CNH基于True-Load确定装载机前连杆的疲劳载荷

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如何提升改进再设计过程的效率？且看True-Load在CNH公司装载机前连杆疲劳载荷识别中的应用案例。该案例源于“Front-End Loader Linkage Durability Analysis UsingLoad Input from True-Load”一文，谨以此文的中文编译分享给True-Load的关注者。

基于True-Load确定装载机前连杆的疲劳载荷

David N. Slowinski

CNH Industrial

Abstract:本文介绍了Fe-safe软件与Abaqus/CAE、Abaqus/Standard、True-Load和Verity焊接分析相结合来评估装载机前连杆疲劳耐久性能的过程。工程设备的有限元分析动态载荷不能用传统的线性静载方法获得。利用Wolf-Star公司的True-Load软件和Abaqus的单位载荷有限元分析，确定了导致连杆疲劳失效的实际动载历程，之后在Fe-safe中采用该动载历程，比较各设计方案的耐久性并选择符合仿真标准的方案。True-Load精确地再现了实际载荷，大大提高了仿真设计的可信度。

Keywords:Skid Steer Loader,Compact Track Loader, Front-end Loader, Finite Element Analysis, Abaqus,Abaqus/CAE, True-Load, Fe-safe, Verity, Strain, Strain Gauges, Durability,Fatigue, Field Loading, Time Series Loading

1. Introduction引言

有限元分析是评价工程机械结构性能的一种有效手段。通常在有限元模型施加“最坏工况”的静载荷来模拟实际工作载荷，再根据应力、应变、挠度和/或其它准则来评判其性能是否满足目标要求，然而该方法存在漏判潜在疲劳的问题。给定载荷工况虽然可通过stress-life或strain-life计算来确定疲劳寿命，然而却很难复现载荷的动态特性。模拟整个过程的动态载荷可能需要非常多静态载荷工况，其循环次数的估算也并不容易。用“最坏工况”静载模拟实际动载荷的另一个问题是其忽略了过程中相对较低的应变，这些应变可能是高周疲劳的根源。滑移转向装载机（SSLs）、紧凑履带装载机（CTLs）等工程机械的运行工况非常复杂，通常涉及高度的动态载荷，准确地复现这些动态载荷可大大提高有限元结果的可信度、提升设计方案比较的有效性。

在Abaqus/CAE中可进行工程设备产品的有限元建模、边界条件定义、载荷施加以及响应的求解，而描述真实作业现场的动态载荷则是基于FEA进行疲劳分析的关键。True-Load软件可精确地复现载荷的时间历程，并提供与Abaqus/CAE集成的用户界面。首先在Abaqus中用单位载荷表示可能的载荷并求解其应变响应；然后True-Load/Pre-Test根据单位载荷的应变响应来确定最佳应变计的位置和方向，有效地将结构转换为其自身的载荷传感器；之后，进行现场试验并采集应变计所在位置的应变；最后将测量的应变数据读入True-Load/Post-Test，通过计算得到试验相应的动态载荷函数历程。确定动态载荷历程后，True-QSE通过比例载荷与单位载荷结果叠加形成结构的全场响应，包括结构每个节点和单元位置的时变应力、应变和挠度。为方便疲劳分析，True-Load/Post-Test可自动输出Fe-safe格式的载荷时间序列数据。本文案例采用上述方法，将Abaqus线性静态分析和True-Load软件结合复现了真实的载荷，对装载机连前杆的设计方案进行了评估，在真实载荷数据的基础上，使用Verity焊接疲劳分析技术验证了设计的疲劳耐久仿真目标。

2. Background 背景

滑移转向装载机和紧凑履带装载机在建筑、园林绿化和农业等场景均有广泛应用，当前Case Construction和New Holland Construction的SSLs和CTLs生产线，含有径向提升或垂直提升装载机。径向提升机采用绕底盘和提升油缸单轴旋转的装载机臂实现其沿径向的升降。垂直提升装载机臂的连杆连接在底盘和装载机臂的不同点，以便在一定工况下机臂更有利地沿垂直方向超更远路径升、降。前端装载机附件种类齐全，允许执行各种作业，这对仿真设计提出了较大挑战。

该项目研究的是垂直提升装载机臂组件H-link疲劳故障问题的设计方案改进相关问题。H-link是一个焊接结构，分别与底盘和装载机臂臂架通过两个销进行连接。图1显示的是装配在底盘上的垂直提升装载机臂在最大高度方向上的CAD几何结构，其中H-link如图中深灰色所示。

Figure 1. CADmodel of vertical lift loader assembly on chassis.

