fe-safe基础培训第二天

fe-safe软件基础培训资料02第二天培训内容Fe-safe有限元分析流程演示讲解一个有限元模型的疲劳分析计算流程，主要内容包括有限元结果读入、载荷历程定义、材料定义、算法指定、结果输出与查看等内容。实例图示为在其中心位置开有一圆孔的薄板，薄板一端固定，另一端承受在1个工作循环内承受P=50Mpa、-50Mpa、50Mpa交替变化的动压力，试用ANSYS+fe-safe软件计算：（1）该薄板能工作多少次循环？（2）若要使该薄板经过10E7次循环不破坏，则载荷应如何进行比例缩放？已知参数为：薄板长L=1m、高H=0.5m、厚T=0.005m、圆孔半径R=0.13m、拉应力P=50MPa；薄板为钢材，其材料牌号为SAE-950C-Manten，弹性模量E=2.03×1011Pa、泊松比ν=0.3、密度ρ=7850kg/m3。分析步骤1：先在ANSYS环境，施加50Mpa载荷作一个静力分析；见文件fatigue01.txt。分析步骤2：在fe-safe环境，打开有限元模型（file.rst）、定义载荷历程比例数据为：1、-1、1，指定材料（SAE-950C-Manten）、算法（Brown-Miller/finitelife/morrow）、结果输出(指定fos输出)等后进行相关计算。计算结果：最大主应力为222Mpa；最小寿命对数为6.412（寿命为2.58E6个循环）；规定寿命下的载荷因子为0.85。见下图图1薄板受力示意图薄板主应力计算结果薄板疲劳寿命计算结果薄板强度因子(FOS)计算结果学员练习从上述计算过程可以看出，在fe-safe中进行有限元模型的疲劳分析要涉及如下工作内容：读入有限元计算结果；指定载荷历程；指定模型材料、指定其它分析选项等。具体内容将在后续讲解。软件功能与界面模块介绍含fe-safe（含safe4fatigue）、safe4fatigue、fe-safe/TMF、fe-safe/TURBOlife、VerityTMinfe-safe等模块。后三者需要独立的License。Safe4fatigue是根据测试得到的应变信号、峰/谷文件、循环柱状图等进行高级疲劳分析、信号处理的集成系统软件。信号处理功能包括：幅值分析、频域分析、信号过滤计算结果包括：疲劳寿命和疲劳损伤柱状图、疲劳寿命和疲劳损伤密度图、应力-应变迟滞循环图、疲劳损伤图等应用领域：汽车、航天器的有效性验证；路载分析；在线疲劳分析、快速样机测试和建筑工程结构监测等。含有材料库。fe-safe/TMF是热力机械疲劳分析模块，可用于受不断变化的温度、应力作用下的部件（如活塞、动力件）的有限元疲劳寿命、设计寿命分析。可考虑应力松弛、应变累加、循环应变速率、不同相的温度/应力引起的损伤变化等。fe-safe/ROTATE利用旋转件的轴对称性，从一个静力有限元载荷步定义旋转件转动一周时的载荷情况，加速旋转件疲劳分析的速度。特别适用于轴对称结构（如齿轮、轴承）、部分轴对称结构（如曲柄）等旋转件。只有ANSYS、ABAQUS、二进制结果文件可用。fe-safe/TURBOlife评估蠕变损伤、蠕变/疲劳共同作用的损伤等，主要用于：核能设备、电厂锅炉、气轮机叶片、蒸气轮机设备、汽车排放设备、涡轮增压器叶轮等。VerityTMinfe-safe提供了一个与网格无关的、预测焊接/非焊接结构的失效位置、失效寿命的一种结构应力计算方法fe-safe介绍是功能强大、易于使用的综合性有限元疲劳分析软件。在使用过程中会涉及到下述常用文件：*.FED：读入有限元模型时提取的应力、应变、温度、分组等信息，耗费资源，最好保存在本地盘；*.kwd：保存分析选项中如材料、算法、残余应力、光洁度等信息；*.rst：保存相关计算结果文件，耗费资源最好保存在本地盘；。*.log：结果输出信息文件，最好保存在本地盘便于查看。*.ldf：载荷定义文件，也最好保存在本地盘。*.grp：单元组或单元节点组定义文件。其它：载荷历程文件，如*.dac、*.txt等。计算内容哪里产生疲劳裂纹；什么时候产生疲劳裂纹；工作应力作用下的安全因子-快速优化；各种工作寿命（包络图）下的存活概率；计算结果疲劳寿命分布、疲劳损伤分布、应力/应变时程、裂纹方向，以简化部件实验、帮助设计，可表明哪种载荷、什么方向对损伤的影响最大等应用领域钢材、铝、铸铁、高温件、焊接接头、预变形件的疲劳分析；可以考虑材料和光洁度的影响；提供有可定制的材料库；对用户提供的材料可自动选择合适的疲劳算法和估算合适的材料参数。软件界面-见下图a、载荷文件定义框；b、有限元模型文件定义框；c、材料定义界面框；d、有限元疲劳分析对话框；e、信息输出框。一般地，对有限元计算结果进行疲劳分析时，需要定义有限元计算结果、载荷条件、材料参数等输入条件。环境设置库拷贝（主要是材料库）；输出结果位置、结果文件名称指定；fe-safe软件的有限元计算结果疲劳分析适用单元可用壳单元、实体单元；梁单元产生不精确的疲劳分析结果。必须用足够多的网格数量保证单元精度。采用结构表面的节点数据进行计算（从没有平均的应力进行计算，用平均寿命显示，该结果较采用平均应力计算更为准确）。