MSC.Fatigue?

一體化的疲勞壽命預測系統(tǒng)李毅波博士

長沙2012.5.19目錄

1.疲勞壽命預測簡介2.產品設計初期的疲勞優(yōu)化3.無縫集成4.疲勞理論簡介5.MSC.Fatigue功能應力(全)壽命應變(萌生)壽命虛擬應變片裂紋擴展（斷裂）振動疲勞多軸疲勞焊接疲勞輪轂疲勞工具6.MSC.Fatigue應用案例7.MSC.Fatigue新功能8.MSC.Fatigue總結2/6/202331.疲勞壽命預測簡介什么是疲勞？疲勞或疲勞斷裂機件在低于材料屈服強度的循環(huán)應力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象疲勞失效難以預防，疲勞會造成很大的經濟損失機械零部件80-90%的失效形式是疲勞應力分析只是結構壽命和可靠性分析的一部分，而不是全部.評定結構壽命和提高產品的可靠性需要分析疲勞失效。

在設計早期減少原型制作，降低開發(fā)成本.在設計階段估計產品壽命，加快產品投放市場時間。采用系統(tǒng)化方法評估產品壽命，增強耐久性，質量和性能。提高產品的市場競爭力為何需要疲勞分析？耐久性評估流程精確的部件模型疲勞壽命預測產品精確的仿真計算2.產品設計初期的疲勞優(yōu)化虛擬實驗和物理實驗的“杠桿”作用產品開發(fā)時間表源自新（舊）虛擬樣機的數(shù)據(jù)源自新虛擬樣機的數(shù)據(jù)第一階段修改第二階段修改產品設計初期的疲勞優(yōu)化產品開發(fā)時間表優(yōu)化后的產品成本優(yōu)勢質量優(yōu)勢時間優(yōu)勢優(yōu)化后的部件壽命疲勞壽命預測壁厚材料壽命missions)Node979壽命(missions)Node12453方案18mm826M31<13148方案28mm300M320727605方案312mm826M313830028500Node979Node12453目標壽命=12,000missions成功案例:JohnDeere客戶:

農業(yè)設備供應商挑戰(zhàn):

縮短耐久性設計過程解決方案:

在虛擬實驗室中，重現(xiàn)耐久性試驗價值:

在第一個物理樣機建造之前，辨識危險位置“采用新方法,我們大量減少了物理樣的數(shù)量，從以前的3~4個樣機，減少為1個

–TerryEwanochko,產品工程師

3.無縫集成

幾何&有限元

結果載荷和實驗結果材料信息應力(全)壽命應變(萌生)壽命虛擬應變片裂紋擴展（斷裂）振動疲勞多軸疲勞焊接疲勞輪轂疲勞工具

1500-1500120Strain(uE)Time(seconds)DISPLAYOFSIGNAL:TEST101.DACStrainLifePlot605M30Sf':857b:-0.067Ef':0.636c:-0.5791E-31E-21E-1StrainAmplitude(M/M)1E01E11E21E31E41E51E61E71E8Life(Reversals)1E31E41E51E61234567CrossPlotofData:S61STRAIN1KTLife(Miles)Kt()01574.7-750.4808.704.8548RangeuEX-AxisMeanuEY-AxisDamageZ-AxisDAMAGEHISTOGRAMDISTRIBUTIONFOR:TRACK05.DHHMaximumheight:4.8548ZUnits:%疲勞仿真疲勞壽命云圖靈敏度&優(yōu)化損傷分布MSC.FatigueMSC.Fatigue可以使用的各種分析結果MethodDiskSpaceCPUTimeHotspotdetectionbeforeanalysisDifficulties?StaticSmallQuickOKRealisticconstraints,nodynamiceffectsTransient(Modal)LargeMedium-SlowDifficultModeselectionMBDModalSuperpositionMediumMediumOKModal

Reduction

Vibration(PSD)MediumMediumDifficultAssumptionsofstationary,randomloading損傷

&壽命無縫集成創(chuàng)建系統(tǒng)Fatigue應力&應變部件察看部件載荷MSC.NastranMSC.MarcMSC.Patran材料信息

MSC.MVision測試MSC.Fatigue產品壽命?MSC.ADAMSMSC.ADAMSMSC.ADAMSMSC.NastranMSC.Patran數(shù)據(jù)流創(chuàng)建柔體部件模型

