True-Load与ANSYS Mechnical相结合，突破康明斯电力系统耐久评价流程数十年瓶颈
一、写在前面
康明斯提供的发电机组，用于支持全球可靠电力对备用和远程安装的所需。大型发电机设备长时间的振动会逐渐削弱其支承结构，往往需要进行疲劳分析。然而，金属框架仿真得到应变历程不能满足疲劳预测的精确要求，良好的试验相关性也具有很大的挑战性。康明斯电力系统开发团队将True-Load与ANSYS Mechanical相结合，开发了一种新的流程，加快了其模拟工作流程，突破了发电机组耐久性建模数十年来的挑战。
“实际能使用多久？”这是产品中每个零件、部件或系统在需要修理或更换之前都不可回避的一个问题。当发电机组为医院、水处理中心、数据中心、军事单位等大规模连续或备用电源提供离网电力时，其耐久性预测结果则必须能经得起考验。发电机组在无电网电力的情况下通常被隔离在一个房间，维修时将房间拆开则往往需要花费非常高昂的成本和代价。发电机组的部件，包括发动机、曲轴、发电机、风扇及散热器，均安装在滑轨金属框架上。发动机的振动非常容易导致框架结构及连接焊缝处出现疲劳，这是滑轨主要的失效模式。根据发电机组的实际运行条件准确地预测滑轨的疲劳寿命则成了康明斯电力系统工程师至关重要的事情。
康明斯的发电机组：燃气内燃机、交流发电机、冷却系统和控制系统都安装在滑轨金属支架上。过去，康明斯通过建立结构的模态分析模型，并在运行条件下采用加速计进行测量，然后利用这些测量值来确定每一模态的总体比例因子。逐个查看每一模态，按比例因子对ANSYS Mechanical结果将进行缩放，得到应力和应变。采用该方法无法计算总的模态响应，同时需要花费大量的时间和精力去解决一些并不存在的问题，所以亟需更好的解决方案。疲劳寿命与应变之间呈对数关系，因而应变历程的15%~20%误差就可能导致寿命的200%误差，全面考虑各阶模态的参与因子并利用行业标准工具来进行疲劳分析将变得格外重要。然而，首当其冲的是找到相关性良好的应变历程。康明斯需要深入了解滑轨上最佳的应变计放置方位，以便能获取正确的测试数据，从而与疲劳分析的模型相关联。康明斯通过True-Load软件与ANSYS SpaceClaim、ANSYS Mechanical相结合形成新的开发流程，大大提高了滑轨耐久性仿真的建模速度和分析精度。从滑轨的CAD几何导入开始，在SpaceClaim中移除对结构模拟不重要的小间隙和面，降低总体网格复杂度。发电机组装配模型的网格包含大约400万个单元，ANSYS Mechanical及SpaceClaim新版本的模型装配功能，不仅使得单个模型的网格划分速度提升3倍，同时也大大提升了网格的保真度。在Mechanical中进行模态分析，根据发动机振动产生的载荷函数，确定结构的模态频率和振型。了解决定整体动态响应的模态总数和主导模态是非常关键的，这些模态激励是引发滑轨上应力应变的主要因素，对其下游的疲劳分析意义重大。采用Mechanical的16核并行计算，求解速度相应于分析设置和网格复杂度可加速3~10倍。Bonded接触使模型的求解更加有效从而计算速度得到极大提高。模态分析的24阶模态作为True-Load的单位载荷。
ANSYS Mechanical完整的
发电机组模型（红色的是滑轨）
将Mechanical的模态结果作为True-Load的输入条件，利用True-Load/Pre-Test，得到了滑轨结构上应变测量的最佳位置和方向，康明斯发现基于True-Load/Pre-Test确定的最佳测试方位，可避免因测量位置的不正确所导致的不可靠数据。通常而言，贴片数量是单位载荷或模态个数的1.5~2倍。True-Load调用的是Mechanical模型中来自静载或特征模态的变形。一般来说，True-Load 支持单位位移约束、单位载荷、特征模态（柔性模态）以及以上各类的混合。在测试时关注前24阶模态，那么滑轨上需要大约分布40~50个应变片。True-Load根据单位载荷的计算结果，确定载荷传递路径，进而决定贴片方位。基于经验的传统技术所规划的贴片位置可能放置在相对热点的位置，例如焊缝、销钉或缺口。基于True-Load的新技术则建议其放在更合适的位置，以便于后续的应变相关性比较。ANSYS Mechanical 中显示的滑轨第1、2阶模态左：测量应变数据的时间历程（绿色）与基于True-Load模态参与函数的应变预测（蓝色）对比。右：三个典型应变片位置测量与预测结果的相关性，图斜率为1显示了其完美的相关性。
