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Fiat研究中心在拖拉机产品开发之前预测疲劳寿命

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LMS Virtual Simulation把产品开发时间压缩了6个月

开发产品，制造样车，用它进行疲劳试验以了解零部件是否断裂，然后再匆忙地通过重新设计和试验来排除出现的问题，直到样车最终通过疲劳试验。这样需要耗费大量时间和资金预算，而且没有任何厂商能长时间承受这些支出。另外一种选择就是一开始就过度设计，通过增加不必要的零件、焊缝和材料以确保产品通过耐久性试验。目前一些厂商就是这样处理耐久性问题的，但是仍存在问题，就是最终通过疲劳试验的样车并不是最佳设计。在意大利都灵的Fiat研究中心采用了一种改进的方法。他们把这种方法用于一个最近的项目中，在LMS FALANCS的帮助下，通过最初评价产品的耐久性性能成功地开发出一个更好的设计。

这使Fiat研究中心节省了约200,000美元，并把产品的开发时间压缩了至少6个月。仿真能够在产品开发过程的早期预测疲劳寿命，这给工程师提供了充分的自由，使他们能够探索几个设计供选方案，并在不过分设计或不必要的制造-试验循环的情况下开发出符合耐久性要求的创新车辆。

Fiat研究中心(CRF)在拖拉机驾驶室的结构开发中使用了一种由Case New Holland (CNH)设计的疲劳寿命预测方法。CNH是Fiat的一个制造企业，主要是在农业机械和施工设备市场方面。Fiat研究中心(CRF)的结构耐久性部门主任Kamel Bel Knani博士说到，通过在设计过程早期使用LMS FALANCS仿真，能够达到CNH所需要的突出的耐久性要求，并能减少至少三个样车试验循环。CRF工程师也采用疲劳寿命预测来减少驾驶室结构的制造成本，并同时满足耐久性目标，这样就改善了产品的利润率和CNH成本底线。以这个成功案例作为基础，可以采用同样的方法对Fiat的其它车辆进行疲劳寿命预测，包括卡车驾驶室、汽车车身和底盘结构。

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"由于需要保证复杂结构在很长使用年限内在恶劣工作条件下具有很高的可靠性，因而通过虚拟模拟来进行拖拉机驾驶室设计的耐久性评估。农业设备必须要能承受在野外工作期间跟振动激励相耦合的强烈动载荷，" Bel Knani解释到，"跟Case New Holland紧密合作实施的工作旨在支持CNH品牌形象，让全世界的客户都知道CNH是具有特殊的品质、可靠性、耐久性和舒适度的品牌，并得到客户的尊重。"

三步骤过程

根据Bel Knani提到的，挑选LMS FALANCS进行这项工作是由于有几个引人注目的原因。特别是由CRF执行的考题计算表明LMS FALANCS用户界面友好，而且能从各种其它分析程序还有物理试验测量中直接导入部件载荷和应力。该软件还具有柔性体系结构，并且跟CRF需要用于高级耐久性模拟的专门功能一致，使工程师能获得那些跟实验数据紧密相关的计算结果。此外，LMS技术支持人员非常优秀，能给用户的询问提供正确的回答和建议。

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为了评价拖拉机驾驶室结构的耐久性性能，Fiat研究中心采用三步骤模拟过程，包括多体模拟(MBS)，有限元建模(FEM)和疲劳寿命预测(FLP)：

1. 运行拖拉机基准动态任务的多体模拟，并考虑驾驶室结构柔性，决定作用在驾驶室上的载荷时间历程。
2. 把计算得到的载荷作用于有限元模型，用MSC.NASTRAN分析结构的振动模式和应力分布。
3. 使用LMS FALANCS，基于前面模拟得到的载荷和应力及由用户选择正确的疲劳标准，确定很有可能的损伤区域，并帮助进行驾驶室结构的疲劳寿命预测。

