运动线缆疲劳寿命如何受布线与倾角影响？仿真分析揭示答案

1小时前浏览4

导读：上一篇文章《浅析ABAQUS疲劳寿命裂纹损伤分析用户最关心的3个核心问题》针对 ABAQUS用户最关心的三个核心问题，结合理论与实践，系统解析疲劳分析的关键技术。本文针对运动线缆的高周疲劳特点，采用名义应力法进行分析，并结合应力-寿命曲线评估材料在交变载荷下的疲劳寿命。对线缆结构在最优工况下进行疲劳仿真，提取关键区域名义应力并进行寿命估算，并分析不同布线方式以及不同倾角对运动线缆疲劳寿命影响。

为了帮助读者更好掌握ABAQUS疲劳分析能力，我把本文的案例上传到仿真秀学习资料包（见文末），供读者免费下载使用。另推荐大家订阅我的《ABAQUS疲劳分析建模方法与技巧17讲》，提供更多模型资料，还为订阅用户提供答疑服务，详情见后文。

一、运动线缆仿真疲劳分析

运动线缆作为驱动机构中的关键构件，在长期运行过程中承受复杂的弯曲、拉伸及扭转载荷，其疲劳损伤易导致性能退化甚至失效，从而影响系统的稳定性和可靠性。由于航天器等高可靠性装备对运动线缆的寿命预测要求极高，开展疲劳分析对于确保驱动机构的安全性至关重要。在疲劳寿命评估方法中，有限元仿真分析凭借操作简便、计算高效、可视化结果直观等优势，已成为研究运动线缆疲劳特性的重要工具。相比传统实验方法，有限元分析能够在多种复杂工况下模拟线缆的疲劳损伤演化，避免高昂的实验成本与周期限制，为优化设计提供有力支撑。因此，基于有限元的疲劳分析方法在运动线缆寿命评估中具有重要应用价值。

1、疲劳分析流程

为了预测运动线缆的疲劳寿命，首先需要获取其应力分布，并结合预测疲劳寿命所需的循环特性、应力幅度以及材料的疲劳特性曲线(即疲劳强度-寿命曲线),本文采用 Fe-safe 疲劳分析软件来预测运动线缆的疲劳寿命^[^91]。其中包括Input 模块(导入有限元分析结果)、Materials 模块(定义材料的疲劳性能)、Loading 模块(导入载荷历史或载荷谱)、Analysis 模块(执行
计算)、Results Display 模块(疲劳寿命、损伤累积及安全因子的可视化显示)以及 Critical Location Identification 模块(识别疲劳热点区域)。按照各个模块之间的数据流连接，如下图所示，为Fe-safe 软件搭建的疲劳分析流程。

图-疲劳分析流程搭建

2、疲劳分析内容

对运动线缆进行寿命分析时，这三个模块分别对应着构件有限元分析结果，定义材料的疲劳性能以及导入载荷历史或载荷谱。

(1)构件应力计算

当驱动机构运行时，运动线缆随着机构的旋转不断弯曲和拉伸。这一过程中，每次转动都会使线缆经历一次弯曲应力和拉伸应力的循环变化，类似于齿轮传动中的接触应力循环。随着时间的推移，线缆的每个部分都会经历多次应力应变循环。此外，由于线缆通常布置在有限的空间内，其弯曲半径受限，导致局部应力较高，进一步加剧疲劳损伤。尤其是在驱动机构长时间运作、载荷变化较大的情况下，线缆的疲劳寿命可能会大幅缩短，最终导致断裂或失效，影响驱动机构的正常运行。本文通过有限元软件分析获取了运动线缆的多种工况的最大应力值和危险区域。如图所示为各个工况的最大应力值，运动线缆的两端应力值较其余位置的应力值较大，且中部为全局应力最大位置，有应力集中的风险，即线缆两端以及中部均为预测疲劳寿命时的危险部位。

