陈怡博士讲义

1、1CAE Software Support多轴疲劳计算分析相对意义和绝对意义11.12.2010(C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)12CAE Software Support内容要点1.前言2.疲劳计算的载荷分析3.多轴疲劳计算分析方法4.疲劳计算的有限元解法5.疲劳计算的误差分析6.NETFAT-基于非线性，显式积分和瞬态有限元解的疲劳分析7.提高疲劳计算分析准确性的措施11.12.2010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)23CAE Software Support前言数字原型机在现代用CAE的开发过程1. 刚度和强度计算

2、2. 疲劳耐久计算3. 碰撞计算4. 振动和噪音计算5. 多刚体动力计算11.12.2010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)34CAE Software Support疲劳耐久分析在工业设计中的应用车辆机械航空航天桥梁建筑“由传统的以强度为指标的功能性设计转变为以产品的工作寿命为最终目标的整体优化性设计 ”11.12.2010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)45CAE Software Support前言疲劳耐久计算的基本要求 疲劳寿命预测是一项综合的技术 疲劳耐久计算是综合的有限元计算 疲劳计算工程师有综

3、合分析计算的能力11.12.2010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)56CAE Software Support前言疲劳耐久计算的作用1. 保证产品质量2. 减轻自身重量3. 减少试验次数4. 降低开发成本5. 缩短设计周期6.减少实际能耗11.12.2010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)66.7.7CAE Software Support工作疲劳分析的基本流程11.12.20.5.工作载荷分析随机载荷谱分析金属材料疲劳曲线整车整机有限元分析疲劳损伤累计分析优化设计，经济寿命耐久性分析失

4、效智能在线预示和结构健康监控系统工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)78CAE Software Support疲劳耐久分析计算基本流程设计CATIA金属材料数据库处理和计算有限元动力学NASTRANLS-DYNA有限元静力学NASTRAN, ABAQUSLS-DYNANETFAT疲劳寿命计算NETFAT车辆载荷谱处理和计算NETFAT虚弱点?是优化设计CATIA否试验和试车系列生产11.12.2010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)89CAE Software Support内容要点1.前言2.疲劳计算的载荷

5、谱分析3.多轴疲劳计算分析方法4.疲劳计算的有限元解法5.疲劳计算的误差分析6.NETFAT-基于非线性，显式积分和瞬态有限元解的疲劳分析7.提高疲劳计算分析准确性的措施11.12.2010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)9加速度252010CAE Software Support2. 疲劳计算的载荷分析载荷以时间为界可分为静力载荷和动力载荷。动力载荷主要可分为三种：1）正弦交变载荷，如轮轴偏心2）脉冲载荷，比如地震和冲撞3) 不规则交变载荷，如风载荷、温度变化及路面不平等1510正弦交替载荷50-5 0510152025脉冲载荷不规则交替载荷-10

6、-15-20时间11.12.2010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)1011CAE Software Support2. 疲劳计算的载荷分析载荷测量结果分析被称之为载荷集成(Load collective)。计算这不规则交变载荷的交替周期n 主要有 雨流分类法(Rainflow Classing) 刻度分类法(Lever Classing, 又称MarkovClassing)。11.12.2010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)1112CAE Software Support2. 疲劳计算的载荷分析 雨流分

7、类法(Rainflow Classing)11.12.2010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)12交变周期13CAE Software Support2. 疲劳计算的载荷分析 刻度分类法(Lever Classing, 又称MarkovClassing)。6000050000400003000020000100000 x 交变周期y 交变周期z 交变周期0.250.751.25234加速度 g11.12.2010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)13accm/s214CAE Software Support2

8、. 疲劳计算的载荷分析案例 加速度21.510.50-0.5-1-1.5-2time s11.12.2010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)14stressN/mm2accm/s2strain15CAE Software Support2. 疲劳计算的载荷分析案例 加速度、应力和应变21210-3x 10108186604422-100--22-2time s11.12.2010

9、工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)1516CAE Software Support内容要点1.前言2.疲劳计算的载荷分析3.多轴疲劳计算分析方法4.疲劳计算的有限元解法5.疲劳计算的误差分析6.NETFAT-基于非线性，显式积分和瞬态有限元解的疲劳分析7.提高疲劳计算分析准确性的措施11.12.2010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)1617CAE Software Support2.多轴疲劳计算分析方法各工业国标准规定金属疲劳测量的几何尺寸、温度、湿度、腐蚀、表面光洁度、弯曲、拉压、扭矩受力情况，得到不同金

