虚拟疲劳试验虚拟疲劳试验大连交通大学兆文忠2 0 0 5 年6 月大连交通大学主要内容1 . 虚拟疲劳试验的目的及意义2 . 虚拟疲劳试验的技术路线（基于B S 或I I W 标准）3 . 关键技术 虚拟动应力换算1 ）等幅变换2 ）变幅变换4 . 工程应用实例大连交通大学1 虚拟疲劳试验的目的及意义1 . 虚拟疲劳试验的目的及意义在没有物理样机/ 样本的产品设计阶段，基于以有限元数值仿真为内核的虚拟样机技术及相关的数据库，在计算机中对产品结构进行疲劳寿命预测，并可以基于数值模型进行任意次数的设计方案对比修改，以最短的周期、最低的成本支持产品结构抗疲劳设计。关键词：虚拟样机；有限元；数据库；疲劳寿命预测；方案对比大连交通大学1 虚拟疲劳试验的目的及意义（1 ）疲劳试验台的工作方式- - - -C W - 2 构架疲劳加载大连交通大学1 虚拟疲劳试验的目的及意义（2 ）疲劳试验台的工作方式- - - - - 出口巴基斯坦构架疲劳加载大连交通大学1 虚拟疲劳试验的目的及意义（3 ）疲劳试验台的工作方式- - - - 提速货车抗菱交叉杆疲劳加载大连交通大学2 虚拟疲劳试验的技术路线 （基于B S 或I I W标准）技术路线图大连交通大学2 虚拟疲劳试验的技术路线 （基于B S 或I I W标准）关于技术路线中多载荷事件影响的综合：以货车为例，牵引梁主要受车钩力影响，而靠近心盘处，不仅要考虑纵向车钩力的影响，还要考虑来自心盘垂向载荷影响。此现象称之为多载荷综合事件。工程解决对策：对于组合载荷事件（或称之为组合谱），由于：（1 ）很难确定各个分载荷之间的相位关系；（2 ）很难确定各个分载荷作用下局部应力矢量之间的关系，大连交通大学2 虚拟疲劳试验的技术路线 （基于B S 或I I W标准）因此，可用下式综合：或者：式中，寿命i 为第i 个分载荷作用下的寿命。 （此现象类似于并联电路电阻的算式） 它表明: 综合载荷作用下的寿命永远小于( m i n ( 寿命i ) ) 。 =+=Iii11 21 111 寿命寿命寿命综合寿命KK =Iii111寿命综合寿命大连交通大学3 关键技术 虚拟动应力换算1 ）等幅变换 （1 ）有限元建模并求解（事先考虑精细网格）； （2 ）选择被评估的位置（例如，某一焊缝）； （3 ）拾取该位置上某一载荷作用下的最大主应力（如果是板 壳单元，在距焊缝最近的结点上拾取其平均值；如果用三维块体 元模拟焊缝，也应在距焊趾最近的结点上拾取平均值）； （4 ）求动载荷（例如，疲劳试验机上拟加的动载荷）与（3 ） 中静载荷变化比例； （5 ）将该比例作用于（3 ）中的应力值，即得虚拟动应力； （6 ）求应力变化范围：minmax=大连交通大学3 关键技术 虚拟动应力换算大连交通大学3 关键技术 虚拟动应力换算2 ）变幅变换大连交通大学3 关键技术 虚拟动应力换算（1 ）变换细节同前 （2 ）变换后需要雨流计算编谱，例如：e 雨流计数直方图（分级1MPa）大连交通大学3 关键技术 虚拟动应力换算3 ）从线路动应力贴片测试结果折算为用于疲劳试验加载 的等幅应力 （1 ）原则 如果两个事件损伤相等，则认为两个事件互相等效。 通常将变幅事件等效为一个等幅事件。 （2 ）换算公式 由等参数S - N 曲线方程：CNm= （1 ）式中，m 与C 为材料常数。由式（1 ），可以得到：大连交通大学3 关键技术 虚拟动应力换算m eqm iiNN=0 （2 ）式（2 ）中，0N为常幅当量应力0的失效循环次数。 由迈纳尔法则：11= =iii Nn （3 ）式（3 ）分子与分母同乘以m i，得：I =Iim iim ii Nn11 （4 ）将式（2 ）代入到式（4 ），得： =Iim eqm ii Nn101 （5 ）大连交通大学3 关键技术 虚拟动应力换算由式（5 ），于是得：mIim iieqnN110)1( = （6 ）如果等参数S - N 曲线中应力为应力范围，则上述推导过程仍 成立，于是有：mIim iieqnN110)1( = （7 ）式（6 ）或（7 ）的物理解释：在一个全寿命历程内，应力分量致使的疲劳损伤和等于 某一个应力致使的疲劳损伤，该应力即为等效损伤应力。上述解释对用应力范围表示的S - N 曲线亦成立。大连交通大学3 关键技术 虚拟动应力换算注意：当获得的损伤小于1 时，例如：从大连至北京进行了一次动应力测试，如果大连至北京距离为, 而设计寿命，那么其损伤比为：mIim iieqnNL110)( =lKM1000=lKML万1200=12001.0=Ll如果利用大连至北京线路动应力测试结果推算疲劳试验机上的 1 2 0 0 万K M 寿命要求下的加载，将（4 ）式中的损伤比改为，修改 后，得等效应力幅如下：L/l大连交通大学3 关键技术 虚拟动应力换算4 ）对于双斜率的S - N 曲线，由迈纳尔损伤累积，也可以根据累积 损伤等效原则求其等效应力：+ =ijjimmjjjmmiLm iieqnnnn1)()()(2211 式中，、分别为S - N 曲线斜率；为与对应的i 个应力分量循环次数；为与对应的j 个应力分量循环次数；为双斜率S - N 曲线上的常幅疲劳极限。1m2m1m2minjnL大连交通大学5 小结( 1 )高质量的有限元模型是虚拟疲劳试验的基础;( 2 )如果某些标准中规定了疲劳试验的各个载荷, 应该按标准中 规定的疲劳试验载荷加载到有限元模型中以得到动应力;( 3 )如果基于线路贴片得到的动应力谱进行虚拟疲劳试验, 可以 用式( 6 ) 换算.( 4 )虚拟疲劳试验的最大好处在于设计阶段的各种方案的抗疲 劳能力的快速对比.大连交通大学谢谢大家！