通过FEA、MBS 和 FEMFAT 对曲轴进行疲劳强度分析.

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1、斯太尔中国工程技术中心斯太尔中国工程技术中心通过通过FEA、MBS 和和 FEMFAT 对曲轴进行疲劳强度分析对曲轴进行疲劳强度分析Date: July 2007Author: Robert Wahlmller2主题主题Date: July 2007Author: Robert Wahlmller3通过通过FEA和和MBS改进的动态仿真改进的动态仿真有限元分析有限元分析 (FEA) 线形，弹性的结构（线形，弹性的结构（很多自由度很多自由度DOF） 对非线性结构的仿对非线性结构的仿真如轴套或大范围真如轴套或大范围运动物体是低效率运动物体是低效率的的多体动力学仿真多体动力学仿真 (MBS) 对刚性

2、体是有限对刚性体是有限制的制的 (很少的自很少的自由度由度) 对非线性结构的仿真对非线性结构的仿真如轴套或大范围运动如轴套或大范围运动物体是物体是高高效率的效率的组合组合 FEA 和和 MBS 模型包含大型的线模型包含大型的线性的性的FE结构结构 对非线性结构的仿对非线性结构的仿真如轴套或大范围真如轴套或大范围运动物体是运动物体是高高效率效率的的Date: July 2007Author: Robert Wahlmller4动态模拟动态模拟 by FEA MBS FEMFAT 创建柔体的创建柔体的 FE 模型模型 定义接口点定义接口点 (负载施加点负载施加点)FE 模型分析模型分析 (Nast

3、ran with Sol 103) 模态模态(*.mnf 包含频率和模态包含频率和模态 ), 模态应力模态应力(*.op2 )输入输入 FE 结构到结构到 MBS 连接柔体到刚体连接柔体到刚体计算混合计算混合 FE-MBS-EHD 系统系统输出为基于时间的模态响应输出为基于时间的模态响应 (模态坐标模态坐标q)NASTRAN /ABAQUSADAMS /RECURDYN输入模态载荷到输入模态载荷到 FEMFAT 模态应力模态应力, 模态响应模态响应 (q)多轴疲劳分析多轴疲劳分析 in FEMFAT包括静态和振动载荷的分布包括静态和振动载荷的分布FEMFAT123456Date: July 2

4、007Author: Robert Wahlmller5模态模态准静态准静态?瞬态瞬态?计算效率计算效率数据量数据量载荷谱载荷谱动力学效应动力学效应外加很高的外加很高的模型灵活性模型灵活性动态模拟动态模拟 by FEA MBS FEMFAT Date: July 2007Author: Robert Wahlmller6导言导言在主轴承中的油膜 (EHD: elasto-hydrodynamic oil film model)目标:考虑曲轴弯曲线尽可能的精准步骤:线性反应的结构 (FE) CMS: Modal Reduction Sol103 Component Mode Synthesis大

5、范围非线性位移 (MBS)基于模态的疲劳寿命计算 (FEMFAT MAX)Date: July 2007Author: Robert Wahlmller7rp= xK +sp + up刚性体运动刚性体运动柔性体变形柔性体变形固定的参考坐标固定的参考坐标非变形的非变形的变形的变形的xKspupPP点位置点位置:Ku =uKuI接口节点的自由度接口节点的自由度 (保留的节点自由度保留的节点自由度), 这这些节点的作用是使力和位移施加到些节点的作用是使力和位移施加到MBS上上内部节点内部节点 (没有边界条件施加到没有边界条件施加到MBS上上)接口节点接口节点内部节点内部节点位移向量的分解位移向量的分

6、解在在MBS中柔性结构的描述中柔性结构的描述Date: July 2007Author: Robert Wahlmller8u = q=I0 NqN=* CuIuKqC (=uK)uphysical coordinates 物理坐标物理坐标 qModal (Generalized) Coordinates 模态坐标模态坐标 变换矩阵，包含部件模态 假定假定: 柔体具有小的变形柔体具有小的变形 = 部件模态的线性叠加部件模态的线性叠加 C约束模态Constraint Modes矩阵 N固有模态Normal Modes矩阵Component Mode Synthesis 部件模态合成部件模态合成

7、(Craig Bampton Method)Date: July 2007Author: Robert Wahlmller9 C = 约束模态约束模态Constraint Modes矩阵矩阵Constraint Modes = 当赋予每个保留自由度单位位移，并且其它的保留自由度锁定的时候，所产生的静态形状。uI= CqC (=uK)*uIxx uI1=C12 xx xx xx uI2=C22 xx xx . . . . xx uIn=Cn2 xx xx 1000=*Example: 2d-beam2 个接口节点包含个接口节点包含 2 个自由度个自由度 4 Constraint Modes111

8、1Component Mode Synthesis: Constraint Modes 约束模态Date: July 2007Author: Robert Wahlmller10 N = 固有模态Normal Modes矩阵固有模态 = 在锁定保留的自由度的情况下，所得到的自振模态。uI= NqN *j ji 是特征值问题的求解是特征值问题的求解KII - l2 MII j ji = 0Example: 2d-beamFirst three normal modes对于对于 n 个内部自由度个内部自由度 存在存在 n 个固有模态个固有模态!通常只有一小部分的固有模态可以描述动态疲劳安通常只有一

9、小部分的固有模态可以描述动态疲劳安全系数。全系数。jj1 1|j|j2 2|.|.Component Mode Synthesis: Normal Modes 固有模态Date: July 2007Author: Robert Wahlmller11fK0+=eg.: dof 100.000.uKuI.uKuIKKKKKIKIKKIIMKKMKIMIKMIIfK0KKKKKIKIKKIIMKKMKIMIKMII+=I0 CT NTI0 CT NTI0 CT NTqCqN.I0 C NqCqNI0 C N部件模态合成的主要优点部件模态合成的主要优点:缺点缺点模态坐标仍然是被关联的 (“质量” 矩

10、阵不是对角线分布)= 高效率的时间综合化要求一个对角矩阵!大大降低了柔体的自由度数量大大降低了柔体的自由度数量+=eg.: gc 100gK0qCqNKCCKCNKNCl l2qNqC.MCCMCNMNCIComponent Mode Synthesis 部件模态合成部件模态合成Date: July 2007Author: Robert Wahlmller12Additional Eigenvalue Analysis of the reduced systemKCCKCNKNCl l2= KMCCMCNMNCI= Mq = r1|r2|. q = R qleads to a system o

11、f uncoupled one mass oscillators K - W W2 M ri = 0diag 1 q + diag W W2 q = bRTM R q + RTK R q = RT gAfter CMSAfter CMSDegrees of freedom of the flexible body in the MBSx =DOF of the rigidbody motionxyzq qt ty yu = R qs s = S S R qModal coordinates of the elastic deformationq1q2 . .qN. .S S contains