基于 RADIOSS 的飞机机翼结构的疲劳寿命分析 Fatigue life analysis of wing structure in airplane based on RADIOSS 肖浩 ( 北京 100191) 摘要 : 疲劳失效是实际结构中最常见的失效方式之一, 本文通过 RADIOSS 的疲劳分析模块, 采用流程化分析的过程, 结合实际工况, 使用经典的应力 - 寿命法对飞机上的机翼部分进行了疲劳寿命预估, 给出了结构在指定工况下的疲劳寿命和疲劳失效的危险部位, 并对计算结果进行了分析, 结果表明 RADIOSS 的疲劳寿命计算能满足实际工程需要 关键词 : 机翼疲劳 S-N 曲线 RADIOSS Abstract:Fatigue failure is one of the most common failure modes in actual structures. The failure analysis module of RADIOSS is applied in this paper to calculate the fatigue life of the wing in airplane under specified load steps with classical stress-life method using streamline analysis process. The fatigue life and the dangerous part of fatigue failure is given and the results is analyzed, which suggests that the fatigue life calculation module of RADIOSS is able to meet the need of actual engineer structures. Key words: wing, fatigue, S-N curve, RADIOSS 1 概述 疲劳是发生在机械工程领域中一种十分普遍的物理现象 金属材料的疲劳损伤是工程界早已发现的问题 从 19 世纪 60 年代, 德国工程师 Wohler 为了解决火车断轴问题, 在严格控制载荷的条件下测定出第一条 S-N 曲线以来, 对于金属材料和机 构件疲劳行为的研究已有 100 多年的历史 在过去的几十年里, 由于疲劳问题发生的事故屡见不鲜 在现代机械工业当中, 疲劳问题是结构安全设计的一个重要方面, 值得进行深入的研究 预估构件疲劳寿命的方法仍然主要是建立在统计分析的基础上, 在对金属材料疲劳寿命预估方面, 由于疲劳试验的周期长 费用高, 所做的实验很难覆盖工程中千差万别的实际情况, 同时, 由于实验研究分散在多个研究单位进行, 因实验环境 人为因素的不同, 实验结果的差异性往往较大, 所以疲劳问题更多的还是使用商用软件进行模拟求解 本文借助于 RADIOSS Bulk Data 平台, 对结构的高周疲劳问题采用 S-N 曲线的方法进行疲劳分析 - 1 -
2 疲劳理论简介 对于高周疲劳问题, 经典疲劳算法是应力 - 寿命法, 根据材料的 S-N 曲线进行分析求解, 由于 S-N 曲线是通过标准试验件加对称循环载荷的标准试验获得的, 对应的应力也是单轴 应力, 应力均值为 0 而实际结构一般是处于复杂应力状态, 所以需要将应力转化为等效名 义应力, 对于脆性材料而言, 绝对最大主应力适合作为等效名义应力, 而对于塑性材料, Von Mises 应力 ( 第四强度应力 ) 适合作为等效名义应力 [1] 同样的, 需要对平均应力进行处理, 对于处于复杂应力状态的结构而言, 结构的平均应 力不为 0, 实际分析中需要考虑平均应力对组件的疲劳寿命的影响,RADIOSS 采用平均应 力修正方法来考虑非平均应力的影响 对脆性材料使用 Goodman 修正方法 [2], 对于塑性材 料而言采用 Gerber 修正方法 [3] [4] 对于载荷谱处理方法按照雨流法进行简化,RADIOSS 会自动对载荷谱进行压缩, 去 除一些中间点和对疲劳分析没有影响的点, 这样可以节省计算时间 RADIOSS 疲劳计算方法采用 Miner 线性损伤累积理论 [5], 该方法适合于多载荷工况疲 劳寿命计算, 该方法对每一种载荷工况进行损伤度的计算, 然后线性累积, 直到损伤度达到 1, 对应的寿命即疲劳寿命 3 模型介绍 分析对象为飞机右机翼, 将 catia 模型导入到 HyperMesh 中, 选用壳单元划分网格, 有限元模型如下所示 图 1 机翼结构的有限元模型 材料为铝, 具体参数如下表 1 所示,S-N 曲线如图 2 所示 表 1 机翼材料的性能参数 参数 E( 刚度 ) NU( 泊松比 ) UTS( 极限拉伸强度 ) 数值 70GPa 0.33 600MPa - 2 -