图1. 装配在底盘上的垂直提升装载机CAD模型

3. Methodology 研究方法

经确定，失效发生的工况是装载机前部使用专用附件的特定工况，该疲劳失效主导工况及H-link的失效位置确定后，在再次现场试验之前通过仿真确定改进设计的备选方案。

3.1 Linear Static LoadingApproach 线性静态载荷方法

评估设计方案的第一步是对当前装载机总成设计的现有有限元模型进行更新，定义线性静态载荷并运行计算，得到相应工况的预期最大值。为了近似实际工况，在装载机臂处于三个不同方向时分别定义载荷并求解模型，将当前设计和H-link改进方案的应力值进行比较，之后使用Stress-life计算改进方案的预期寿命。通过比较失效时间（小时）与工况所需时间（小时）确定目标寿命的改善情况。图2所示为H-link在装载机总成在三个方向同一静态载荷工况下的应力云图。按该设计进行现场加载评估，但未达到目标操作时间（小时）。

Figure 2. H-linkstress contours under static load cases and three orientations.

图2. 三个方向H-link静态载荷下的应力云图

3.2 True-Load Approach 基于True-Load的方法

准确地掌握仿真工况的载荷是提高仿真可信度的基础，在Abaqus/CAE中建立当前H-link由壳单元、六面体单元和梁单元组成的有限元模型并施加单位载荷，因外部向H-link的传力路径仅仅是四个销所在的位置，因而在四个销关节处都设置了单位载荷。因每个关节都可沿销轴方向（在模型Z方向）自由旋转，从而释放一个自由度。其余五个自由度分别施加单位载荷，X、Y和Z方向上的三个单位载荷力，以及垂直于销轴绕X和Y方向的两个单位力矩载荷，模型中引入惯性释放以防止刚体运动。如此一来，模型中共计20个单位载荷。图3所示为Abaqus/CAE中各销位置力和力矩的单位载荷模��。

Figure 3. H-linkunit load model with pin forces and moments.

图3. H-link的单位载荷（力和力矩）模型

利用Abaqus/Standard进行线性摄动分析，并将包含应变的结果文件载入True-Load/Pre-Test中，规划出33个应变计的最佳位置，这些应变计的测量值与所有单位载荷的应变结果一起用于准确识别真实载荷。图4所示为Abaqus/CAE的H-link单位载荷模型以及由True-Load所确定的应变计位置。

Figure 4. H-linkunit load model with strain gauges placed by True-Load.

图4. True-Load所规划应变计位置的H-link单位载荷模型

在True-Load界面中可将应变计直接轻松地放置到Abaqus/CAE模型上以完成重新定位，这可确保物理测试时应变计位置与True-Load中位置完全一致，并能确保应变计所放位置在测试期间不会损坏。将STEP格式的H-link几何模型导入到Abaqus/CAE中，以便应变计位置放在实际零件表面，而不是壳单元的中面。图5所示为True-Load规划的一个应变计在Abaqus/CAE模型及实际零件上的标记位置。

Figure 5. True-Load gauge dimensioned in Abaqus/CAE and located on test part.