10、属的一系列的疲劳应力或应变寿命曲线。N 5.X10 4，称为低周疲劳;5.X10 4 N 2.X10 6， 称为高周疲劳;N 2.X10 6，11.12.2010称为经久疲劳工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)17应变%18CAE Software Support2.多轴疲劳计算分析方法典型的金属应变疲劳寿命曲线100101St 14(1,0338)AlMg4.5Mn1,4301CK 450,10,010101000100000交变周期11.12.2010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)1819CAE Soft

11、ware Support2.多轴疲劳计算分析方法典型的金属应力疲劳寿命曲线11.12.2010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)1920CAE Software Support2.多轴疲劳计算分析方法名义应力法切口应力集中系数法裂纹局部扩展法安全系数概率统计法11.12.2010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)2021CAE Software Support2.多轴疲劳计算分析方法目前疲劳软件最常用的是名义应力法工作载荷集成应力疲劳曲线单位载荷组合线弹性静力有限元应力临界平面转换损伤积累11.12.2010工

12、程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)2122CAE Software Support内容要点1.前言2.疲劳计算的载荷分析3.多轴疲劳计算分析方法4.疲劳计算的有限元解法5.疲劳计算的误差分析6.NETFAT-基于非线性，显式积分和瞬态有限元解的疲劳分析7.提高疲劳计算分析准确性的措施11.12.2010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)22 23CAE Software Support3.疲劳计算的有限元解法线性静力非线性静力非线性动力（脉冲载荷）线性动力（正弦交变载荷）模态瞬态动力非线性瞬态动力11.12.20

13、10K0 U FK0 U K1 2U FK0 Ut K1 2Ut FtM Ut C Ut K0 Ut AeitM Ut C Ut K0 Ut FtM Ut C Ut K0 Ut K1 2Ut Ft工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)2324CAE Software Support3.对应疲劳计算的有限元解法基于线性有限元静力学的疲劳分析线性静力学NASTRAN- 线性几何条件- 线性物理条件- 线性结构条件- 静力载荷- 单位载荷组合二者都是近似方法- 损伤累计损伤由矢量加速度振动的几率与应力张量的幅值累计而成11.12.2010- 不考虑振动二者不配,

14、 只能近似工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)2425CAE Software Support3.对应疲劳计算的有限元解法非线性静力学NASTRANABAQUS- 非线性几何条件- 非线性物理条件- 非线性结构条件- 静力载荷有限元内部封闭解非线性外界积分动力学LS-DYNA- 非线性几何条件- 非线性物理条件- 非线性结构条件- 脉冲时间载荷有限元外界积分解实时瞬态模态动力学NASTRAN- 线性几何条件- 线性物理条件- 线性结构条件- 等幅时间载荷- 任意时间载荷有限元内部封闭解NETFAT疲劳寿命分析软件11.12.2010工程博士 陈怡 (C&

15、S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)2526CAE Software Support内容要点1.前言2.疲劳计算的载荷分析3.多轴疲劳计算分析方法4.疲劳计算的有限元解法5.疲劳计算的误差分析6.NETFAT-基于非线性，显式积分和瞬态有限元解的疲劳分析7.提高疲劳计算分析准确性的措施11.12.2010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)2627CAE Software Support4.疲劳计算误差的分类和分析载荷和载荷谱统计的误差计算方法和过程中的误差材料和测量统计的误差疲劳试验过程中的误差11.12.2010工程博士 陈怡 (C

16、&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)2728CAE Software Support内容要点1.前言2.疲劳计算的载荷分析3.多轴疲劳计算分析方法4.疲劳计算的有限元解法5.疲劳计算的误差分析6.NETFAT-基于非线性，显式积分和瞬态有限元解的疲劳分析7.提高疲劳计算分析准确性的措施11.12.2010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)2829CAE Software Support5.NETFAT基于非线性，显式积分和瞬态有限元解的疲劳分析自主开发的疲劳软件NETFAT 用带图象显示功能的 C+编程11.12.2010工程博士

17、陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)2930CAE Software Support5.NETFAT基于非线性，显式积分和瞬态有限元解的疲劳分析11.12.2010疲劳计算疲劳实验载荷集成金属材料数据库疲劳分析焊点网格生成后处理工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)3031CAE Software Support5.NETFAT基于非线性，显式积分和瞬态有限元解的疲劳分析疲劳分析非线性静力有限元解模态动力共振响应瞬态模态实时响应显式积分动力有限元解11.12.2010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE

18、SUPPORT)3132CAE Software Support5.NETFAT基于非线性，显式积分和瞬态有限元解的疲劳分析车辆动力载荷NETFAT计算极限载荷车辆动力载荷NETFATRainflow 计算振动几率非线性静力学NASTRANABAQUSNETFAT- 应变疲劳曲线- 有效应变不变量基于非线性有限元静力学的疲劳寿命分析11.12.2010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)32动载几率accm/s2zyxCAE Software Support5.NETFAT基于非线性，显式积分和瞬态有限元解的疲劳分析案例 破坏路段的寿命800000070