(2)运动线缆材料疲劳性能

当试验数据不可得时，可以通过材料的静压性能参数、弹性模量、真实断裂延性和强度来推测其疲劳特性，该方法具有重要的理论和实践价值，并积累了丰富的数据，这为提升材料的疲劳性能提供了新途径，在没有实验数据的情况下，预计疲劳性能值可用来预测结构的疲劳寿命，材料的疲劳性能数据是使用名义应力法预测其疲劳寿命的关键，其数据主要为材料S-N曲线。目前很多主流疲劳寿命分析软件都将材料疲劳特性数据纳入其中，可以轻松地获取并使用。本文所使用的线缆材料为C55/0114-26-9的铜导线，具体材料属性，如表2-1所示。

根据 GB/T 1640-1993《航空航天用电线电缆导体品种及截面系列》的规定，首先确定材料的抗拉强度和断裂伸长率。基于这些力学参数，将其输入疲劳分析软件 Fe-safe 进行计算，利用软件的材料数据库或用户自定义模型生成相应的S-N曲线，从而评估材料在不同应力水平下的疲劳寿命。这一方法能够确保计算结果符合国标要求，提高疲劳寿命分析的准确性和工程适用性。

(3)疲劳载荷谱的确定

Fe-safe软件能够高效识别并读取载荷谱数据，并将其作为疲劳寿命预测的基础数据。在本文第三章中，通过Abaqus动力学软件获取的载荷-时间历程曲线，可以直接导入Fe-safe的Loading模块中。用户只需选择适当的分析方法和表面处理工艺，便可完成数据导入。至此，运动线缆疲劳分析的准备工作已完成，接下来便可进行疲劳分析。

3、运动线缆多工况疲劳分析结果

在基于等效模型优化线缆布局并确定最优工况后，需进一步建立原始模型，以对运动线缆的疲劳寿命进行定量分析。研究采用名义应力法进行疲劳寿命评估，该方法基于宏观应力水平进行疲劳损伤预测，其计算结果与材料的几何尺寸无关。因此，在上述建模策略的基础上，对运动线缆的疲劳寿命进行分析，以确保计算的准确性和工程适用性，同时提高数值模拟的效率和稳定性。

(1)仿真工况设置

在疲劳分析过程中，首先需将有限元应力分析的结果导入疲劳分析软件Fe-safe，确保输入数据包含完整的应力分布信息，以准确反映结构在服役条件下的受力情况。随后，在材料属性设置中输入该材料的S-N曲线，该曲线基于国标计算得到，并用于描述材料在不同应力水平下的疲劳寿命特性。

在疲劳寿命计算方面，本研究采用Goodman 线性修正算法进行高周疲劳评估。Goodman 公式是一种经典的疲劳寿命修正方法，适用于考虑平均应力效应的情况，尤其在高周疲劳工况下，材料的疲劳极限会受到平均应力的影响，而Goodman 关系能较好地修正，因拉-压不对称循环载荷造成的疲劳极限变化，从而提高疲劳寿命预测的准确性。此外，该方法计算效率较高，便于工程应用，且已广泛应用于航空航天等领域的疲劳寿命分析。

随后，将应力分析所得的载荷谱(Load Spectrum)导入Fe-safe软件，该载荷谱描述了结构在工作过程中承受的循环应力分布情况，是进行疲劳寿命预测的重要输入参数。为保证分析的全面性，本研究选择输出疲劳寿命(Fatigue Life)，可用于评估结构在给定载荷条件下的预计失效寿命，以便识别潜在的疲劳失效区域。

尽管等效模型在最优工况下能够较好地近似真实结构的性能，但在疲劳分析的最终阶段，仍需将模型还原为更接近真实结构的形式，以确保分析结果的准确性。通过对比相同结构下纯铜丝与外包塑料铜丝的载荷-时间曲线，如图5-7所示，结果表明，在单周期载荷作用下，二者的应力水平趋势相似。然而，含有塑料包裹的铜丝在应力值上较纯铜丝有所降低，这表明塑料外皮能够有效地保护线缆，减小其受力。此外，考虑到纯铜丝的疲劳寿命能够代表整个结构的稳定性，因此，基于纯铜丝的疲劳寿命预测可为评估该复合结构的疲劳性能提供可靠依据。即保证疲劳寿命大于铜丝的疲劳寿命即可，下文分析即根据纯铜进行分析。工况的疲劳仿真设置如下表5-2所示。