载荷 /N 载荷 /MPa Altair 2014 技术大会论文集 图 2 铝材料的 S-N 曲线 边界条件为翼根端固支, 载荷工况有两种, 第一种载荷是施加在翼面上的均布载荷, 第 二种载荷是施加在翼梢端部的集中载荷 载荷时间历程如下图 3 和图 4 所示 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 500 1000 1500 2000 2500 时间 /s 图 3 第一个载荷工况的载荷时间历程 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 500 1000 1500 2000 2500 时间 /s 图 4 第二个载荷工况的载荷时间历程 - 3 -
4 求解步骤 具体求解是在 RADIOSS 中进行的, 求解步骤按照 RADIOSS 中的 Fatigue Process 进行,RADIOSS 中的疲劳分析模块已经流程化了, 极大地方便了用户的操作和检查, 而且求解速度快, 能满足工程需要 求解步骤如下 : 1) 导入模型, 这一步是将要分析的结构导入到 RADIOSS 中, 并划分网格, 定义材料参数和属性, 设定好边界条件和载荷工况 2) 定义疲劳工况,RADIOSS 中的疲劳分析都是在指定的疲劳工况中进行的, 这样也可以进行多工况分析疲劳寿命, 方便计算和修改 3) 定义疲劳分析参数, 这一步操作主要是设定分析类型 ( 应力法还是应变法 ), 名义应力计算方法和平均应力修正方法等 4) 定义疲劳单元和材料, 这一步操作是选取结构中的单元类型进行疲劳分析, 并输入材料的 S-N 曲线 5) 定义载荷的时间历程, 这一步是将载荷时间历程以表格的形式和前面定义的载荷工况联系起来,RADIOSS 在这一步会自动为用户进行简化载荷谱, 对疲劳寿命计算没有影响的载荷不会参与计算, 这样可以提高计算效率 6) 定义载荷顺序, 由于载荷顺序会对疲劳寿命计算产生影响, 这一步的求解是按照实际工况来定义载荷顺序 7) 分析求解 5 结果分析 先对结构进行静力分析, 两种工况下的结构受力云图如下图 5 和图 6 所示 图 5 第一个工况的结构静力云图 - 4 -
图 6 第二个工况的结构静力云图 两种工况下, 受力最大的单元都发生在翼梢与机身相连的部位, 这部分区域属于应力集中区域 疲劳分析的后处理是在 Fatigue Analysis 下面的 Post Processing 中进行的 RADIOSS 给出的疲劳寿命计算结果如下表 2 所示 表 2 疲劳寿命计算结果 Subcase Top0.1% Top1% Top5% Top1Elem Top1 Top2Elem Top2 Top3Elem Top3 fatigue 47911 116696 267403 2071 26747 2088 79047 882 79506 该表格上的数据不仅给出了损伤度最大的三个单元的疲劳寿命, 也给出了损伤度前 0.1%,1% 和 5% 的单元的平均寿命 单元损伤云图和寿命云图如下图 7 和图 8 所示 图 7 结构单元的损伤度云图 图 8 结构单元的疲劳寿命云图 - 5 -
从上图可以看出, 最先破坏的单元发生在翼梢与机身相连的部分, 这与静力分析得到的结果是一致的, 这也说明了疲劳分析的可信性, 虽然由于疲劳失效机理的复杂性, 目前还没有彻底解决疲劳失效问题的统一理论, 计算精度往往也不够高, 但目前的算法还是被广泛使用, 疲劳分析的一个很重要的目的就是去预测疲劳载荷作用下的疲劳部位, 为结构设计和损伤检测提供参考, 使用 RADIOSS 计算疲劳寿命在工程上是可以满足需求的 6 总结 RADIOSS 的疲劳分析模块是流程化处理的, 极大地方便了用户的操作和处理, 而且针对不同的问题有不同的处理方法, 适合于塑性问题和脆性问题的疲劳寿命计算, 在载荷谱的处理上,RADIOSS 会做一定的预处理, 提高了计算效率, 在后处理上,RADIOSS 给出了危险单元编号和危险单元的疲劳寿命, 以及一定区域的平均疲劳寿命, 适合于工程分析, 能满足工程需要 7 参考文献 [1] 高银峰, 宋延平, 徐安健. 基于 RADIOSS 应力 - 寿命法的球铁壳疲劳分析 [C]. 上海 : 2013. [2] 项彬, 史建平, 郭灵彦, 等. 铁路常用材料 Goodman 疲劳极限线图的绘制与应用 [J]. 中国铁道科学. 2002, 23(4): 72-76. [3] 廖强, 黄洪钟, 朱顺鹏, 等. 基于广义 σ-n 曲面的涡轮盘疲劳寿命预测 [J]. 电子科技大学学报. 2013(2): 316-320. [4] 武文超, 方毅博, 宁倩, 等. 基于雨流法的汽车底盘件疲劳耐久试验方法研究 [J]. 汽车技术. 2013(12): 46-49, 60. [5] 惠纪庄, 孙德仕, 邹亚科. Miner 线性累计损伤理论在汽车试验场可靠性试验强化系数研究中的应用 [J]. 工程设计学报. 2008, 15(4): 264-267. - 6 -