創(chuàng)建部件載荷歷程RPC和DAC文件

系統(tǒng)級的部件應力

模態(tài)應力回復系統(tǒng)級的部件疲勞壽命

疲勞壽命預測工具和有限元工具無縫集成

生成模態(tài)和應力形狀MD.Nastran

2.創(chuàng)建應力形狀1.計算載荷歷程MSC.ADAMS

計算&顯示壽命或者損傷DACFESMNFMSC.Fatigue4.疲勞理論簡介疲勞及疲勞破壞：由于固體內部微觀組織中位錯的存在，在外部交變載荷作用下，裂紋萌生、裂紋擴展直至固體發(fā)生破壞的過程。疲勞現(xiàn)象的基本認識內因：金屬中的晶體的位錯外因：交變載荷過程：損傷累積的過程，有明顯的裂紋萌生和擴展過程非疲勞破壞與疲勞破壞斷裂強度（Speak）瞬間斷裂循環(huán)（Sa，Sm）i損傷累積疲勞研究的目的疲勞破壞是機械設備的主要破壞形式（80％～90％）；疲勞破壞往往造成重大的經濟損失和人員傷亡；通過試驗、計算或監(jiān)控手段，防止疲勞失效及其造成的事故，保障設備使用安全是疲勞研究的主要目的?？蛊诒Ｕ习踩氖侄瓮ㄟ^計算分析和試驗考核手段，進行疲勞壽命設計。根據(jù)用戶要求設計，不參與使用過程。壽命估算CAD/CAE失敗通過設計方案用戶要求數(shù)據(jù)庫材料數(shù)據(jù)道路載荷道路試驗產品試制通過失敗用戶使用量產抗疲勞保障安全的手段通過監(jiān)控手段，建立疲勞壽命動態(tài)估計和安全預警機制，參與使用過程，當設備瀕臨破壞時，給出預警，以便用戶進行維護和更換。即將破壞？預警計算信號監(jiān)控

調整使用行為否是疲勞壽命疲勞設計的目標量化疲勞壽命：設備在正常使用過程中，所承受交變載荷的循環(huán)次數(shù)。裂紋萌生壽命裂紋擴展壽命總壽命疲勞破壞研究的基本內容內因：材料的基本特性、幾何尺寸、表面處理等抗疲勞性質外因：載荷特征的提取及其對疲勞過程的影響疲勞模型：綜合內因和外因的疲勞過程，內因和外因作用于疲勞過程的數(shù)學表達循環(huán)（Sa，Sm）i損傷累積工程實用疲勞理論載荷幾何尺寸、加工材料屬性疲勞模型疲勞壽命內因外因疲勞分析經典五框圖過程疲勞設計的目標量化疲勞壽命：設備在正常使用過程中，所承受交變載荷的循環(huán)次數(shù)。裂紋擴展壽命斷裂力學方法（LEFM）損傷容限法裂紋萌生壽命局部應變（e-N）法總壽命名義應力（S-N）法工程實用疲勞理論同樣的名義應力，同樣的總壽命名義應力（S-N）法ΔSNf同樣的應力幅值，均值應力大，則壽命短名義應力法平均應力修正Kf－－應力集中；msur－－表面加工質量以及表面處理；msize－－尺寸效應；…名義應力法其它修正ΔSNf同樣的局部應變，同樣的裂紋萌生壽命局部應變（e-N）法εa2Nf平均應力：根據(jù)Neuber法則算平均應力，應用SWT方法或Morrow方法修正eN曲線表面加工質量和表面處理應力集中…局部應變法修正同樣的應力強度因子，同樣的裂紋擴展速率線彈性斷裂力學法（LEFM）若結構在應力幅為ΔS的載荷作用下，其疲勞壽命為Nf，則單次幅值為ΔS的載荷循環(huán)對結構造成的損傷為：疲勞損傷的定義ΔSNf若結構在應力幅為ΔSi

的載荷作用下，其疲勞壽命為Nfi，則n次幅值為ΔSi

的載荷循環(huán)對結構造成的損傷為：疲勞損傷的定義ΔSiNfi損傷的線性累加（Miner）準則：不同應力幅的載荷混合作用下，載荷循環(huán)對結構造成的損傷為：損傷的線性累加準則ΔS1