图5. True-Load规划的应变计位置在Abaqus/CAE模型及测试零件上的标记

按True-Load规划的应变计位置完成安装，并完成相关测试工况，接着将应变结果载入至True-Load/Post-Test中，之后计算载荷函数，并输出Fe-safe格式数据以便进行后续疲劳分析。而后，在True-QSE中使用载荷比例因子，通过单位载荷模型上载荷函数的叠加来模拟整个H-link有限元模��上的真实载荷。为了方便确认仿真应变与试验测量应变间的相关性，True-Load/Post-Test详细分析总结了True-Load应变计的相关性结果。报告显示H-link上True-Load应变计具有良好的相关性，最大均方根（RMS）误差为10.3%，最小均方根误差为0.14%。图6所示为H-link全部33个True-Load应变计的仿真应变与测量应变之间的相关性图。

Figure 6. Strain correlation plot between simulated strain and measured strain forall True-Load strain gauges.

图6. 全部True-Load应变计的仿真应变与测试应变相关性

除了安装True-Load规划的应变计，在预计的低寿命区域也安装了应变计。True-QSE可映射全模型的载荷时间历程，从而可以得到模型中任何位置的时变应力、应变或挠度。图7所示为预计低寿命位置在一段时间内Abaqus模型的仿真应变与实测应变的比较，从曲线可知两条曲线吻合极好，从而也提升了H-link仿真的可信度。

Figure 7. Timetrace comparing simulated strain to measured strain at low life location.

图7. 低寿命区仿真应变与测试应变的时间历程比较

下一步是完成疲劳分析。True-Load/Post-Test和Abaqus.odb文件共同确定的载荷历程可载入Fe-safe，在一个新的.odb文件中的创建Fe-safe结果，该.odb文件可在Abaqus/CAE中打开并进行后处理。当前设计的初始疲劳结果显示，连接横管和H-link侧臂的焊缝附近寿命最低，该位置与实际的故障位置匹配一致。随后对Abaqus/CAE模型进行了更新，以壳体单元表示横管和侧臂之间接口处的焊缝。然后，在Fe-safe中运行Verity焊接疲劳，预测寿命与实际失效寿命具有相似的小时数。

创建了与实际失效位置及寿命时间吻合的当前设计模型后，下一步对改进的新设计进行分析，以选择满足仿真目标的方案。在Abaqus/CAE中针对一个改进新设计建立单位载荷模型，其单位载荷与改进前H-link模型的位置相同。在Abaqus/Standard中求解单位载荷结果，将改进后的H-link结果文件和载荷时间历程序列加载至Fe-safe中。结果再次显示，横管与新H-link侧臂连接的焊缝附近，寿命最低。再次使用Verity焊接疲劳分析确定改进后H-link焊缝处的预计疲劳寿命。结果表明，改进后的新设计达到了仿真目标，疲劳寿命比改进前提高了7.8倍。图8显示了改进前后焊缝处的疲劳寿命云图分布。

Figure 8. Lifecontours of the current production (left) and the final design (right) fromVerity weld analysis in Fe-safe.

图8. 改进前后焊缝处的寿命云图

4. Conclusions 结论

Abaqus/CAE、True-Load和Fe-safe的集成使用，有效地研究了H-link的设计疲劳问题。Abaqus精确再现了真实载荷作用下H-link的行为，True-Load准确识别了真实荷载，基于设计与事物的关联，进一步验证了改进设计。仿真应变与实测应变的良好相关性显著提高了仿真结果的可信度。最后，Fe-safe基于真实载荷时程对整个H-link准确地进行了疲劳寿命分析。疲劳分析结果与故障位置和寿命（小时数）的高度相关验证了改进新设计疲劳分析的准确可信。实物测试验证了仿真结果，并确认改进新设计满足耐久性目标。

Abaqus/CAE与True-Load动态载荷识别技术相结合可精确地仿真应变响应，在工程机械研发过程中极具价值，加之Fe-Safe的疲劳分析，三者为产品虚拟设计提供了一种有效的耐久性能评价新方法，三款工具之间数据畅通无阻，在生产改进方案的零件前可有效地识别出潜在的疲劳问题，大大节省了传统方法中静态载荷反复匹配测试数据所耗费的时间。此外，新方法可评估整个结构的真实载荷时间历程，避免了传统方法聚焦局部位置的仿真漏缺。新方法可有效地减少设计和测试迭代的次数，从而有效降低研发时间和成本。