Accexp汽車疲勞耐久性工程解決方案
2016-12-05
近年來，隨著 CAD/CAE 技術突飛猛進，靠實驗室臺架試驗或試車場路試來評價或改進汽車耐久性的方法成本高、周期長，已經逐步被虛擬耐久性設計理念取代。隨著汽車行業內的競爭不斷加劇，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做到節省成本。其中，汽車的疲勞耐久性設計就是必須面對的重要課題之一。
疲勞耐久性工程
長期以來，汽車的耐久性主要靠實驗室臺架試驗或試車場路試來評價或改進，這種設計思路成本高、周期長。近一二十年來，CAD/CAE 技術突飛猛進，虛擬耐久性設計理念已經在一些著名的汽車公司得到了廣泛應用。 一個完整的疲勞耐久性解決方案通常包括如下步驟（如圖 1） ：根據用戶用途建立壽命設計目標；采集用戶使用環境和試車場載荷數據；驗證分析處理實測數據；創建零構件幾何模型；求取零構件間所傳遞的載荷；獲取材料的疲勞壽命性能；預估零構件的疲勞壽命；臺架模擬試驗；試車場耐久性試驗。
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服務公司之一的英國恩科（nCode）國際有限公司開發了一整套用于汽車耐久性設計、分析、試驗及管理的硬件和軟件工具——ICE-flow系列產品。包括：數據采集器 Somat eDAQ、數據分析處理及實驗疲勞軟件 GlyphWorks、CAE 疲勞分析軟件 DesignLife 和耐久性數據管理軟件系統 Library。ICE-flow 集工程數據采集分析處理、疲勞壽命分析模擬、實驗室臺架加速和遠程數據傳遞及管理于一身，是進行一體化抗疲勞設計必備的一個分析工具， 也是進行異地協同設計的有效工具。 ICE-flow系列產品如圖 2所示，以下對各功能分別進行介紹。
圖 2 ICE-flow 系列產品
圖 2 ICE-flow 系列產品
1、數據采集
道路載荷譜采集是疲勞耐久性設計的基礎，我們需要調查用戶的使用環境和用途，需要實測數據在實驗室臺架上做道路模擬試驗，也需要為多體動力學分析、有限元分析以及疲勞壽命分析提供輸入數據。Somat eDAQ 由基礎層、各種不同功能的擴展層以及智能型調理模塊組成。基礎層是一個具有高速運算能力的處理器；功能擴展層包括電橋板、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、數字 I/O板以及高平板。系統可直接接入工程中常用的各類傳感器，用來測量如應變、加速度、溫度、車輪六分力、載荷、壓力、位移、數字脈沖、數據總線及 GPS 等信號。
Somat eDAQ 系統的測試通道數可靈活配置，單套系統的模擬通道數最高可達 96 個，數字信號通道可達 10～100 個。各套系統也可以聯合組建成一個分布式同步測試網絡，以滿足大通道數的數據采集要求。系統采用 TCP/IP 通信協議，可實現與計算機的有線或無線連接進行遠程測試控制。系統帶有大容量的數據存儲卡，可脫離計算機獨立運行，特別適合于移動測試。 系統可以對信號進行在線計算分析， 記錄時域、 頻域或雨流循環直方圖數據格式，能進行觸發等不同模式的條件數據采集，以適合于長時間的用戶環境調查和壽命監控等場合。另外，系統非常堅固，具有良好的抗震防塵和防水濺功能，在惡劣的工作環境下能夠保持長時間的穩定工作。
Somat eDAQ 系統已經廣泛應用于汽車的道路載荷譜數據采集、實驗式臺架試驗、用戶使用狀況調查以及汽車安全性、剎車系統、排放系統、發動機及變速箱等測試。
2、數據處理和實驗疲勞分析
數據采集器所記錄的原始數據通常需要進行分析處理才能變成工程中有用的信息。 原始數據的常規處理通常包括：信號的顯示、編輯、算術及三角運算；頻譜分析；數據格式轉換；單位轉換、元數據處理及報告等。對于疲勞耐久性而言，需要鑒別出原始數據中所包含的異常信號并修正這些信號，通過不同的方法對數據的有效性進行檢驗。需要將時域數據進行付里葉變換，獲得信號中的頻率內容，或者進行雨流計數得出數據中包含的循環頻次信息。在零部件臺架試驗部門， 需要將采集的數據根據疲勞等效原理轉換成一個加速試驗所需的輸入數據。而在 CAE 分析部門，則需要從數據中提取出有限元分析、多體動力學分析和疲勞壽命分析所需要的時間域有效載荷譜。另外，從實測量中直接預測疲勞壽命也是耐久性分析中的一項內容。ICE-flow GlyphWorks 就是英國 nCode 公司為了滿足上述工程需要而開發的新一代數據處理和疲勞分析工程軟件。
