面臨的挑戰：

產品中任何部位(wei)的疲勞(lao)都(dou)是由二沖程發動(dong)(dong)機(ji)(ji)的振動(dong)(dong)引(yin)起的，例如電鋸或手持式動(dong)(dong)力切割機(ji)(ji)就是由這(zhe)種發動(dong)(dong)機(ji)(ji)驅(qu)動(dong)(dong)的（圖 1）。在(zai)(zai)投產之前，一定要徹底了(le)解這(zhe)一現象(xiang)。這(zhe)就是要使用虛擬(ni)(ni)樣機(ji)(ji)制造(zao)來評估材料可能(neng)失效的位(wei)置(zhi)并在(zai)(zai)相應(ying)位(wei)置(zhi)加(jia)強零件(jian)結構完整性的原因(yin)所在(zai)(zai)。在(zai)(zai)進行虛擬(ni)(ni)樣機(ji)(ji)制造(zao)時，所建立的裝置(zhi)系統模型包括發動(dong)(dong)機(ji)(ji)、外殼(ke)及周(zhou)邊(bian)(bian)部件(jian)，例如油箱和(he)蓋(gai)板。用邊(bian)(bian)界條件(jian)表示手柄(bing)以及如何將力傳遞到(dao)操作員手上。

來自海克斯康的解決方案：

傳統(tong)疲勞分析流程

采用 MSC Nastran 進(jin)行結構振動分析(xi)是(shi)富世華集團的長(chang)期傳統。集團不(bu)斷對此進(jin)行改(gai)進(jin)，例如(ru)增(zeng)加模型的復雜度。但(dan)起初疲勞(lao)分析(xi)也讓工(gong)程(cheng)師們(men)遇到了一些困(kun)難。

傳統的強度和疲(pi)勞分析由以下幾個(ge)步驟組(zu)成：

1. 有限元模型(xing)定義(yi)

2. 結構振動分析

3. 分析輸出(chu)，可能會包含(han)巨大(da)的結果文件

4. 將(jiang) MSC Nastran 結果文件(jian)(jian)導入到單獨的疲勞(lao)軟件(jian)(jian)中，這需要(yao)很長時間(jian)

5. 大量(liang)的讀(du)寫操作，有可能導致內存(cun)問題

6. 疲勞(lao)壽命結果的后期處(chu)理

這(zhe)是一個無(wu)法輕易進行(xing)設計(ji)優化(hua)的繁瑣過(guo)程。我們只(zhi)能對(dui)簡短的時間(jian)間(jian)隔進行(xing)優化(hua)，更確切地(di)說，只(zhi)能對(dui)發動機的一個轉速(su)進行(xing)優化(hua)。這(zhe)種限制是由于提取應力(li)(li)數(shu)(shu)據而造成的。提取應力(li)(li)數(shu)(shu)據意味著結果文件很大，因此運行(xing)時間(jian)較長。

通過 MSC Nastran—Adams 流程可得到模態變形(xing)、應力時程及應力峰值。

實際(ji)上，即使我(wo)們能分(fen)(fen)析 1 秒鐘的(de)時(shi)長，也只能勉強處理一個沖程。因此不(bu)(bu)得不(bu)(bu)將輸出步長數量(liang)減少到 40 個，如果以曲(qu)軸箱(xiang)分(fen)(fen)析為(wei)例，結果文(wen)件會高(gao)達 40 GB。此外(wai)分(fen)(fen)辨(bian)力也不(bu)(bu)夠高(gao)，無法確保不(bu)(bu)會錯(cuo)過應力變化歷程的(de)最大值(zhi)。

具(ju)備較(jiao)長(chang)的(de)(de)時長(chang)分(fen)析能力非常重(zhong)要，可確保通過任意的(de)(de)發動(dong)機轉速倍數來激(ji)勵感(gan)興(xing)趣(qu)的(de)(de)特定(ding)(ding)系(xi)統(tong)模式。這樣即(ji)使建模存(cun)在不(bu)確定(ding)(ding)性也能進(jin)行更穩(wen)健的(de)(de)分(fen)析。運動(dong)解算器（Adams）和(he)有限元分(fen)析工具(ju)（MSC Nastran）緊密(mi)配合可顯著加快工作(zuo)流程(cheng)。借助 NEF，富世華集團能進(jin)一步改進(jin)這一流程(cheng)。

富世(shi)華集團(tuan)當初系統化 NEF 流程時，一(yi)(yi)開始(shi)并沒有明確確定耐久(jiu)性分析(xi)的工(gong)作流程。MSC 的 Nastran 嵌(qian)入式疲勞軟(ruan)件上市(shi)后，這一(yi)(yi)狀(zhuang)況(kuang)發生了改變(bian)。經(jing)過一(yi)(yi)年的密集評(ping)估，我們決定在生產經(jing)營中使用(yong) NEF 進行振動分析(xi)。

Nastran 嵌入式疲勞(lao)——創(chuang)新(xin)與顛覆

Nastran 嵌入式疲(pi)勞（NEF）與(yu)傳統處理的(de)區別在于，由于直接在 MSC Nastran 中完成(cheng)疲(pi)勞分析(xi)，因此(ci) NEF 無(wu)需導(dao)出、導(dao)入巨大的(de)二進制結果文件，從而(er)極大地提高了(le)效率（圖 3）。

