耐久性分析包括材料的疲勞壽命預(yù)測，是計算機(jī)輔助工程中非常重要的一部分。它能提供關(guān)于產(chǎn)品使用壽命的寶貴信息，影響客戶體驗和滿意度。富世華集團(tuán)是一家戶外動力產(chǎn)品生產(chǎn)商，該集團(tuán)將 MSC 軟件的 Nastran 嵌入式疲勞（NEF）軟件作為高效優(yōu)化疲勞分析流程的核心。

產(chǎn)品中任何部位的疲勞都是由二沖程發(fā)動機(jī)的振動引起的，例如電鋸或手持式動力切割機(jī)就是由這種發(fā)動機(jī)驅(qū)動的（圖 1）。在投產(chǎn)之前，一定要透徹了解這一現(xiàn)象。這就是要使用虛擬樣機(jī)來評估材料可能失效的位置并在相應(yīng)位置加強(qiáng)零件結(jié)構(gòu)保證結(jié)構(gòu)完整。在構(gòu)建虛擬樣機(jī)時，所建立的裝置系統(tǒng)模型包括發(fā)動機(jī)、外殼及周邊部件，例如油箱和蓋板。邊界條件為約束手柄處，系統(tǒng)工作將力傳遞到操作員手上。

圖1.富世華手持式動力切割機(jī)

本文重點(diǎn)介紹如何將 MSC 軟件的 Nastran 嵌入式疲勞軟件作為高效優(yōu)化疲勞分析流程的核心。

優(yōu)化后的 Nastran 嵌入式疲勞流程所創(chuàng)建的數(shù)據(jù)量顯著減少，因此不再需要大量的中間結(jié)果文件以及繁瑣的重新導(dǎo)入。

傳統(tǒng)疲勞分析流程 

采用 MSC Nastran 進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動分析是富世華集團(tuán)的長期傳統(tǒng)。集團(tuán)不斷對此進(jìn)行改進(jìn)，例如增加模型的復(fù)雜度。但起初疲勞分析也讓工程師們遇到了一些困難。

傳統(tǒng)的強(qiáng)度和疲勞分析由以下幾個步驟組成：

1. 有限元模型定義

2. 結(jié)構(gòu)振動分析

3. 分析結(jié)果輸出，可能會包含巨大的結(jié)果文件

4. 將 MSC Nastran 結(jié)果文件導(dǎo)入到單獨(dú)的疲勞軟件中，這需要很長時間

5. 大量的讀寫操作，有可能導(dǎo)致內(nèi)存問題

6. 疲勞壽命結(jié)果的后期處理

圖2.傳統(tǒng)疲勞分析工作流程

這是一個無法輕易進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化的繁瑣過程。我們只能對簡短的時間間隔進(jìn)行優(yōu)化，更確切地說，只能對發(fā)動機(jī)的一個轉(zhuǎn)速進(jìn)行優(yōu)化。這種限制是由于提取應(yīng)力數(shù)據(jù)而造成的。提取應(yīng)力數(shù)據(jù)導(dǎo)致結(jié)果文件很大，因此運(yùn)行時間較長。

通過 MSC Nastran—Adams 流程可得到模態(tài)變形、隨時間變化應(yīng)力、應(yīng)力峰值。

實(shí)際上，我們想分析 1 秒鐘的時長，但是只能勉強(qiáng)處理一個沖程。因此不得不將輸出步長數(shù)量減少到 40 個，以曲軸箱分析為例，結(jié)果文件會高達(dá) 40 GB。此外分辨率也不夠高，無法確保不會錯過應(yīng)力變化歷程的最大值。

具備較長的時長分析能力非常重要，這可以確保某一感興趣的模態(tài)能夠被任意的多個發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速激勵。這樣即使建模存在不確定性也能進(jìn)行更穩(wěn)健的分析。運(yùn)動解算器（Adams）和有限元分析工具（MSCNastran）緊密配合可顯著加快工作流程。借助 NEF，富世華集團(tuán)能進(jìn)一步改進(jìn)這一流程。

富世華集團(tuán)當(dāng)初系統(tǒng)化 NEF 流程時，一開始并沒有明確確定耐久性分析的工作流程。MSC 的 Nastran 嵌入式疲勞軟件上市后，這一狀況發(fā)生了改變。經(jīng)過一年的密集評估，我們決定在生產(chǎn)經(jīng)營中使用 NEF 進(jìn)行振動分析。

