疲勞分析在罐箱開發(fā)設計階段的應用

楊正華 朱健

靖江亞泰物流裝備有限公司 （江蘇泰州 214500）

現(xiàn)代罐箱設計必須以市場為導向，設計壽命過長或者不足的產(chǎn)品不是缺乏經(jīng)濟性就是安全性不足，所以在罐箱設計開發(fā)階段就應當考慮用戶的使用要求。耐久性試驗是考核和驗證罐箱耐久性的重要手段，如何進行合理的、符合用戶使用條件的試驗是罐箱行業(yè)的一個重要課題。罐箱的耐久性試驗通常先進行用戶調(diào)查，采集用戶使用信息，然后進行臺架試驗或者試車場試驗。試驗時樣品可能失效的部位不可預測，需要不斷優(yōu)化和調(diào)整罐箱結(jié)構(gòu)，往往需要多次修改才能滿足最終的使用要求。然而臺架試驗或者試車場試驗不僅價格昂貴，而且時間往往長達一個月。顯然，試驗方法存在時間滯后、開發(fā)時間長、投入資金大等問題；而疲勞仿真分析具有成本低、快速靈活響應、可以預測在使用過程中的危險部位等優(yōu)點。罐箱疲勞壽命仿真分析在產(chǎn)品概念設計階段，就可以幫助確定罐箱的危險點，從而有效降低或者避免風險，降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期[1]。針對特定客戶的使用工況，采用SN方法對罐箱進行疲勞分析，得出罐箱的壽命分布，為產(chǎn)品的設計壽命提供了理論依據(jù)，并且為將來產(chǎn)品的優(yōu)化指明了方向。通過疲勞仿真分析提高了樣品在后續(xù)試驗階段一次性通過的概率，為企業(yè)節(jié)省了寶貴的資金和時間。

1 用戶調(diào)查

為了確保設計產(chǎn)品滿足90%客戶的使用習慣，又不至于因安全系數(shù)過高造成經(jīng)濟性差，首先了解用戶的用車狀態(tài)，主要包括：（1）典型用戶的行車路線和各種可能的工況；（2）典型用戶的罐箱裝載方式；（3）典型用戶的罐箱使用周期；（4）收集常見失效模式、失效時間等相關信息。

通過對上述用戶信息的調(diào)查，對罐箱的典型使用工況有一定程度的了解，并通過客戶反饋的信息，篩選主要的使用信息，進而確定進行路譜采集需要的信息，比如行駛典型路線等。在進行典型用戶調(diào)查時，可采用網(wǎng)絡、郵寄、當面溝通、電話詢問等方式進行，特別需要注意的是，在引導客戶填寫調(diào)查問卷時，保證客戶給出的信息客觀真實。最后必須對收集的用戶調(diào)查問卷進行有效性檢查及篩選，排除掉無效的調(diào)查問卷。

基于用戶的調(diào)查結(jié)果，得到如下信息：（1）主要運輸?shù)攸c：長三角區(qū)域；（2）路面構(gòu)成：高速公路85%，普通公路15%，高速公路和普通公路都包括各種減速坎、破損路面、坑洼路面等路面類型；（3）載荷：滿載（97%總體積）占50%，空載占50%；（4）罐箱的主要失效模式為高周疲勞破壞，在正常使用的情況下，至少使用3年以上才會發(fā)生疲勞破壞。

2 目標里程確定

使用科學的抽樣方法通過樣本準確推斷總體質(zhì)量，抽樣方法的科學性和合理性直接影響評估的準確性。否則即使測量結(jié)果再準確也不能對總體質(zhì)量水平作出準確合理的推斷。在載荷譜中關注該路況對罐箱有無損傷，其度量結(jié)果是離散的。在可靠度95%的條件下，測試精度為98%時按式（1）[2]計算。

N=K2P(1-P)/E2（1）

式中：K為置信系數(shù)，取值為2；P為發(fā)生損傷的比率；E為不精確度，取值0.02；N為樣本采集數(shù)量。

根據(jù)用戶調(diào)查結(jié)果，正常情況下若一個月按 21個工作日計算，月平均行駛里程為1700 km，則年平均行駛里程為20 400 km，罐箱一個保修周期（3年）總的行駛里程為61200 km。結(jié)合質(zhì)保要求，確定該罐箱的目標里程為6×104km。

3 典型用戶道路載荷譜數(shù)據(jù)采集

基于以上調(diào)研結(jié)果并結(jié)合當?shù)乜蛻艚?jīng)常所走道路，確定用戶典型道路為高速公路和普通公路，車輛狀態(tài)為滿載。在罐箱前后端各布置一個三向加速度傳感器，所有傳感器通過專用數(shù)據(jù)采集信號線進入試驗工具箱中，連接至HBM Somat eDAQ高性能動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，通過筆記本電腦可控制數(shù)據(jù)采集儀，監(jiān)控狀態(tài)并下載采集數(shù)據(jù)。

按照工況路線采集高速公路和普通公路路譜，以保證采集數(shù)據(jù)的準確性和有效性。部分數(shù)據(jù)信號如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)信號