用来进行分析的拖拉机模型包括一个传动系支架，通过悬架轴衬连接到一个电弧焊钢性零件(成形的金属薄板和拉伸梁)的空间构架上，构成驾驶室的主体结构。

包含在模拟中的模型还包括次要的车辆部件，例如座椅、空气调节系统和操纵系统。模拟的输入结合了对称和错开的碰撞，以表示出拖拉机的典型工作条件。分析确定驾驶室结构的基准固有频率远离于外部载荷的激励范围。焊缝是驾驶室结构最关键的区域，即为疲劳失效最可能发生的区域；因此在焊接处采用特定的建模原则。计算电弧焊缝的疲劳寿命常常是一项艰难的任务，主要是由于制造过程中误差大，热效应和存在的小沟槽而难以确定局部损伤参数。Fiat研究中心通过一种"热点"的方法成功地克服了这些困难，疲劳寿命预测在这种方法中基于焊脚处的外推结构应力，通过使用适当的板壳和刚体单元模拟焊接缝进行有限元分析来计算这些应力。

LMS疲劳寿命模拟能够帮助预测驾驶室结构失效，并在多个设计选择中挑选出最合适的设计方案。使用LMS FALANCS计算出各个驾驶室结构有限元模型单元的结构应力时间历程。该软件把有限元分析得到的单位载荷应力乘以相应的多体仿真得到的循环载荷。应力时间历程在雨流矩阵或累积谱线里显示，这种显示简单明了。LMS FALANCS采用了适当的损伤计算算法，计入了材料特性、应力负载循环和疲劳影响因子，并能确定结构上关键区域产生的累积损伤和进行疲劳寿命预测。该软件具有把图形显示跟同步显示的载荷时间绘图结合起来的能力。甚至支持动画结构变形，并显示出应力和/或损伤结果。还能在图形格式里很容易的显示出累积损伤、疲劳寿命、最大应力幅值和安全因子。

CRF使用的三步骤模拟方法通过在大量实物驾驶室原型中进行的座椅试验得到了验证。LMS FALANCS预测了焊缝里的三个主要疲劳失效，并通过座椅测试数据进行最后证实，这样证明了在Fiat研究中心的MBS-FEM-FLP数字方法的有效性。

设定高目标

"采用验证过的模拟方法，我们能够通过使用疲劳寿命预测，不是仅仅显示出设计的潜在问题，实际上是来指导一个新的驾驶室设计的开发，使其在需要的疲劳寿命内可靠地操作。"Bel Knani解释道。

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新驾驶室的耐久性设计目标由CNH有意设定得很高，以确保拖拉机在多年外场操作中没有疲劳裂缝出现。特别是给结构设定了一个承受特殊加载块5000次的疲劳寿命目标，并且以高存活率实现模拟。

Bel Knani解释，采用MBS-FEM-FLP模拟方法能够对多于十二种的设计供选方案进行研究。这样能帮助CRF工程师在很短的时间内仅仅只使用虚拟原型，就能对几个具有不同局部几何形状、金属薄板厚度和焊接缝位置与尺寸的驾驶室结构的耐久性性能进行评价。特别是这种模拟方法能够进行新的驾驶室结构鉴定，能够实现CNH所需要的耐久性目标。在新设计出的驾驶室结构的实物原型上进行的座椅试验能证实由数值模拟获得的结果。

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Applying fatigue-life prediction helped FIAT Research Center to save 200,000 dollars and 6 months in development time.

主要优点

"用物理试验检验一组备选设计方案是不实际的。"Bel Knani说道，"模拟使我们比以前更快地开发出更好的设计。我们能在不过分设计结构的情况下保证疲劳寿命目标。"

根据Bel Knani提到的，在无多余的零件、材料和焊缝情况下，实现耐久性目标的能力在明显改善每辆汽车利润幅度上确有商业价值，同时增加了CNH品牌的竞争能力。"我们如今能够使用我们已经验证过的MBS-FEM-FLP耐久性模拟方法来开发未来拖拉机设计的驾驶室结构和其它部件，例如排气系统。" Bel Knani解释道，"此外，我们能够扩展到除拖拉机以外的其它车辆，例如乘用车和卡车。我们的数值方法具有真正广阔的适用性，并能够使我们与全球市场上的许多工业部门进行更有效的竞争，这样Fiat就可以进一步证明它的领导地位。"(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (5/19/2010)


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