Nastran 嵌入式疲勞——創(chuàng)新與顛覆

Nastran 嵌入式疲勞（NEF）與傳統(tǒng)處理的區(qū)別在于，由于直接在 MSC Nastran 中完成疲勞分析，因此 NEF 無需導(dǎo)出、導(dǎo)入巨大的二進(jìn)制結(jié)果文件，從而提高了效率（圖 3）。

圖3.Nastran 嵌入式疲勞處理流程

我們還是以上文中的曲軸箱為例對此進(jìn)行說明：如今的 NEF 包含250,000 個殼體單元、200個沖程、30,000 個輸出步長以及一個僅有 50 MB 的通用輸出結(jié)果文件。而傳統(tǒng)處理則包含 250,000 個殼體單元、僅僅1 個沖程、40 個輸出步將輸出產(chǎn)生 40 GB的結(jié)果文件。以 200 個沖程為例，過去需要很長時間，現(xiàn)在只需 1 秒左右就可以輕松地完成分析，而且大幅提高了結(jié)果精度。

疲勞材料數(shù)據(jù)和真實(shí)性

當(dāng)然，我們知道自己建立的模型并不完美。將不精確性考慮在內(nèi)。例如，分析假定溫度是一致的，但在部件中卻有可能存在明顯的溫度分布。另外對附件建模也做了簡化。因此，計算所得的特征頻率可能會偏離真實(shí)值。此外，還針對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速做了一些假定。另一方面，由于這些簡化使得處理更加輕松，現(xiàn)在可以對更長的時長進(jìn)行仿真，因而有助于消除波動。

參照真實(shí)的壽命試驗來校準(zhǔn)輸入疲勞材料數(shù)據(jù)（S-N 曲線），可改進(jìn)疲勞壽命仿真結(jié)果。

圖4.Nastran 嵌入式疲勞處理流程：結(jié)構(gòu)分析結(jié)果＋S-N數(shù)據(jù)曲線＝疲勞輸出，例如應(yīng)力、損傷、壽命

我們對物理疲勞試驗進(jìn)行建模，并通過古德曼修正改變應(yīng)力范圍以調(diào)整 S-N 曲線。采用古德曼修正（赫氏圖）來量化平均應(yīng)力和交變應(yīng)力對疲勞壽命的相互作用。

取得的成果

優(yōu)化后的 Nastran 嵌入式疲勞流程所創(chuàng)建的數(shù)據(jù)量明顯降低。不再需要巨大的中間結(jié)果文件以及繁瑣的再導(dǎo)入。

F?lth 說：“我們可以對整個負(fù)載循環(huán)進(jìn)行分析，而不是局限于負(fù)載峰值附近。”事實(shí)證明，該流程能穩(wěn)定可靠地處理激勵中的各種變化。由于數(shù)據(jù)大小僅為 MB 而非 GB，因此大幅縮短了數(shù)據(jù)傳輸時間。NEF 具有非常實(shí)用的功能，可根據(jù)少量的輸入數(shù)據(jù)自動生成 S-N 曲線。

此外，現(xiàn)在還可以采用黑盒方式建立系統(tǒng)模型。Adams 在腳本環(huán)境中運(yùn)行。這意味著分析和仿真的民主化 

由于無需了解流程中的確切細(xì)節(jié)，因此更多的仿真工程師可以進(jìn)行高端的耐久性分析。富世華產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)能夠在迭代循環(huán)中完成優(yōu)化。

在切割混凝土等硬質(zhì)材料時，專業(yè)動力切割機(jī)會經(jīng)受不穩(wěn)定的外力。借助 NEF，可以更詳細(xì)地就這一行為對動力切割機(jī)耐久性和潛在裂隙的影響進(jìn)行評估。該分析包括 250 個沖程（2 s）、140 個作用在結(jié)構(gòu)上的力脈沖以及 60,000 個應(yīng)力輸出步。

關(guān)于富世華集團(tuán)

富世華集團(tuán)是林業(yè)、公園及園藝護(hù)理戶外動力產(chǎn)品生產(chǎn)商。產(chǎn)品包括鏈鋸、清理鋸、自動割草機(jī)及騎乘式草坪車。

此外，集團(tuán)還生產(chǎn)用于建筑及石材行業(yè)的機(jī)器。集團(tuán)的產(chǎn)品和解決方案品牌包括 Husqvarna、Gardena、McCulloch、Poulan Pro、Weed Eater、Flymo、Jonsered、Diamant Boart 及 RedMax。