19、000006000000500000040000003000000200000010000000车辆动载HufigkeitBenuzte Hufigkeit0,25g0,5g0,75g1g1,25g1,5g2g2,5g3g3,5g4g4,5g5g选定适合的小几率使弹性状态单元的损伤累计为 0.9z 加速度 in g21.510.50-0.5-1-1.5-2time s将加速度矢量在3维空间延伸到极限载荷加速度: x 方向 -2,5g, y 方向 2g , z 方向 -5g振动几率: 加速度在 z 方向的振动几率基于非线性有限元静力学的疲

20、劳寿命分析11.12.2010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)333334CAE Software Support5.NETFAT基于非线性，显式积分和瞬态有限元解的疲劳分析车辆动力载荷NETFAT计算极限载荷车辆动力载荷NETFATRainflow 计算振动几率非线性外界积分动力学LS-DYNANETFAT- 应变疲劳曲线- 有效应变不变量基于非线性外界积分动力学的疲劳寿命分析11.12.2010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)3435CAE Software Support5.NETFAT基于非线性，显

21、式积分和瞬态有限元解的疲劳分析模态频率响应NASTRANNETFAT- 应变疲劳曲线- 有效应变不变量- 纽伯朔性应变近似基于有限元模态频率响应的疲劳寿命分析11.12.2010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)3536CAE Software Support5.NETFAT基于非线性，显式积分和瞬态有限元解的疲劳分析车辆动力载荷NETFAT动载 TABLET卡实时模态频率响应NASTRANNETFAT- 应变疲劳曲线- 有效应变不变量- 纽伯朔性应变近似- Rainflow 计算每个单元的振动几率基于有限元实时模态频率响应的疲劳分析11.12.201

22、0工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)36strainaccm/s2237CAE Software Support5.NETFAT基于非线性，显式积分和瞬态有限元解的疲劳分析案例 破坏路段的寿命Input10-3x 10Output1.58160.504-0.52-10-1.5-2-2time stime snode=200001Os linode=200002Os renode=200003Us linode=200004Us reXma

23、x= 3.8276gXmin= -4.0287gXmax= 6.8416gXmin= -6.8412gXmax= 2.0611gXmin= -2.0698gXmax= 5.7754gXmin= -5.8027gYmax= 1.9068gYmin= -1.7481gYmax= 3.0138gYmin= -2.6954gYmax= 7.9586gYmin= -7.3414gYmax= 8.2879gYmin= -9.0386gZmax= 8.0935gZmin= -7.8411gZmax= 7.3693gZmin= -5.7905gZmax= 13.5082gZmin=-11.4518gZmax=

24、 9.6120gZmin= -7.2640ga) 动力载荷:车辆在试车路面上的实时加速度b) 计算结果: 结点的实时加速度以 g 计, 实时模态频率响应用 NASTRAN计算基于有限元实时模态频率响应的疲劳分析11.12.2010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)3738CAE Software Support油箱 1:11.12.201070升油箱用金属带固定工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)3839ANDCAE Software Support油箱 2:11.12.201070升油箱用法兰盘固定工程博士 陈

25、怡 (C&S CAE SOFTWARE SUPPORT)SUPPORT)3911.12.201040CAE Software Support载荷 1: 中国国标试验, 3g，30Hz，z方向，装35升水，耐久4小时解法 1: NATRAN 线性静力解解法 2: ABAQUS 非线性静力解解法 3: NASTRAN 模态动力解载荷 2: SPI 试验, -40/+150毫巴压力, 40%容量解法 1: NATRAN 线性静力解解法 4: LS-DYNA 非线性显式积分动力解解法 5: 疲劳软件 NETFAT7.12.2010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPOR

26、T)4041CAE Software Support油箱 1:70升油箱用金属带固定载荷 1: 中国国标试验, 3g， 30Hz， z方向，装35升水解法 1: NATRAN线性静力解, v. Miese应力单位N/mm010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)4142CAE Software Support油箱 1:70升油箱用金属带固定载荷 1: 中国国标试验, 3g， 30Hz， z方向，装35升水解法 1: NATRAN线性静力解, v. Miese应力单位N/mm2.x11.12.2010工程博士 陈怡 (C&S CAE AN

27、D SOFTWARE SUPPORT)4243CAE Software Support油箱 1:70升油箱用金属带固定载荷 1: 中国国标试验, 3g， 30Hz， z方向，装35升水解法 2: ABAQUS非线性静力解, v. Miese应力单位N/mm2.x11.12.2010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)4344CAE Software Support油箱 1:70升油箱用金属带固定载荷 1: 中国国标试验, 3g， 30Hz， z方向，装35升水解法 2: ABAQUS非线性静力解, v. Miese应力单位N/mm2.x11.12.201

