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    发布:机械仿真     日期:2011-11-16 17:22:01

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    计算机仿真的出现解决了复杂机械系统的运动学和动力学问题,因为在之前解决这些问题时,工程师要面临大量复杂的微分计算,及通常无法求得理论上的解析解的大规模复杂微分一代数方程组((differential Algebraic equation,简称DAE )。这些问题曾一度使经典刚体力学的理论和方法陷了巨大困境 ,然而随着现代电子计算机技术的出现和飞速发展以及数值分析理论和算法的日趋完善,人们开始借助于计算机技术分析复杂机械系统的运动学和动力学问题。此后,计算机仿真在一些重大科研问题上取得了巨大的成功。

     

    波音777,世界上首架次完全利用计算机绘图进行设计的飞机。是世界第一款完全以计算机立体CAD缯图技术设计的民用飞机,整个设计过程并没有使用纸张绘图,而是使用一套称CATIA的三维计算机辅助设计软件,事先「建造」一架虚拟的777,让工程师可以及早发现任何误差,并预先判定数以千计的零件是否配合妥当,然后才制作实体模型。在原型机建造的时候各种主要部件一次性成功对接。

     

    1996年,航天部上海航天局第八〇五研究所利用虚拟样机分析软件ADAMS完成了国防科工委项目“空间站外翻式对接机构”的动力学仿真,并取得了圆满成功。

    机械系统仿真在设计领域取得了非常大的成果,同样在可靠性领域,也取得很多的成绩。

          英国南岸大学的R.K.Luo等人在1994发表的论文里较早提出可以利用仿真技术中的有限元疲劳设计方法对地铁车辆转向架构架的疲劳寿命进行估算。整个分析过程分为五部分,其中包括:轨道不平顺的定义和测量;车辆建模和轮轨外形描述;获得铁路车辆悬挂系统的载荷历程;车辆系统动力学仿真分析以及构架的应力评估;转向架构架疲劳寿命评估。整个研究的对象为一辆典型的伦敦地铁车辆,动力学分析采用VAMPIRE软件,有限元采用PAFEC软件包,其疲劳计算结果和实际运行车辆试验结果对比显示了良好的一致性。这种基于实际车辆轨道运行的转向架而进行的疲劳设计方法,在设计阶段应用被证明是可能的。

    1998年德国柏林工业大学Stefan Dietz等根据轻量化设计的货运机车转向架构架结构,提出了一种承受随机动载的结构疲劳寿命预测方法。该法主要基于结构在频域和时域的混合计算预测结构疲劳寿命。这种方法可以有效节省计算机分析机时。它利用一种并行的计算机软件仿真环境,即集成计算机辅助设计(CAD),有限元法(FEM)和多体系统(MBS )方法对转向架构架进行疲劳寿命预测。其基本过程是:通过多体仿真计算得到作用在构架上的随机动载荷(考虑构架的弹性影响)。对于运行在直线轨道上的转向架,动力学运动方程考虑成线性关系,此时轨道激励主要是轨道不平顺的功率谱;在产生较大动载的斜坡轨道或是曲线轨道运行时,动力学运动方程通过非线性微分方程进行仿真计算,这时的轨道激励主要是轨道的随机不平顺。根据多体系统动力学的仿真计算得到载荷时间历程和有限元法求得构架的应力SIC相乘叠加求得构架的动应力分布,最后在多体系统(MBS )的后处理FATIGUE程序中,运用雨流计数法和Palmgren-Miner法则进行构架疲劳寿命的预测。

     

    H.Riener, D.Peiskammer,W.Witteveen(2001)比较了两种不同的有限元疲劳寿命预测方法。对汽车前悬架利用模态应力法和准静态应力法预测悬架结构寿命。在对悬架结构进行多轴准静态的疲劳寿命预测中,不仅考虑由于结构变形产生的应力,还考虑了结构柔性的影响,以及轮胎模型和各种路面状况影响因素,整车的多体动力学仿真软件采用ADAMS,耐久性分析采用软件FEMFAT。最后得出了两点结论:基于结构切向力(Cutting Force)的结构疲劳寿命预测容易导致不真实的结果;基于模态应力法可以比较准确的预测结构的弹性变形影响.

    铁道部科学研究院王成国等在计算机虚拟现实环境下,CAD, FEM和MBS为基础,对新型的高速客车转向架构架进行详细的动应力分析,并根据这些动应力,应用MSC.FATIGUE分析预测构架的疲劳寿命。在进行分析时,他们将有限元技术应用于构件疲劳寿命分析的过程,按照准静态分析法将有限元分析得到的静态应力与实际测量的载荷时间历程相结合得到模型上各点的应力时间历程,结合ZG230-450材料的S-N关系曲线进行侧架结构整体的疲劳寿命计算 .

    在有限元计算的基础上,利用车辆系统动力学 仿真程序,计算出了作用在侧架弹簧座处垂向和横 向的随机载荷。

    得出的结果是目标寿命下的安全因子

    西南交大在这一领域也取得了较大的成果,阳光武等人利用多体动力学仿真软件建立仿真模型后,通过对模型施加纵向和横向的随机不平顺激励,测的随机载荷—时间历程,然后采用名义应力法,即从是试样中测出材料的S-N曲线,考虑实际零件和式样的差别,如应力集中,平均应力,表面粗糙度,表面处理以及尺寸效应等修正S-N曲线,考虑试验加载和实际加载的区别,运用雨流计数法对应力-时间历程进行循环计数,最后结合Miner等损伤累计法则计算疲劳寿命。

    寿命仿真结果

    中国北方发动机研究所的胡定云等人用可靠性仿真方法算的某柴油机汽缸盖最危险的十个节点的寿命

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