对称循环荷载下的高周疲劳:寿命预测的精准算法

1         前言

由于客观原因,会进行一段时间的疲劳分析学习,优化部分的内容相对也会延后一段时间。不得不说,前几天基本上都是在看资料,整得人云里雾里的,所以思来想去还是得重操旧业,学习一点总结一点。强调一下,由于在疲劳方面学习的时间暂时不是太长,因此文章内容难免会有错误,希望大家指正,互相学习。

2         问题描述

对称循环荷载下的高周疲劳寿命预测的图1

图 1 有限元模型

如图所示是一个常规的静力分析,约束以及载荷都标识在了图中。然而不同的是,现在这个支架的工作状况相对来说比较恶劣,需要在-0.1Mpa~0.1MPa的对称循环压力荷载下进行工作,试估算其使用疲劳寿命。

3         问题分析

对于这样一个问题,如果不使用软件,我们可能会这样处理:

①   使用材料力学方法计算得到工况下的名义应力

②   查询相关手册得到该模型在该工况下的理论应力集中系数

③   综合考虑名义应力,应力集中系数,载荷幅值以及其余影响因素得到用于校核疲劳寿命的应力幅值

④   对应材料的S-N曲线(对于高周疲劳问题)得到结构在对应工况下的疲劳寿命

上述问题如果转换成软件来实现也是一样,首先利用有限元软件计算得到危险部位的应力值,然后结合相应的载荷输入,材料S-N曲线输入,通过相应的疲劳算法得到结构局部的损伤量,最后通过后处理得到疲劳寿命云图,对应的过程就是下面的疲劳五框图:

对称循环荷载下的高周疲劳寿命预测的图2

图 2 疲劳五框图


4         分析流程

4.1   有限元结果获取与导入

对照五步图,我们首先获取有限元分析结果,这里个人使用hyperworks的optistruct求解器进行有限元分析,大家可以根据自己的分析需求使用不用的有限元求解器。对于optistruct,个人建议结果存储为.op2格式,测试默认的.h3d格式文件识别的不是特别好。

将求解得到的有限元结果直接拖入designlife的工作区或者先拖入一个FE Input模块,然后将结果拓扑该模块中,两者效果一样,如下图所示:

对称循环荷载下的高周疲劳寿命预测的图3

图 3 有限元结果读取



仔细看这个拖入的方框,我们能进行一些基本的操作:

对称循环荷载下的高周疲劳寿命预测的图4

图 4 模块基本操作

进入属性面板中,我们可以显示变形以及应力结果,这个是designlife自带的云图显示方式,具体的一些功能大家可以自行摸索下。

4.2   材料映射(material mapping)

完成有限元分析结果的导入之后,我们需要将对应材料的S-N曲线赋予给原来用于分析的材料,这一步在S-N CAE Fatigue模块中完成。

对称循环荷载下的高周疲劳寿命预测的图5

图 5 创建S-N分析



首先在右侧的模块区拖入S-N CAE Fatigue到左侧的工作区中,然后将有限元结果输入文件的输出结构与S-N CAE Fatigue的输入接口连接起来,表示将有限元结果传输给S-N CAE Fatigue模块。点击S-N CAE Fatigue模块,右键找到advanced edit,第一次进入点击yes更新数据表示会将前面模块的数据传输进来,进入后界面如下:

对称循环荷载下的高周疲劳寿命预测的图6

图 6 更改材料赋予方式



首先个人建议使用原有分析模型的材料编号来进行材料S-N赋予,默认是使用模型一体赋予材料的,将材料赋予也就是2步骤对应的框中改成material,这个material是直接与前面有限元模型中的选中的材料直接链接起来的。

对称循环荷载下的高周疲劳寿命预测的图7

图 7 材料映射



进入materialmap中可以看到,MAT_1就是我们在有限元中定义的ID为1的材料,我们可以直接将软件数据库的材料赋予给MAT_1也可以自己生成一个新的材料。这里需要说明下,在standard S-N曲线中生成的S-N曲线并不是说额外导入一条S-N曲线,而是有软件自己的内部公式,我们只需要基于材料的拉伸强度,材料类型以及标准误差即可。比如,点击generate生成如下参数的曲线(默认是应力比为-1下的曲线,也即循环对称疲劳曲线)

对称循环荷载下的高周疲劳寿命预测的图8

图 8 自定义材料



则软件会生成一个这样子的S-N曲线(双对数坐标下):

对称循环荷载下的高周疲劳寿命预测的图9

图 9 标准S-N曲线(log-log)



其中各参数按照如下进行计算:

对称循环荷载下的高周疲劳寿命预测的图10

图 10 标准S-N曲线部分公式



其中的S1与S2根据所选的材料类型不同,如果是ferrous(铁)的话,计算公式如下:

对称循环荷载下的高周疲劳寿命预测的图11



按照上述公式,软件给我们生成的S-N曲线如下:

对称循环荷载下的高周疲劳寿命预测的图12

图 11 自定义的S-N曲线



当然,提供的公式只能说是S-N曲线的一种标准公式,根据材料性质的不同,我们可以选择不同的S-N曲线生成规则。相较于通过查询手册上S-N曲线,这种方式显然会带来一定的误差,不过既然是普遍采用的公式,说明对于高周疲劳的预测还是适用的,本文暂时不深究。赋予完成之后如下:

对称循环荷载下的高周疲劳寿命预测的图13

图 12 完成材料映射

4.3   载荷映射(load mapping)

对称循环荷载下的高周疲劳寿命预测的图14

图 13 载荷映射

材料S-N曲线赋予完成后,进入载荷的赋予,首先在载荷类型中选择恒幅,说明加载曲线类似于正弦函数,最大值与最小值不随时间变化,保持恒定,如果最小值/最大值=-1也就是本例中的循环对称荷载,属于恒幅荷载的特殊形式(注意到S-N曲线一般也是通过循环对称荷载测得的)。如图,选择默认情况下最大值为1倍的静力载荷,最小值为-1倍的静力载荷,也即标准的循环对称且幅值为1倍载荷值的加载,这里与本例需求相同,不需要更改。

4.4   分析参数调整

对称循环荷载下的高周疲劳寿命预测的图15

图 14 分析参数调整

上面有三个比较重要的参数,从上到下依次是损伤计算方法,应力组合方法以及平均应力修正方法,本文先不对此进行说明,后续文章需要更改的时候再具体说明。

4.5   后处理模块

由于分析时连续完成的,因此最好在求解前就设置好。如图所示,拖入一个FE Display模块,并参照前面操作,将疲劳分析结果传输给该模块。对称循环荷载下的高周疲劳寿命预测的图16

图 15 创建后处理模型显示

4.6   求解

点击上方的运行,软件会直接运行整个图形化程序,同时在疲劳求解模块能看到运行的进程。

对称循环荷载下的高周疲劳寿命预测的图17

图 16 运行S-N分析

4.7   后处理

进入FE Display模块中,右键进入属性,能选择相应的结果进行显示:

对称循环荷载下的高周疲劳寿命预测的图18

图 17 疲劳分析结果后处理



确认后显示云图结果,可以看到最小寿命为5.4e13(从工程上来讲已经算是无限疲劳寿命了),在圆角上部。同时从结果我们也可以看出,寿命最小的地方容易出现在应力集中部位或者结构的缺陷部位,并且往往是从表面开始完成裂纹萌生,扩展到最后断裂的。

对称循环荷载下的高周疲劳寿命预测的图19

图 18 疲劳寿命云图


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