由于外界環(huán)境的干擾、傳感器的特性等原因，在用戶道路上采集到的原始信號會存在一定程度的噪聲、尖峰、漂移等失真情況。所以先對采集到的數(shù)據(jù)進行觀察，對數(shù)據(jù)的有效性進行判斷。在實際測試過程中，測得的路譜服從正態(tài)分布（高斯分布），在軟件中查看時域信號的幅值分布是否滿足分布型式。采集到的部分信號幅值分布見圖2。

路譜中的“尖刺”點一般是由意外的物理撞擊或者電磁干擾所引起的，在進行數(shù)據(jù)分析之前必須將尖刺點從信號中剔除。而溫度變化可能會引起漂移現(xiàn)象（表現(xiàn)為信號的平均值不一致）。采集信號的任何一個通道出現(xiàn)了漂移現(xiàn)象，都必須在數(shù)據(jù)分析前進行去除零漂。對采集到的路譜進行去除零漂、毛刺等處理，得到的干凈路譜可以用來進行分析和計算。

4 疲勞仿真分析

根據(jù)試驗樣箱圖紙建立三維模型，將三維模型導入有限元分析軟件進行前處理。將框架的材料屬性設置為碳鋼，罐體部分的材料屬性設置為不銹鋼。然后將罐箱有限元模型采用Shell181單元劃分網(wǎng)格，有限元模型見圖3。

圖2 時域信號的幅值分布

圖3 有限元模型

進行疲勞分析需要選取疲勞壽命曲線，選取美國機械工程師協(xié)會（ASME）標準中的疲勞曲線，并對標準中的數(shù)據(jù)進行擬合，得到疲勞曲線?？蚣懿牧显O計為SPA-H，疲勞壽命曲線見圖4；罐體和連接圈材料為304，疲勞壽命曲線見圖5。

圖4 碳鋼材料疲勞壽命曲線

為了進行疲勞仿真分析，首先需要模擬罐箱在道路運輸狀態(tài)下的受力情況，然后將仿真計算結(jié)果導入疲勞仿真分析軟件nCode中。為了提高計算效率，根據(jù)損傷等效原則對原始載荷譜進行編輯，去除小損傷信號，將原始信號縮短。根據(jù)線性損傷累計法則[3]，將原始路面外推至6×104km。

圖5 不銹鋼材料疲勞壽命曲線

疲勞仿真分析分為SN和EN方法。SN方法適用于高周疲勞，而EN方法適用于低周疲勞。罐箱失效形式為高周疲勞破壞，因此采用SN方法模擬罐箱在運輸過程中的疲勞累積損傷，具體流程見圖6。

圖6 SN疲勞分析過程

運算后得到整個罐箱的疲勞壽命分布情況。為了便于比較，罐體和連接圈部分的疲勞壽命分布見圖5和圖7，框架部分的疲勞壽命分布見圖8，各部分的前5個危險點數(shù)據(jù)列于表1中。

圖7 罐體部分疲勞壽命分布

圖8 框架部分疲勞壽命分布

表1 危險點疲勞壽命和累積損傷

罐體和連接圈部分最大累積損傷值為0.375 1，對應疲勞次數(shù)為2.666次，折合1.5996×105km。罐體上最危險的點為節(jié)點3892，位于連接圈和角柱交界處。危險點都在連接圈上，而罐體本體上沒有危險點，所以罐體本體在使用過程中不會產(chǎn)生疲勞破壞，結(jié)構(gòu)很安全。

框架上最大累積損傷值為0.744 2，對應疲勞次數(shù)為1.344次，折合8.064×104km?？蚣苌献钗ｋU的點發(fā)生在節(jié)點10 166處，位于連接圈和角柱交界處，危險點大部分都在角柱上。所以框架部分的疲勞壽命明顯比罐體部分短，而罐體部分的預計使用壽命大約是框架部分的2倍。

無論罐體還是框架都滿足目標設計里程6×104km的要求，后續(xù)可以根據(jù)疲勞壽命分布情況對產(chǎn)品進行優(yōu)化設計。

5 結(jié)語

在對用戶使用路況進行調(diào)查的基礎上，對罐箱進行了道路路譜采集試驗，然后將采集到的路譜外推到目標里程6×104km。建立有限元分析模型，采用SN方法，根據(jù)外推的道路路譜對罐箱進行疲勞分析，得出罐箱疲勞壽命至少為8.064×104km，滿足設計目標里程6×104km的要求。罐體部分的疲勞壽命明顯比框架部分長，疲勞破壞會先發(fā)生在框架上，罐體部分的預計使用壽命大約是框架部分的2倍。疲勞破壞首先發(fā)生在框架和連接圈連接處，而罐體本體很安全，不會產(chǎn)生疲勞問題。疲勞分析預測了罐箱在道路運輸過程中的危險點、縮短了研發(fā)周期，為將來的產(chǎn)品優(yōu)化打下堅實的技術(shù)基礎。