[发明专利]一种基于疲劳寿命的弹性元件结构优化设计方法

权利要求书

1.一种基于疲劳寿命的弹性元件结构优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用计算机辅助工程软件建立待优化弹性元件的不同结构的有限元网格模型；

利用有限元计算软件计算疲劳寿命：将所述有限元网格模型导入有限元计算软件，提取每个结构的等效应力云图，获得每个结构的等效应力的最大值，计算待优化弹性元件的每个结构的疲劳寿命；执行所述利用有限元计算软件计算疲劳寿命的具体步骤为：将建立的有限元网格模型导入ABAQUS软件；

设置材料属性及截面属性：选择与所述弹性元件对应的材料卡片，输入所述材料的M-R本构模型及材料参数；设置单元属性，并将设置好的单元属性赋给所述有限元网格模型；

设置分析步骤：分析步骤包括：初始步Initial，第一步step1，第二步step2，第三步step3；设置Initial为约束步，step1为预加载步，step2和step3为加载步；设置应力场输出变量和历史输出变量；

设置耦合约束：利用工具菜单Tools设置一个参考点，输入硬点坐标，建立耦合，将加载面上的节点耦合到参考点上，得到加载控制点；

施加载荷及设置约束：在所述加载控制点施加预载荷，根据所述弹性元件实际设计结构确定在所述加载控制点施加的疲劳位移载荷；利用主菜单中的边界条件BC面板中的管理器Manager，分别设置每个分析步骤的边界条件BC-l、BC-2、BC-3和BC-4；BC-1为约束，在Initial建立，在step1、step2和step3均起作用；BC-2为预加载，在step1建立，step2和step3均起作用；BC-3为X或Y或Z向的加载及位移，step3不起作用；BC-4在step3建立；

修改单元类型：选中待修改的单元，将模型的六面体单元设置为一阶六面体杂交单元C3D8H，将模型中夹杂的少量楔形单元设置为六节点线性三棱柱单元C3D6H；

提交分析作业：保存上述处理过的模型，在作业Job模块中创建作业Job-FATX或Job-FATY或Job-FATZ，进行X向或Y向或Z向的疲劳寿命分析；

计算等效应力：利用后处理模块，在工具菜单Tool中打开建立场输出面板CreateField Output，在场输入框From Fields内输入计算等效应力的公式：

式中，σ为等效应力，单位为牛顿；σ₁、σ₂、σ₃分别为X、Y、Z方向的应力，单位为牛顿；

获取等效应力最大值：在结果菜单Result中打开分析步/帧面板Step/Frame，并打开分析步控制Session Step，选择场输出按钮Field Output查看等效应力云图，所述云图上标出了等效应力的最大值及所在位置；

根据等效应力的最大值计算疲劳寿命；

求待优化弹性元件的不同结构的疲劳寿命的最大值，并与所述弹性元件的已应用成熟结构的疲劳寿命进行比较，确定疲劳寿命最高的结构为所述弹性元件的最优结构。

2.根据权利要求1所述的基于疲劳寿命的弹性元件结构优化设计方法，其特征在于，所述待优化弹性元件的不同结构的数量大于1。

3.根据权利要求1所述的基于疲劳寿命的弹性元件结构优化设计方法，其特征在于，所述计算机辅助工程软件为Hypermesh软件，所述利用计算机辅助工程软件建立待优化弹性元件的不同结构的有限元网格模型，具体包括：

导入模型及预处理：将待优化弹性元件的不同结构的三维几何模型导入Hypermesh中，清除所述三维几何模型中对疲劳强度计算影响不大的圆角和小孔，对于相近的线条和对形状特征影响不大的线条进行隐藏处理；

设置单元尺寸及类型：选择单元尺寸大小为2mm的六面体网格；

建立有限元网格模型：将导入的模型分割成若干小实体模型，在每个小实体模型的表面划分四边形网格，再投射到整个实体得到六面体实体网格有限元模型；在尖角处采用楔形单元过渡。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的基于疲劳寿命的弹性元件结构优化设计方法，其特征在于，计算疲劳寿命的公式如下：

式中，N为疲劳寿命，单位为次；σ_f为等效应力的最大值，单位为牛顿。