疲勞分析在罐箱開發設計階段的應用

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品不是缺乏經濟性就是安全性不足，所以在罐箱設計開發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的一個重要課題。罐箱的耐久性試驗通常先進行用戶調查，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，需要不斷優化和調整罐箱結構，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點。罐箱疲勞壽命仿真分析在產品概念設計階段，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，降低開發成本，縮短開發周期[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，為產品的設計壽命提供了理論依據，并且為將來產品的優化指明了方向。通過疲勞仿真分析提高了樣品在后續試驗階段一次性通過的概率，為企業節省了寶貴的資金和時間。

1 用戶調查

為了確保設計產品滿足90%客戶的使用習慣，又不至于因安全系數過高造成經濟性差，首先了解用戶的用車狀態，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。在進行典型用戶調查時，可采用網絡、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查問卷進行有效性檢查及篩選，排除掉無效的調查問卷。

基于用戶的調查結果，得到如下信息：（1）主要運輸地點：長三角區域；（2）路面構成：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。否則即使測量結果再準確也不能對總體質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，取值為2；P為發生損傷的比率；E為不精確度，取值0.02；N為樣本采集數量。

根據用戶調查結果，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。結合質保要求，確定該罐箱的目標里程為6×104km。

3 典型用戶道路載荷譜數據采集

基于以上調研結果并結合當地客戶經常所走道路，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據采集信號線進入試驗工具箱中，連接至HBM Somat eDAQ高性能動態數據采集儀，通過筆記本電腦可控制數據采集儀，監控狀態并下載采集數據。

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

圖1 數據信號

由于外界環境的干擾、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據進行觀察，對數據的有效性進行判斷。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，在進行數據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象（表現為信號的平均值不一致）。采集信號的任何一個通道出現了漂移現象，都必須在數據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會（ASME）標準中的疲勞曲線，并對標準中的數據進行擬合，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下的受力情況，然后將仿真計算結果導入疲勞仿真分析軟件nCode中。為了提高計算效率，根據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個危險點數據列于表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，對應疲勞次數為2.666次，折合1.5996×105km。罐體上最危險的點為節點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生疲勞破壞，結構很安全。

框架上最大累積損傷值為0.744 2，對應疲勞次數為1.344次，折合8.064×104km?？蚣苌献钗ｋU的點發生在節點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，后續可以根據疲勞壽命分布情況對產品進行優化設計。

5 結語

在對用戶使用路況進行調查的基礎上，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。疲勞破壞首先發生在框架和連接圈連接處，而罐體本體很安全，不會產生疲勞問題。疲勞分析預測了罐箱在道路運輸過程中的危險點、縮短了研發周期，為將來的產品優化打下堅實的技術基礎。