ΔS2

ΔS3Nf1Nf1Nf2Nf3實際工作中，結構所受的載荷是不規(guī)則的，具有一定的隨機性，在物理樣機形成之前的設計階段，較難在試驗臺上再現(xiàn)載荷譜處理與損傷累積應用雨流計數(shù)方法，統(tǒng)計載荷的均值和幅值分布載荷譜的特征提?。河炅鞣ㄓ炅饔嫈?shù)統(tǒng)計根據(jù)計數(shù)結果，對個循環(huán)計算損傷值，并累加計算壽命變載荷損傷累積和壽命計算∑疲勞模型大多以應變或應力為基本的載荷輸入，若載荷譜測錄能直接獲取局部應力應變，則疲勞壽命可以直接計算；載荷譜的獲取和應用對于非直接測量的其它載荷譜信息，通常有兩種用途：道路模擬試驗機，通過試驗得到壽命，用于物理樣機的壽命考核；在有限元計算結果中作為邊界條件加入，求解動應力應變譜，然后帶入疲勞計算模型中分析壽命，用于樣機之前的虛擬壽命設計；作用：在設計的較早階段就對零部件以及整機進行疲勞分析并做初步的評估，減少疲勞壽命設計對試驗的依賴，提高設計效率，降低開發(fā)成本，縮短設計周期有限元疲勞分析基本流程：載荷幾何尺寸、加工材料屬性有限元疲勞壽命疲勞模型直接法：以載荷譜為邊界條件，在時域中加載荷步；計算成本太高，對長載荷譜無法應用。有限元疲勞分析思路可處理長載荷譜的簡化方法：不考慮模態(tài)：準靜態(tài)線性疊加法考慮模態(tài)：模態(tài)疊加法每一個疲勞問題都有其明顯的特殊性，在應用時應注意在基本疲勞模型的基礎上進行合理的修正；疲勞理論的工程應用大多數(shù)的疲勞壽命計算，尤其是有限元虛擬壽命計算，所得到的結果都是一個概念性的值，其計算只能提供方向性的指導作用，最終的疲勞壽命應該與試驗相關聯(lián)。計算分析：模擬試驗：要獲得一個合理的疲勞壽命設計，一定要調查設計目標的用途，也即必須得到載荷譜；關聯(lián)有限元疲勞的工程應用一個實例：散熱器某焊接部位的焊點分布焊點數(shù)量？焊點位置？基于有限元的虛擬疲勞分析可對焊點位置做合理的優(yōu)化，大大減少樣品試驗的費用5.MSC.Fatigue功能全壽命分析(S-N)全壽命法，即通常所說的應力～壽命法或S-N方法，該方法并不嚴格區(qū)分裂紋產生和裂紋擴展，而是給出結構發(fā)生突然失效前的全壽命估計。特色雨流循環(huán)計數(shù)名義應力修正焊接結構統(tǒng)計置信參數(shù)Palmgren-Miner線性損傷用戶自定義循環(huán)材料和部件的S-N表面條件安全系數(shù)分析多軸狀態(tài)指示應變(萌生)壽命（E-N）也叫初始裂紋壽命，采用先進的初始裂紋模型或應變～壽命（ε-N）模型，預測產品從初始工作狀態(tài)到產生初始裂紋時的疲勞。應變壽命分析方法的特點為：特色循環(huán)應力－應變模型SWT&Morrow平均應力修正Neuber等彈－塑性修正疲勞失效概率（統(tǒng)計置信參數(shù)）考慮溫度修正疲勞安全系數(shù)分析表面條件用戶自定義的疲勞單位雙軸修正Palmgren-Miner線性損傷s1/2cycle1cycle1/2cycle1cycle1cycle1/2cycleeStraineTimeMSCFatigueFracture裂紋擴展裂紋擴展壽命要根據(jù)有限元模型提供的結構應力分布，結構載荷的變化，以及材料的疲勞特性等條件，預測裂紋的擴展速率和時間。研究裂紋擴展常采用傳統(tǒng)的線彈性斷裂力學（LEFM）。裂紋擴展法有以下特點：特色逐個循環(huán)地模擬按時間順序的雨流循環(huán)計數(shù)多環(huán)境材料性質Kitagawa最小裂紋尺寸門檻模擬裂紋閉合和延遲用戶定義的循環(huán)斷裂韌性失效準則表面和埋藏裂紋修正的Paris定律MSC.Fatigue虛擬應變片提取有限元結果，結合載荷隨時間變化歷程，為應變片創(chuàng)建響應時間歷程支持多種形式的應變片（花）