28、0工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)4445CAE Software Support油箱 1:70升油箱用金属带固定载荷 1: 中国国标试验, 3g，30Hz，z方向，装35升水解法 3: NASTRAN模态动力解,节点 50007, 50008相对位移单位mm11.75Hz24Hz11.12.2010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)4546CAE Software Support油箱 1:70升油箱用金属带固定载荷 1: 中国国标试验, 3g，30Hz，z方向，装35升水解法 3: NASTRAN模态动力解

29、, v. Miese应力单位N/mm010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)4647CAE Software Support油箱 1:70升油箱用金属带固定载荷 1: 中国国标试验, 3g，30Hz，z方向，装35升水解法 3: NASTRAN模态动力解, v. Miese应力单位N/mm010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)4748CAE Software Support油箱 2:70升油箱用法兰盘固定载荷 1: 中国国标试验, 3g，30Hz，z方向，装35升水解法 3

30、: NASTRAN模态动力解,节点 50007, 50008相对位移单位mm20.5Hz11.12.2010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)4849CAE Software Support油箱 2:70升油箱用法兰盘固定载荷 1: 中国国标试验, 3g，30Hz，z方向， 装35升水解法 3: NASTRAN模态动力解, v. Miese应力单位N/mm010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)4950CAE Software Support油箱 2:70升油箱用法兰盘固定载荷 1: 中国国标

31、试验, 3g，30Hz，z方向， 装35升水解法 3: NASTRAN模态动力解, v. Miese应力单位N/mm010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)5051CAE Software Support25002000Linear statics with NASTRAN, example 1, 3gacceleration1500Nolinear statics with ABAQUS, example 1, 3gaccelerationModal dynamics ewith NASTRAN, example 1, 3gacce

32、leration1000Modal dynamics ewith NASTRAN, example 2, 3gacceleration5000OsUsStr中国国标油箱3g试验，有限元算法比较11.12.2010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)5152CAE Software Support油箱 1:70升油箱用金属带固定载荷 2: SPI试验, +150毫巴压力, 40%容量解法 1: NATRAN线性静力解, v. Miese应力单位N/mm010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)525

33、3CAE Software Support油箱 1:70升油箱用金属带固定载荷 2: SPI试验, +150毫巴压力, 40%容量解法 1: NATRAN线性静力解, v. Miese应力单位N/mm010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)5354CAE Software Support油箱 1:70升油箱用金属带固定载荷 2: SPI试验, -40毫巴压力, 40%容量解法 1: NATRAN线性静力解, v. Miese应力单位N/mm010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPOR

34、T)5455CAE Software Support油箱 1:70升油箱用金属带固定载荷 2: SPI试验, -40毫巴压力, 40%容量解法 1: NATRAN线性静力解, v. Miese应力单位N/mm010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)5556CAE Software Support油箱 1:70升油箱用金属带固定载荷 2: SPI试验, -40毫巴压力, 40%容量解法 4: LS-DYNA非线性显式积分动力解, v. Miese应力单位N/mm010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTW

35、ARE SUPPORT)5657CAE Software Support油箱 1:70升油箱用金属带固定载荷 2: SPI试验, -40毫巴压力, 40%容量解法 4: LS-DYNA非线性显式积分动力解, v. Miese应力单位N/mm010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)5758CAE Software Support油箱 1:70升油箱用金属带固定载荷 2: SPI试验, -40毫巴压力, 40%容量解法 4: LS-DYNA非线性显式积分动力解, v. Miese应力单位N/mm010工程博士 陈怡 (C

36、&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)5859CAE Software Support油箱 1:70升油箱用金属带固定载荷 2: SPI试验, -40毫巴压力, 40%容量解法 4: LS-DYNA非线性显式积分动力解, v. Miese应力单位N/mm010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)5960CAE Software Support油箱 1:70升油箱用金属带固定载荷 2: SPI试验, -40/+150毫巴压力, 40%容量解法 5: 疲劳软件NETFAT (LS-DYNA), 疲劳耐久单位周期.11.12

37、.2010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)6061CAE Software Support油箱 1:70升油箱用金属带固定载荷 2: SPI试验, -40/+150毫巴压力, 40%容量解法 5: 疲劳软件NETFAT (LS-DYNA), 疲劳耐久单位周期.11.12.2010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)6162CAE Software Support油箱 1:70升油箱用金属带固定载荷 2: SPI试验, -40/+150毫巴压力, 40%容量解法 5: 疲劳软件NETFAT (LS-DYNA), 疲劳耐久单位周期.11.12.2010工程博士 陈怡 (C&S CAE AND SOFTWARE SUPPORT)6263CAE Software Support1000900800700Linear statics with NASTRAN, e