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嵌入式疲勞仿真軟件為富世華集團大幅提高結果精度

面臨的挑戰：

耐久性分析包括材料的疲勞壽命預測，是計算機輔助工程中非常重要的一部分。它能提供關于產品使用壽命的寶貴信息，極大地影響客戶體驗和滿意度。富世華集團是全球領先的戶外動力產品生產商，該集團將 MSC 軟件的 Nastran 嵌入式疲勞（NEF）軟件作為高效優化疲勞分析流程的核心。

產品中任何部位的疲勞都是由二沖程發動機的振動引起的，例如電鋸或手持式動力切割機就是由這種發動機驅動的（圖 1）。在投產之前，一定要徹底了解這一現象。這就是要使用虛擬樣機制造來評估材料可能失效的位置并在相應位置加強零件結構完整性的原因所在。在進行虛擬樣機制造時，所建立的裝置系統模型包括發動機、外殼及周邊部件，例如油箱和蓋板。用邊界條件表示手柄以及如何將力傳遞到操作員手上。

來自海克斯康的解決方案：

傳統疲勞分析流程

采用 MSC Nastran 進行結構振動分析是富世華集團的長期傳統。集團不斷對此進行改進，例如增加模型的復雜度。但起初疲勞分析也讓工程師們遇到了一些困難。

傳統的強度和疲勞分析由以下幾個步驟組成：

1. 有限元模型定義

2. 結構振動分析

3. 分析輸出，可能會包含巨大的結果文件

4. 將 MSC Nastran 結果文件導入到單獨的疲勞軟件中，這需要很長時間

5. 大量的讀寫操作，有可能導致內存問題

6. 疲勞壽命結果的后期處理

這是一個無法輕易進行設計優化的繁瑣過程。我們只能對簡短的時間間隔進行優化，更確切地說，只能對發動機的一個轉速進行優化。這種限制是由于提取應力數據而造成的。提取應力數據意味著結果文件很大，因此運行時間較長。

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

實際上，即使我們能分析 1 秒鐘的時長，也只能勉強處理一個沖程。因此不得不將輸出步長數量減少到 40 個，如果以曲軸箱分析為例，結果文件會高達 40 GB。此外分辨力也不夠高，無法確保不會錯過應力變化歷程的最大值。

具備較長的時長分析能力非常重要，可確保通過任意的發動機轉速倍數來激勵感興趣的特定系統模式。這樣即使建模存在不確定性也能進行更穩健的分析。運動解算器（Adams）和有限元分析工具（MSC Nastran）緊密配合可顯著加快工作流程。借助 NEF，富世華集團能進一步改進這一流程。

富世華集團當初系統化 NEF 流程時，一開始并沒有明確確定耐久性分析的工作流程。MSC 的 Nastran 嵌入式疲勞軟件上市后，這一狀況發生了改變。經過一年的密集評估，我們決定在生產經營中使用 NEF 進行振動分析。

Nastran 嵌入式疲勞——創新與顛覆

Nastran 嵌入式疲勞（NEF）與傳統處理的區別在于，由于直接在 MSC Nastran 中完成疲勞分析，因此 NEF 無需導出、導入巨大的二進制結果文件，從而極大地提高了效率（圖 3）。

我們還是以上文中的曲軸箱為例對此進行說明：如今的 NEF 包含 250,000 個殼體單元、200 個沖程、30,000 個輸出步長以及一個僅有 50 MB 的通用輸出結果文件。而傳統處理則包含 250,000 個殼體單元、只有 1 個沖程、40 個輸出步長以及 40 GB的輸出結果文件。以 200 個沖程為例，過去需要很長時間，現在只需 1 秒左右就可以輕松地完成分析，而且大幅提高了結果精度。

疲勞材料數據和真實性

當然，我們知道自己建立的模型并不完美。必須將不精確性考慮在內。例如，分析假定溫度是一致的，但在部件中卻有可能存在明顯的溫度分布。另外對附件建模也做了簡化。因此，計算所得的本征頻率可能會偏離真實值。此外，還針對發動機轉速做了一些假定。另一方面，由于這些簡化使得處理更加輕松，現在可以對更長的時長進行仿真，因而有助于校平波動。

參照真實的壽命試驗來校準輸入疲勞材料數據（S-N 曲線），可改進疲勞壽命仿真結果。

我們對物理疲勞試驗進行建模，并通過古德曼關系改變應力范圍以調整 S-N 曲線。采用古德曼關系（赫氏圖）來量化平均應力和交變應力對疲勞壽命的相互作用。

取得的成果

優化后的 Nastran 嵌入式疲勞流程所創建的數據量明顯降低。不再需要巨大的中間結果文件以及繁瑣的再導入。

F?lth 說：“我們可以對整個負載循環進行分析，而不是局限于負載峰值附近。”事實證明，該流程能穩定可靠地處理激勵中的各種變化。由于數據大小僅為 MB 而非 GB，因此大幅縮短了數據傳輸時間。NEF 具有非常實用的功能，可根據少量的輸入數據自動生成 S-N 曲線。

此外，現在還可以采用黑盒方式建立系統模型。Adams 在腳本環境中運行。這意味著分析和仿真的民主化：

由于無需了解流程中的確切細節，因此更多的仿真工程師可以進行高端的耐久性分析。富世華產品的幾何結構能夠在極其高效的迭代循環中完成優化。

在切割混凝土等硬質材料時，專業動力切割機會經受不穩定的外力。借助 NEF，可以更詳細地就這一行為對動力切割機耐久性和潛在裂隙的影響進行評估。該分析包括 250 個沖程（2 s）、140 個作用在結構上的力脈沖以及 60,000 個應力輸出步長。

客戶簡介：

富世華集團是全球領先的林業、公園及園藝護理戶外動力產品生產商。產品包括鏈鋸、清理鋸、自動割草機及騎乘式草坪車。

此外，集團還生產用于建筑及石材行業的機器。集團的產品和解決方案品牌包括 Husqvarna、Gardena、McCulloch、Poulan Pro、Weed Eater、Flymo、Jonsered、Diamant Boart 及 RedMax。