–單軸,T,Delta和直角疊層式片和平面片用戶自定義應變片虛擬應變片有限元模型應變虛擬應變片的價值簡化了有限元模型和物理模型的驗證過程便于：獲取難以測量位置處的信息補充缺失數(shù)據(jù)和獲得新數(shù)據(jù)降低驗證成本測試數(shù)據(jù)用于疲勞分析timeHubStraintimeHubStrain物理應變片虛擬應變片多軸疲勞預測結構在多軸應力狀態(tài)下的疲勞壽命。與常用的單軸或比例載荷情況不同，多軸疲勞方法采用了非比例、多軸應力狀態(tài)假設，并通過裂紋擴展法預估結構壽命，分析結構的安全系數(shù)。多軸疲勞強調在非比例加載下的多軸應力應變狀態(tài)多軸應力狀態(tài)下的塑性建模四種臨界面模型（Fatemi-Socie等）使用多軸雨流計數(shù)的Wang-Brown方法多軸安全系數(shù)分析-DangVan&McDiarmid方法損傷、壽命云紋圖.損傷極坐標圖多軸疲勞分析實例轉向節(jié)多軸疲勞分析焊接疲勞焊接疲勞基于有限元分析結果，可預測兩塊金屬板在焊接連接處的疲勞壽命。焊接方式包括點焊和縫焊。計算中將結構的點焊看作是連接兩塊金屬板的剛性桿，或者用CWELD單元來模擬點焊，縫焊用殼單元或者CSEAM單元來模擬，而金屬板用薄殼單元描述。該方法利用桿單元橫截面所受的力和力矩來計算焊接處的應力，然后采用S-N方法，完成結構的全壽命疲勞分析。采用SpotWeld，可準確預測點焊的疲勞壽命，優(yōu)化點焊的數(shù)量和大小，從而降低制造成本，增加產品可靠性。熱影響區(qū)域焊腳MSC.Fatigue焊接疲勞預測薄壁結構的疲勞壽命，例如：包括很多點焊和縫焊的車身利用MDNastran和MSC.ADAMS靜力和動力結果自動提取點焊組和焊縫線相鄰的殼單元組成功案例:減少點焊數(shù)目

客戶:

卡車供應商挑戰(zhàn):

將點焊數(shù)量減少10%，提高駕駛室的生產效率，降低成本解決方案:

對客車駕駛室進行疲勞壽命計算,刪除疲勞壽命最長的點焊，重新繼續(xù)疲勞計算價值:

在確保當前結構耐久性不變的條件下，刪除４００個點焊。每個駕駛室在裝配線上節(jié)約30分鐘Volvo/Chalmers/nCodemethodSymmetricNon-symmetricWeld&structureSeam-weldFEmodelVolvo/Chalmers/nCodemethod

Sheetsandweldsmodelledpredominantlywith4-nodeshellsSheetsdescribedbymeansurfacesThicknessofweldelementsequalseffectivethroat,(oraround2x sheetthickness)–makeitrealisticElementlengthofabout5mmSmallradiinotmodelledMSC.Fatigue振動疲勞預測結構在隨機振動載荷下的疲勞壽命

在頻域進行仿真計算輸入載荷在頻域中描述損傷分析可使用頻響結果或隨機振動分析的結果求解方法DIRLIK，具有通用性。仿真的靈活性使用直接外部響應功率譜密度（PSD）或者計算PSD計算疲勞壽命Mode5Mode4考慮結構動特性下的疲勞壽命

FFT幅值頻率頻域傅立葉變換時間力時域FFT相位可以對車輪或其它旋轉體進行疲勞分析，這些結構的特點為承受的載荷是沿著旋轉體的外圍傳播的。通過載荷施加到車輪連續(xù)扇區(qū)上而完成仿真分析。在MSCFatigue中，可以在損傷最嚴重的表面角度為每一個節(jié)點繪出疲勞壽命和疲勞損傷云圖。MSC.FatigueWheels應用領域：所有類型的車輪或帶輪的交通工具。

