HyperView在方向盘疲劳分析中的应用

摘要：产品的疲劳寿命是现代设计的一个重要指标。本文以某方向盘骨架为研究对象，利用HyperView进行相关的疲劳分析，计算出结构的应力幅、疲劳寿命和疲劳损伤；并针对设计方案疲劳断裂失效及有限元分析结果，提出了改进方案并验证。
关键词：方向盘，骨架，疲劳，HyperView

1 概述

产品的疲劳寿命是现代设计的一个重要指标，有限元疲劳仿真能够提供零部件的疲劳寿命分析，在设计初期阶段发现零部件的薄弱位置。仿真分析能够减少试验样机的数量，缩短产品的开发周期，进而降低开发成本，提高市场竞争力[1]。一般此类分析都需采用专业的疲劳分析软件，成本较高[2]。
本文以某方向盘骨架为研究对象，利用相关求解器求解在典型工况下的应力分布，并利用HyperView进行相关的疲劳分析，计算出结构的应力幅、疲劳寿命和疲劳损伤；针对设计方案疲劳断裂失效形式及有限元分析结果，提出了改进的骨架设计方案并验证。

2 方向盘疲劳实验介绍

方向盘疲劳性能主要是由骨架决定，此实验主要是评估骨架在交变载荷下的疲劳性能，典型疲劳实验示意图见图1：

图1 疲劳实验示意图

骨架下端通过管柱水平固定在实验台上，由循环气缸设施施加±221N在骨架最弱位置（通常为轮圈12点钟），加载方向垂直轮圈平面。设计标准要求骨架能承受8万次的循环。

3 疲劳分析

3.1 静态分析

为了真实反映方向盘骨架的结构特性，采用六面体和五面体网格划分骨架、管柱模型。分别创建两个静态分析，将方向相反的载荷±221N分别施加在轮圈相应位置（命名为Model_UP和Model_Down两个分析），求解出结构在交变载荷下的最大静态响应。

3.2 疲劳分析

用HyperView查看相关结果，并利用Derived Results工具进行疲劳分析。其中Derived Results是HyperView 11.0的特色功能，允许用户基于已有数据创建自定义的张量或标量等数据类型。

本分析采用有限元局部应力高周疲劳方法来判断结构失效，其疲劳特性主要是由应力循环决定的，通过加载历程分析，此应力循环的平均应为为0，骨架同一位置的应力循环中的最大应力和最小应力分别出现在两个分析中。因此，先利用HyperView加载Model_Up分析结果，然后利用Derived Results引入Model_Down分析结果，并利用相关的公式将两分析中的主应力数据生成新的数据类型Stress Amplitude（应力幅），其对应的mvw文件对应的数据行详见表一。

表一 Stress Amplitude程序行

利用同样原理，基于结构应力幅和相关应力-寿命曲线（S-N曲线）计算出新的数据类型Life Repeats（疲劳寿命），原设计的应力幅和疲劳寿命云图见图2。从图2.a可以看出，在区域A和B上结构应力幅值比较高；图2.b显示A处的寿命最低，小于标准要求的8万次要求，相关物理实验表明骨架断裂均在A处。

图2 原设计分析结果

3.3改进设计

为了提高骨架疲劳寿命，将骨架A处光顺处理，同时将区域A、B处轮圈面积增大。图3.a显示改进后A处不是最危险位置，B处为最大应力幅，但相比原设计已经显著下降；图3.b显示最小的疲劳寿命大于标准要求的8万次要求；后续物理实验也证明了此设计改进的可行性。

图3 改进设计分析结果

HyperView可扩展的功能并不局限于上面所示内容，例如疲劳损伤也是疲劳分析的一个比较重要的参数，均可以通过此技术得到，本案例的疲劳损伤云图见图4所示：

图4 新旧设计疲劳损伤对比

实际设计过程中，影响机械零件疲劳强度的因素还包括：应力集中、尺寸形状、表面因素[1]，同时加载历程也是疲劳寿命的重要因素。根据上述方法均可以对现有功能进行扩展，考虑更多参数来满足不同分析的需求，但相关程序复杂，对用户专业知识要求较高。

4 结论

本文以某方向盘骨架为研究对象，创新地提出了基于HyperView进行方向盘疲劳分析的技术方法，快速地计算出结构的应力幅、疲劳寿命和疲劳损伤，并将其用于指导方向盘骨架的结构设计，得出以下结论：

(1). 基于疲劳断裂失效形式及有限元分析结果，对方向盘骨架改进后，结构疲劳寿命明显提高，满足设计及使用要求；
(2). HyperView对于疲劳分析的解决方案具有一定实用性，成本较低，可以运用在相关领域。

5 参考文献
[1] 周传月，郑红霞，罗慧强. MSC.Fatigue疲劳分析应用与实例. 科学出版社，2005.
[2] 王成龙，张治，疲劳分析在汽车零部件设计中的应用. 上海汽车，2002(8):10-13.
[3] HyperWorks 11.0 User Guide, 2011.
[4] Fe-safe Fatigue Theory Reference Manual, 2002.