GlyphWorks 具有流程式架構、功能強大、運行高效、與各種數據格式無縫兼容、可方便地處理分析大通道數海量數據等突出優點。軟件由基礎模塊和一些功能模塊組成，這些模塊包括：時域處理、頻域分析、異常信號檢驗、疲勞分析、時域疲勞損傷編輯、頻域加速譜合成、疲勞裂紋擴展以及開放 Glyph 和超級 Glyph。GlyphWorks 以交互的方式簡單直觀地創建一個有著數以百計的處理及分流步驟的流程。企業自己開發的程序也能夠通過開放Glyph 接入分析流程實現二次開發。流程可以加密封裝以實現企業標準的執行。另外，GlyphWorks能將處理分析和報告連成一體，從原始數據到最后的分析報告可一步完成。 GlyphWorks 軟件已經在汽車行業得到了廣泛的應用。無論是道路載荷譜處理分析、用戶關聯試車方案制定、臺架加速試驗譜編制，還是疲勞壽命分析，甚至在車輛平順性，振動噪聲分析中都發揮出了顯著的作用。
3、CAE 虛擬疲勞分析
傳統的疲勞分析是基于一些工程實測量、針對零部件中的一些關鍵位置進行的。隨著CAD和 CAE 技術的迅速發展，現在也已經能夠對整個零部件進行疲勞分析，這使得在設計的早期就能夠對虛擬零部件進行疲勞壽命分析與優化，以避免設計的盲目性，提高實物樣機在驗證試驗中第一次通過的可能性，從而縮短產品的開發周期。
CAE 疲勞分析的基本原理是：根據有限元分析中所獲得的應力應變結果，再結合材料的疲勞壽命性能， 然后， 應用疲勞理論計算出零部件的疲勞壽命分布。 零部件中所受的載荷，應該對應于實際工況，理想的應該是從實際測試中所獲得的載荷數據。通過對各種可能影響壽命的參量進行敏感性分析，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、以壽命為設計目標的設計方案。
ICE-flow DesignLife 是nCode 開發的新一代 CAE 疲勞分析軟件，它繼承了已經得到廣泛應用的 FE-Fatigue軟件的功能特點，并且在分析流程的創建、各種參數的定義、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分析的無縫整合等多個方面得到了極大的改進，使得一個復雜的疲勞分析優化變得容易和直觀。圖 3 為利用DesignLife 預測的汽車某部件疲勞壽命分布圖。
圖 3 DesignLife 預測的某汽車部件疲勞壽命分布
圖 3 DesignLife 預測的某汽車部件疲勞壽命分布
DesignLife 與業界流行的 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、瞬態或模態疊加動態模型以及焊點分析模型提供了從基本的 S-N，E-N到高等的焊點焊縫、多軸疲勞分析工具；可自動鑒別圖示壽命關鍵點的位置。DesignLife 支持多線程并行計算，計算效率非常高。它和GlyphWorks 共處一個軟件平臺，并且和數據處理實驗疲勞分析完全整合，實現了真正意義上的一體化疲勞耐久性分析。
4、耐久性數據管理
汽車的耐久性管理涉及到大量的工程數據。有實測的原始數據、處理過的分析數據、臺架試驗的輸入數據、有限元載荷數據、多體動力學模擬中的輸入輸出載荷、還有各種材料的常規和疲勞性能數據。
另外，耐久性設計也涉及企業里各個功能部門，這些部門可能分散在各個不同的地方，甚至在不同的國家。 如何將來自不同部門不同地方的這些海量數據有效并快速地轉換成有用的信息并進行科學的管理，以幫助進行耐久性或其它關鍵技術或重大商業決策，對于一個企業是至關重要的。ICE-flow Library 是 nCode 開發的基于網絡的數據管理系統，旨在解決這個問題。
ICE-flow Library 可在服務器端對整個工作流程，包括試驗配置、數據上傳、運行分析以及整個試驗報告的提交實現自動化運行。 Library系統是對現有的 PDM 和數據庫系統的補充，以實現工程數據的管理，包括解決測試數據管理的入門級解決方案軟件包和基于網絡的數據處理和分析系統包。Library 系統需要專門的服務器用來連接互聯網和局域網，用戶可以在任何時間登陸。 并且， 系統設有多級安全進入控制以保證系統的安全性。 ICE-flow Library已經在一些著名的汽車,摩托車制造商中得到應用，產生了巨大的經濟效益。
如果有汽車疲勞性方面的研究和需求歡迎致電長沙艾克賽儀器設備有限公司0731-84284278。
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