在循環(huán)載荷作用下的旋轉機械。MSCFatigueWheels輪轂疲勞成功案例:BFGoodrich客戶:

飛機輪轂制造商

挑戰(zhàn):

盡量減少物理實驗解決方案:

采用MSC.Fatigue，預測一系列的載荷工況下輪轂的壽命價值:

縮短項目倒入時間，提高設計能力。為產品定型提供參考數(shù)據(jù)“在產品設計的初期階段，事先考慮產品的耐久性，可以使Goodrich降低開發(fā)成本，縮短產品投放市場時間，提高產品質量.” –DonRussell,解析方法開發(fā)工程師工作循環(huán)分析器（dutycycle）DutyCycle使得我們可以考慮多事件時間表每個事件有自己的循環(huán)數(shù),損傷線性累加載荷時間歷程可以是DAC,RPC格式或者組合格式可以觀測各個事件的貢獻管理所有的疲勞分析運行和組合結果

工作循環(huán)分析器

選擇DutyCycle:JobSetup(inLoadingInformationForm)工作循環(huán)作業(yè)設置

MSC.Fatigue工具功能高級的載荷處理

高級的疲勞分析和顯示

文件傳送

繪圖和打印時程操作工具:算術操作公式處理器線性光順處理Fourier濾波Butterworth濾波創(chuàng)建/編輯多個文件多文件操作(剪切/粘貼等)時程的圖形編輯標題和頁腳操作運行統(tǒng)計分析CleanedportionofdataMSC.Fatigue工具時序分析工具:頻率分析概率密度函數(shù)分析(PSD)聯(lián)合概率密度函數(shù)分析雨流循環(huán)計數(shù)應變計信號分析基于測試的疲勞分析:基于應變計信號的疲勞分析全壽命(S-N)和起裂時間(-N)分析應力集中系數(shù)KT

的數(shù)據(jù)庫，用于決定局部應力MSC.Fatigue工具云圖結果壽命估計對數(shù)壽命損傷部件指定的壽命單位(飛行次數(shù),里程等)安全系數(shù)多軸指示表格顯示的結果單個節(jié)點/單元損傷的節(jié)點或單元損傷分布的統(tǒng)計壽命與損傷結果的插值安全系數(shù)多軸指示結果后處理通過參數(shù)靈敏度分析進行設計優(yōu)化6E48E41E51.2E51.4E51.6E502004006008001000CrossPlotofData:MEANSENSLife(Cycles)Mean(uE)參數(shù)靈敏度分析評定表面條件材料類型/參數(shù)載荷條件殘余應力和應變集中平均應力統(tǒng)計置信度設計壽命后處理：設計優(yōu)化材料數(shù)據(jù)庫管理器包括所需的各類材料疲勞性質(S-N,e-N,S-e,andLEFM)材料庫包含200+材料的疲勞數(shù)據(jù)工具：數(shù)據(jù)輸入，刪除和編輯搜尋數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫入口列表圖形顯示多種材料標準

DIN,SAE,ASTM,etc.AluminiumSteelTitaniumCopper材料信息Strain-lifedataS-NdataSpotwelddataSeamwelddataBS7608welddataGeneratedpropertiesSurfacecorrectionsFatiguestrengthreductionfactorUpto500materialsusedinthesame

analysisEasytoaddusermaterialstodatabase提供的便利工具創(chuàng)建波形功能圖形顯示和編輯數(shù)學或圖形運算圖形剪貼自動轉化單位制搜索ASCII文件輸入時域或頻域載荷TransmissionWindWavesSuspension載荷數(shù)據(jù)庫管理器6.工程應用實例電機轉軸應力強度和疲勞分析73電機軸有限元模型及約束74軸承支撐部位軸向和徑向約束載荷75豎直向下的力：446N回轉力矩：4403.4N*mm驅動扭矩時間圖76轉軸應力時間圖77轉軸應力沖擊曲線78疲勞壽命計算79轉軸的疲勞壽命：材料45#鋼，E=2.1e5MPa，UTS=333MPa。材料的疲勞曲線如下：疲勞計算結果80疲勞壽命計算結果：最低壽命：3.34e5。最低壽命點即：2783.3小時機車轉向架疲勞壽命分析機車轉向架載荷工況動力學計算得到的載荷譜

