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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(jìn)，靠實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架試驗(yàn)或試車場(chǎng)路試來評(píng)價(jià)或改進(jìn)汽車耐久性的方法成本高、周期長(zhǎng)，已經(jīng)逐步被虛擬耐久性設(shè)計(jì)理念取代。隨著汽車行業(yè)內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)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(shí)做到節(jié)省成本。其中，汽車的疲勞耐久性設(shè)計(jì)就是必須面對(duì)的重要課題之一。
疲勞耐久性工程
長(zhǎng)期以來，汽車的耐久性主要靠實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架試驗(yàn)或試車場(chǎng)路試來評(píng)價(jià)或改進(jìn)，這種設(shè)計(jì)思路成本高、周期長(zhǎng)。近一二十年來，CAD/CAE 技術(shù)突飛猛進(jìn)，虛擬耐久性設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)目標(biāo)；采集用戶使用環(huán)境和試車場(chǎng)載荷數(shù)據(jù)；驗(yàn)證分析處理實(shí)測(cè)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(tái)架模擬試驗(yàn)；試車場(chǎng)耐久性試驗(yàn)。
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(guó)恩科（nCode）國(guó)際有限公司開發(fā)了一整套用于汽車耐久性設(shè)計(jì)、分析、試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室臺(tái)架加速和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳遞及管理于一身，是進(jìn)行一體化抗疲勞設(shè)計(jì)必備的一個(gè)分析工具， 也是進(jìn)行異地協(xié)同設(shè)計(jì)的有效工具。 ICE-flow系列產(chǎn)品如圖 2所示，以下對(duì)各功能分別進(jìn)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(jì)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架上做道路模擬試驗(yàn)，也需要為多體動(dòng)力學(xué)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(kuò)展層以及智能型調(diào)理模塊組成?；A(chǔ)層是一個(gè)具有高速運(yùn)算能力的處理器；功能擴(kuò)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(cè)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(hào)。
Somat eDAQ 系統(tǒng)的測(cè)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(dá) 96 個(gè)，數(shù)字信號(hào)通道可達(dá) 10～100 個(gè)。各套系統(tǒng)也可以聯(lián)合組建成一個(gè)分布式同步測(cè)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(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的有線或無線連接進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)試控制。系統(tǒng)帶有大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡，可脫離計(jì)算機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，特別適合于移動(dòng)測(cè)試。 系統(tǒng)可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行在線計(jì)算分析， 記錄時(shí)域、 頻域或雨流循環(huán)直方圖數(shù)據(jù)格式，能進(jìn)行觸發(fā)等不同模式的條件數(shù)據(jù)采集，以適合于長(zhǎng)時(shí)間的用戶環(huán)境調(diào)查和壽命監(jiān)控等場(chǎng)合。另外，系統(tǒng)非常堅(jiān)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(zhǎng)時(shí)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(shí)驗(yàn)式臺(tái)架試驗(yàn)、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(dòng)機(jī)及變速箱等測(cè)試。
2、數(shù)據(jù)處理和實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(hào)的顯示、編輯、算術(shù)及三角運(yùn)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(bào)告等。對(duì)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(hào)并修正這些信號(hào)，通過不同的方法對(duì)數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行檢驗(yàn)。需要將時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行付里葉變換，獲得信號(hào)中的頻率內(nèi)容，或者進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)得出數(shù)據(jù)中包含的循環(huán)頻次信息。在零部件臺(tái)架試驗(yàn)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(gè)加速試驗(yàn)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(dòng)力學(xué)分析和疲勞壽命分析所需要的時(shí)間域有效載荷譜。另外，從實(shí)測(cè)量中直接預(yù)測(cè)疲勞壽命也是耐久性分析中的一項(xiàng)內(nèi)容。ICE-flow GlyphWorks 就是英國(guó) 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(qiáng)大、運(yùn)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(diǎn)。軟件由基礎(chǔ)模塊和一些功能模塊組成，這些模塊包括：時(shí)域處理、頻域分析、異常信號(hào)檢驗(yàn)、疲勞分析、時(shí)域疲勞損傷編輯、頻域加速譜合成、疲勞裂紋擴(kuò)展以及開放 Glyph 和超級(jí) Glyph。GlyphWorks 以交互的方式簡(jiǎn)單直觀地創(chuàng)建一個(gè)有著數(shù)以百計(jì)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(shí)現(xiàn)二次開發(fā)。流程可以加密封裝以實(shí)現(xiàn)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行。另外，GlyphWorks能將處理分析和報(bào)告連成一體，從原始數(shù)據(jù)到最后的分析報(bào)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(tái)架加速試驗(yàn)譜編制，還是疲勞壽命分析，甚至在車輛平順性，振動(dòng)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(shí)測(cè)量、針對(duì)零部件中的一些關(guān)鍵位置進(jìn)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€(gè)零部件進(jìn)行疲勞分析，這使得在設(shè)計(jì)的早期就能夠?qū)μ摂M零部件進(jìn)行疲勞壽命分析與優(yōu)化，以避免設(shè)計(jì)的盲目性，提高實(shí)物樣機(jī)在驗(yàn)證試驗(yàn)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(jì)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(duì)應(yīng)于實(shí)際工況，理想的應(yīng)該是從實(shí)際測(cè)試中所獲得的載荷數(shù)據(jù)。通過對(duì)各種可能影響壽命的參量進(jìn)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(jì)目標(biāo)的設(shè)計(jì)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(diǎn)，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(yàn)分析的無縫整合等多個(gè)方面得到了極大的改進(jìn)，使得一個(gè)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(cè)的汽車某部件疲勞壽命分布圖。
圖 3 DesignLife 預(yù)測(cè)的某汽車部件疲勞壽命分布
圖 3 DesignLife 預(yù)測(cè)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(dòng)態(tài)模型以及焊點(diǎn)分析模型提供了從基本的 S-N，E-N到高等的焊點(diǎn)焊縫、多軸疲勞分析工具；可自動(dòng)鑒別圖示壽命關(guān)鍵點(diǎn)的位置。DesignLife 支持多線程并行計(jì)算，計(jì)算效率非常高。它和GlyphWorks 共處一個(gè)軟件平臺(tái)，并且和數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)疲勞分析完全整合，實(shí)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(shí)測(cè)的原始數(shù)據(jù)、處理過的分析數(shù)據(jù)、臺(tái)架試驗(yàn)的輸入數(shù)據(jù)、有限元載荷數(shù)據(jù)、多體動(dòng)力學(xué)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(jì)也涉及企業(yè)里各個(gè)功能部門，這些部門可能分散在各個(gè)不同的地方，甚至在不同的國(guó)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(jìn)行科學(xué)的管理，以幫助進(jìn)行耐久性或其它關(guān)鍵技術(shù)或重大商業(yè)決策，對(duì)于一個(gè)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(gè)問題。
ICE-flow Library 可在服務(wù)器端對(duì)整個(gè)工作流程，包括試驗(yàn)配置、數(shù)據(jù)上傳、運(yùn)行分析以及整個(gè)試驗(yàn)報(bào)告的提交實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行。 Library系統(tǒng)是對(duì)現(xiàn)有的 PDM 和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的補(bǔ)充，以實(shí)現(xiàn)工程數(shù)據(jù)的管理，包括解決測(cè)試數(shù)據(jù)管理的入門級(jí)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(shí)間登陸。 并且， 系統(tǒng)設(shè)有多級(jí)安全進(jìn)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(jì)效益。
如果有汽車疲勞性方面的研究和需求歡迎致電長(zhǎng)沙艾克賽儀器設(shè)備有限公司0731-84284278。
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