康明斯的试验人员以1350到1650转/分的速度运行发电机组发动机并以一分钟的间隔（包括启动和停止）收集贴片位置的大量数据，这个采样频率对应的数据量对于后续分析而言不成问题，因为True-Load对数据量并没有限制，而且康明斯也有足够好的硬件容量来执行相关性分析。根据Mechanical的单位载荷结果以及所测量的应变历程数据，True-Load/Post-Test计算得到了模态参与函数，该模态参与函数非常精确地反映了各阶模态的贡献程度，将模拟结果与测量应变数据进行关联比对，其平均误差（标准化均方根）约为6%。在此基础上，将True-Load的载荷比例因子与Mechanical的应力相结合，并将其输入至疲劳分析工具中，进而得到滑轨的寿命曲线。
由True-Load/Post-Test计算的模态参与函数定义了每阶模态对总响应的贡献程度
疲劳预测结果表明，规定的工作循环不会对滑轨造成损坏，从理论上看该结构呈无限寿命。研究发现，后续在滑轨减重的再设计过程中机械系统前几阶模态的预测振型和频率并没有明显改变。由于前几阶模态对总响应的贡献最为显著，因此基于True-Load的载荷函数可近似用于再设计的评估。因全场应变的结果可从相对较少的离散测量位置提取而映射得到，康明斯工程师发现这还是一个巨大的附加值，有助于缩减开发和测试时间，还能够消除因过度设计所连带的成本。而且，与传统方法相比，基于True-Load的新方法加强了疲劳评估工作流程中仿真分析人员和试验人员之间的合作与沟通，鉴于设计和分析过程的显著加速，康明斯未来计划将基于True-Load的新方法拓展至其他发电机组结构（包括风扇、散热器、护罩和曲轴）的耐久分析应用中。以上是笔者基于康明斯电力系统公司美国弗里德利应用技术资深机械工程师Nathan Marks 的“Less Pain to Predict Strain”文章进行汇编的康明斯电力系统基于True-Load的耐久分析新流程，如有不当，欢迎批评指正。在此特别致谢Nathan Marks对True-Load应用的过程总结和结论。为了帮助更多人认识和使用True-Load这个工具，笔者在仿真秀发布了一套视频教程《载荷识别新方法True-Load技能进阶9讲》-实现你载荷识别0基础到掌握运用突破。
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焦晓娟，仿真秀专栏作者，理学博士，上海市长宁区“专业技术拔尖人才”，计算机技术及应用专业正高级工程师，机械专业高级工程师，多项实用新型专利的权利人和发明型专利的发明人，《RecurDyn多体系统优化仿真技术》一书的作者。
具有丰富的CAE软件技术支持经历，专业支持过的商业化CAE软件有MBD for ANSYS、RecurDyn、Femap、Nastran、Vcollab、Isight、Fiper、SLM、Ls-Dyna、Vcollab、Adina、Abaqus、GageMap、Pro-EMFATIC、SafeDesign、ParticleWorks、True-Load等。
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来源：仿真秀App
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