我們還是以(yi)上文(wen)中的曲軸箱為(wei)例對此進(jin)行說明(ming)：如今的 NEF 包(bao)含 250,000 個(ge)殼體單(dan)元、200 個(ge)沖程(cheng)(cheng)、30,000 個(ge)輸出步(bu)(bu)長以(yi)及一個(ge)僅(jin)有(you) 50 MB 的通用輸出結(jie)果文(wen)件。而(er)傳統處理則包(bao)含 250,000 個(ge)殼體單(dan)元、只(zhi)有(you) 1 個(ge)沖程(cheng)(cheng)、40 個(ge)輸出步(bu)(bu)長以(yi)及 40 GB的輸出結(jie)果文(wen)件。以(yi) 200 個(ge)沖程(cheng)(cheng)為(wei)例，過去(qu)需要(yao)很長時間，現在(zai)只(zhi)需 1 秒(miao)左右就可(ke)以(yi)輕松地完成(cheng)分(fen)析，而(er)且(qie)大幅提高了結(jie)果精度。

疲勞材料數據和真實性

當然(ran)，我們知道自己建立的(de)模型(xing)并不完美。必須將不精確(que)性考慮在內。例如，分析(xi)假定溫度是一(yi)致的(de)，但在部件中卻有可(ke)能(neng)存在明顯的(de)溫度分布(bu)。另(ling)外(wai)對(dui)附件建模也做(zuo)了(le)簡(jian)化。因(yin)此，計算所得的(de)本征頻(pin)率可(ke)能(neng)會偏離(li)真實值。此外(wai)，還針對(dui)發動(dong)(dong)機(ji)轉速做(zuo)了(le)一(yi)些假定。另(ling)一(yi)方面，由于這些簡(jian)化使得處理更加(jia)輕松，現在可(ke)以對(dui)更長的(de)時長進行仿真，因(yin)而有助于校平波動(dong)(dong)。

參(can)照(zhao)真(zhen)(zhen)實(shi)的壽(shou)命(ming)試(shi)驗來校準(zhun)輸入疲勞材料數(shu)據（S-N 曲線），可改進(jin)疲勞壽(shou)命(ming)仿真(zhen)(zhen)結(jie)果。

我們(men)對(dui)物理疲勞(lao)試驗進(jin)行建模，并(bing)通過古德曼(man)關(guan)系(xi)改變應力范圍(wei)以調整 S-N 曲線。采用(yong)古德曼(man)關(guan)系(xi)（赫氏圖）來量化平均應力和交變應力對(dui)疲勞(lao)壽命的相互作(zuo)用(yong)。

取得的成果(guo)

優化后的(de)(de) Nastran 嵌入(ru)式疲勞流程所創建的(de)(de)數據量明顯(xian)降低(di)。不再需要巨大(da)的(de)(de)中間結果文件以及繁瑣的(de)(de)再導(dao)入(ru)。

F?lth 說(shuo)：“我們可以(yi)對整個(ge)負(fu)載循環進(jin)行分析，而不是(shi)局限(xian)于(yu)負(fu)載峰值附(fu)近。”事實證(zheng)明，該(gai)流(liu)程能穩定可靠(kao)地處理(li)激(ji)勵(li)中(zhong)的各種變化。由于(yu)數(shu)(shu)據(ju)大小僅為 MB 而非 GB，因此大幅縮短了數(shu)(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)時間。NEF 具有(you)非常實用的功能，可根據(ju)少量的輸(shu)入數(shu)(shu)據(ju)自動生成 S-N 曲線。

此外，現(xian)在還可以采用黑(hei)盒方式建立系(xi)統模型。Adams 在腳(jiao)本環境中運行。這意味(wei)著分析和仿真的民主化：

由于無需了解流(liu)程中的(de)確切細節，因(yin)此(ci)更(geng)多的(de)仿真(zhen)工程師可以進(jin)行高(gao)端(duan)的(de)耐久性分析。富(fu)世華產品(pin)的(de)幾何結構(gou)能夠在極其(qi)高(gao)效的(de)迭代循(xun)環中完成優化。

在切(qie)割混凝土等硬質材料時，專業動力切(qie)割機會經受不(bu)穩定(ding)的(de)外力。借助(zhu) NEF，可以更詳細(xi)地(di)就這一行為(wei)對動力切(qie)割機耐久性(xing)和潛在裂隙的(de)影響進行評(ping)估。該分(fen)析包(bao)括(kuo) 250 個沖程(cheng)（2 s）、140 個作用在結構(gou)上的(de)力脈(mo)沖以及 60,000 個應力輸(shu)出步(bu)長。

客戶簡介：

富(fu)世華集團(tuan)是(shi)全(quan)球領先的林業、公園及(ji)園藝護理(li)戶外動力產品生產商。產品包括鏈鋸、清理(li)鋸、自動割草機及(ji)騎乘(cheng)式草坪車。

此外，集(ji)團(tuan)還生產用于建筑(zhu)及(ji)(ji)石材行業(ye)的機器。集(ji)團(tuan)的產品(pin)和解(jie)決方案品(pin)牌(pai)包括 Husqvarna、Gardena、McCulloch、Poulan Pro、Weed Eater、Flymo、Jonsered、Diamant Boart 及(ji)(ji) RedMax。

返回