图5-7 载荷-时间曲线

表5-2 疲劳分析的条件设置

(2)疲劳寿命仿真结果

图5-8 运动线缆疲劳寿命分布云图

如图5-8所示，图中线缆低周疲劳的区域为三部分，分别位于顶端、中段、底端。为了研究三个部分在加载周期中的应变变化，分别在线缆潜在的疲劳区域定义了三个监测点位置。三个监测点的疲劳寿命如表5-3所示，监测点1的疲劳寿命分别为1×10⁷，监测点2的疲劳寿命为5.07×10⁶，监测点3的疲劳寿命为9.71×10⁵。

进一步分析云图可以发现，运动线缆在弯折部位的疲劳寿命显著低于其他直线段。这主要是由于线缆在周期性运动过程中，弯折区域承受较大的曲率变化，导致最终形成疲劳失效的主要风险点。另外运动线缆的下端为固定端，为结构中疲劳寿命最低位置。这是由于布线方式受到的力矩较大，为应力集中区域，最终形成结构中疲劳寿命最小的位置，线缆的其他部分因变形较小，疲劳寿命相对较长。

表5-3 运动线缆关键节点疲劳寿命

图5-9 布线方式Ⅱ的疲劳分析

如图5-9(a)所示，进一步布线方式Ⅱ的疲劳寿命和损伤情况进行了综合分析，疲劳寿命较低的区域主要集中在弯曲段路径段，其中两端与布线方式Ⅰ的位置相同，不同点在于由于布线方式Ⅱ的上端水平端的存在，造成线缆弯曲，表明线缆弯曲会导致结构处的疲劳寿命降低。如图5-9(b)所示，结合损伤分布情况，可以进一步分析疲劳寿命与损伤之间的关系，损伤位置与疲劳寿命低的位置相似，表明线缆损伤会导致疲劳寿命的降低。

图5-10 布线方式Ⅲ的寿命分析

如图5-10(a)所示，为布线方式Ⅲ的损伤分布图，从深蓝色到红色分别代表不同的损伤值，损伤值的范围从0到2.683e^-⁴。深蓝色区域表示损伤值接近于0，即路径段的损伤程度较低，而红色区域则表示损伤值较高，表明这些路径段的损伤程度较为严重。从图中可以观察到，损伤较高的区域主要集中在某些特定的路径段，这些路径段在设计中可能需要进一步优化，以降低其损伤程度。我们将布线方式Ⅲ的损伤分布与疲劳寿命分布进行对比分析。如图5-10(b)所示，为布线方式Ⅲ的疲劳寿命分布图，颜色条同样从深蓝色到红色分别代表不同的疲劳寿命值，疲劳寿命值的范围从10^3.5到10²，深蓝色区域表示疲劳寿命较长，而红色区域则表示疲劳寿命较短，即这些路径段更容易发生疲劳失效。综合损伤和疲劳寿命的分析结果，如表5-4所示，对比分析三种不同布线方式的疲劳寿命，确定了布线方式Ⅰ为疲劳寿命最佳结构，进一步分析倾角对疲劳影响。

表5-4 不同布线方式疲劳寿命对比分析

如图5-11，基于静力分析部分的五种工况，分别建立了对应的疲劳寿命仿真分析，由图可以观察到，倾角的改变对疲劳寿命的影响较大，随着倾角的增大，疲劳寿命的循环载荷次数在减小，且当倾角达到20°时，线缆与结构件发生干涉，即处于危险状态。综上，在0°、5°、10°、15°、20°的倾角中，0°倾角的循环载荷最大，为上述五种工况的最优工况，即倾角越小，线缆的可靠性越高。

图5-11 不同倾角下线缆的疲劳寿命(a)5°(b)10°(c)15°(d)20°

二、Abaqus疲劳分析建模专题17讲

为帮助学习者掌握ABAQUS疲劳分析建模方法和技巧，获得疲劳寿命预测、裂纹扩展和疲劳损伤评估能力，直击疲劳破坏物理本质&拆解关键技术难点。笔者原创首发仿真秀官网的《ABAQUS疲劳分析建模方法与技巧17讲》课程通过具体的案例，结合进阶的疲劳分析建模方法，例如：多轴疲劳、热机械疲劳、裂纹扩展、疲劳损伤累积、随机载荷谱分析、材料非线性等，详解疲劳破坏的物理现象。