分析軟件MSC.AdamsMSC.NastranMSC.Fatigue用虛擬疲勞樣機技術預測機車轉向架側架的疲勞壽命應力分布壽命分布機車轉向架側架的疲勞壽命

機車轉向架側架轉向架側架模型

節(jié)點數(shù)：24萬單元數(shù)：19萬(10節(jié)點)典型的載荷工況垂向載荷橫向載荷隨機載荷譜分析軟件MSC.NastranMSC.Fatigue機車轉向架側架的疲勞壽命壽命分布應力分布輪轂疲勞分析轉向節(jié)有限元疲勞壽命分析轎車底盤轉向節(jié)轉向節(jié)模型

節(jié)點數(shù)：96312單元數(shù)：77341(10節(jié)點)典型的載荷工況重復轉向載荷轉彎載荷制動載荷分析軟件MSC.NastranMSC.Fatigue轉向節(jié)有限元疲勞壽命分析應力分布疲勞壽命分布后橋殼虛擬疲勞分析（北汽福田）風力發(fā)電機組輪轂分析及優(yōu)化

重慶大學機械工程學院水泥輸送泵車結構疲勞壽命分析門式吊裝機構多學科一體化仿真門式吊裝機構一體化仿真是一個典型的多學科集成問題，涉及：吊裝機構運動學動力學分析，分析機構各構件運動關系及受力關系；吊裝機構重要部件的結構強度計算，分析部件在具體工況中的應力、應變和變形，在運動學動力學分析中引入有限元彈性因素，進行剛彈耦合分析，可以在動力學分析中考慮部件彈性的影響，同時可以在動力學分析過程中考察動態(tài)應力和變形；吊裝機構重要部件的疲勞壽命計算；吊裝機構驅動控制系統(tǒng)與機械系統(tǒng)的機電一體化協(xié)同分析，研究機械系統(tǒng)在驅動控制作用下的響應特性。門式吊裝機構MSC一體化仿真流程仿真分析流程在Adams中建立吊裝機構的動力學分析模型進行機構運動學動力學分析使用Nastran對關鍵承載部件進行有限元分析，得到模態(tài)中性文件將Adams中的相應部件替換為彈性體，進行剛柔耦合動力學計算，在動力學計算中考察彈性部件變形及應力，或者輸出彈性體的受力信息，在Nastran中進行詳細的結構有限元計算計算彈性部件的的載荷時間歷程，通過Adams與Fatigue接口，將相關信息導入進行關鍵部件的疲勞壽命計算進一步的仿真需求，在Easy5中建立吊裝機構驅動控制系統(tǒng)，定義Easy5控制系統(tǒng)模型與Adams機械系統(tǒng)模型之間參數(shù)傳輸關系，通過Adams/Controls進行機電一體化聯(lián)合仿真分析流程一：吊裝機構多剛體運動學動力學建模分析工具：Adams分析模型 用Parasolid格式導入吊裝機構CAD模型，按照機構原理添加機構各組件的約束關系。吊裝機構Adams分析模型吊裝機構運動學動力學分析吊裝機構運動分析分析流程二：吊裝機構剛柔耦合建模分析目的：引入彈性部件，分析系統(tǒng)組件在工作過程中的應力、變形等分析工具：Adams＋Patran＋Nastran分析建模

1、在Patran中建立主吊系統(tǒng)滾筒支架有限元模型，利用Nastran進行模態(tài)計算，輸出Adams的模態(tài)中性文件（mnf）。吊裝機構剛柔耦合建模（續(xù)）分析建模（續(xù)）

2、導入支架mnf文件，建立吊裝機構剛柔耦合模型。吊裝機構剛柔耦合分析進行剛柔耦合分析分析流程三：一體化疲勞壽命分析分析目的：在Adams中直接啟動Fatigue，進行疲勞壽命計算分析工具：Adams+Patran＋Nastran＋Fatigue柴油發(fā)動機曲軸疲勞分析曲軸疲勞分析流程載荷工況與邊界條件模型在不同位置處分別承受垂直載荷與水平載荷，對應不同的的工況，在各工況下施加約束條件與單位載荷；模型應力在各工況下分別計算；共得到12個結果工況。各垂直載荷工況下應力結果云圖各水平載荷工況