可靠性的可視化。
用ANSYS對某戰斗機起落架框進行靜力分析的應力結果,分別用Fatigue/ A1vISYS計算后給出的起落架框“全場”對數壽命分布，以及起落架框經過80 000循環載荷時的破壞概率分布。限于篇幅，這里具體分析細節和過程從略。
以全面地獲得該起落架框的疲勞壽命分布信息，而且還可以直觀地了解結構“全場”某時刻的破壞概率。根據這些計算結果，設計師可對該起落架的安全性進行全面的評估，同時還可在虛擬環境下，對該起落架框進行進一步的設計優化。
4、結論
介紹了圖形用戶界面有限元軟件、結構疲勞壽命、可靠性可視化實現方法等結構可視化技術。闡述了先進的基于“全場”疲勞壽命、可靠性可視化技術的產品虛擬疲勞設計思想。采用基于AN5Y5有限元軟件平臺自行開發的可視化軟件—Fatigue/ AN5Y5，對國產X戰斗機起落架框進行了“全場”的疲勞壽命及可靠性可視化分析。對工程中的結構可視化虛擬設計具有重要的參考價值。
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