有限元中的计算结果分为Set（载荷步）、Increment（载荷子步）分析类型单一载荷历程的线弹性模型分析有限元计算结果（一般为单位载荷的计算结果）乘以载荷历程，得到应力张量的时间历程数据。程序计算构件表面的主应力、方向时间历程，以及弹性应变时间历程数据。对单轴应力状态，可以由Neuber准则计算总应变值，并用SWT法计算疲劳；对双轴节点弹-塑性应力，可根据下式按弹性应变e、弹性应力S进行计算。该法仅对局部屈服、整体行为为弹性的情况有用，当部件大面积屈服时，需要弹塑性的FEA计算结果。目前还不能很好地定义接触类问题的疲劳算法。多个载荷的线弹性模型分析对每个载荷计算产生一个单位值作用下的结果（称为SET），该结果集与对应的载荷历程相乘，得到每个载荷的应力张量历程，所有载荷的应力张量历程相加，就得到总的应力张量历程。当主应力方向不断改变时，需要使用临界平面分析技术。对双轴节点弹-塑性应力，可根据前述按弹性应变e、弹性应力S进行计算。一个模型允许超过一千个载荷历程，每个载荷历程无长度限制。该法仅对局部屈服、整体行为为弹性的情况有用，当部件大面积屈服时，需要弹塑性的FEA计算结果。系列载荷集的模型分析可用于弹性、塑性模型。主要应用于动载荷比例不易控制、载荷作用位置不断变化的构件。如柴油机的曲轴、连杆、活塞疲劳分析等。序列分析计算结果可包含弹塑性有限元计算结果，且无须Neuber准则修正。一般地，FEA计算模型都采用随动强化计算模型。输出对有限寿命设计：可输出：对数疲劳寿命（Set1：Sx）、规定寿命下的应力强度因子fos（Set1：Sy）；疲劳失效概率（Set2：Sx）。对无限寿命设计：可输出：Sx-径向安全系数；Sy-垂向安全系数；Sxy-横向安全系数；Syz-最小安全系数。对DangVan准则：Sx-径向安全系数；Sy-垂向安全系数；Sz-存活值。具体内容见下表。

算法寿命类型应力修正备注单轴应力法有限Goodman或Gerber对有限元计算结果不支持单轴应变法有限Morrow或SWT最大主应力法（临界平面法）有限Goodman、Gerber、Buch强度因子可指定规定寿命或用材料库中的缺省值；可指定目标寿命计算失效概率或可靠性。可定义S-N曲线，或采用材料库参数。计算延性材料极不安全无限Goodman或Gerber可在材料库指定无限寿命值。可定义S-N曲线，或采用材料库参数。计算延性材料给出极不安全的结果。Vonmises应力法误差大，不常用。最大主应变法（临界平面法）有限Morrow可用于弹-塑性有限元计算结果的疲劳分析；计算延性材料给出极不安全的结果。无限Goodman或Gerber最大剪应变法（临界平面法）有限Morrow适用延性金属材料，对脆性材料给出极不安全的结果；采用三个45°平面方法。Brown-miller（临界平面法）有限Morrow为对常温金属最好的适用算法。采用三个45°平面方法。无限Goodman或GerberDangvan算法无限无为失效/通过准则BM算法有限Morrow、Goodman或Gerber将Brown-miller法应用于不发生塑性区域的计算；采用S-N曲线；不适用。无限Goodman或GerberCPF算法有限Goodman或Gerber计算临界平面的应力历程以计算疲劳寿命，应力考虑了正应力、剪应力的共同影响。无限Goodman或Gerber实例图示为一圆棒，其两端在1个工作循环内承受F=15KN、-7.5KN、22.5KN、-15KN交替变化的动载荷，试用ANSYS+fe-safe软件计算：（1）该圆棒能工作多少次循环？（2）若要使该圆棒经过10E7次循环不破坏，则载荷应如何进行比例缩放？已知参数为：钢材圆棒长L=100mm、直径D=10mm，其材料牌号为SAE-950C-Manten，弹性模量E=2.03×1011Pa、泊松比ν=0.3、密度ρ=7850kg/m3。分析步骤1：先在ANSYS环境，施加15KN载荷作一个静力分析（文件中采用1/8对称模型进行计算）；见文件fatigue02.txt。分析步骤2：在fe-safe环境的OpenFEModel窗口中，打开有限元计算结果文件（*.rst）、选SelectDatasetstoRead中的应力，设置应力单位为Mpa；在fatiguefromFEA窗口中，点击loading按钮，点击OK；右击Usinguserprofileloading**按钮，选择saveas，将后续载荷信息保存为一个*.ldf文件；点击Add/block，选中OpenFEModel窗口中的应力集，在fatiguefromFEA窗口中的block菜单下右选adddataset添加结果。右击添加好的结果（如stressdataset1显示），选中adduserloading，添加载荷系数：1、-0.5、1.5，-1、1；点击OK、OK、Yes。在OpenDatabase窗口中，选中材料SAE-950C-Manten；在fatiguefromFEA窗口中，点击material1**的material表格，将材料设置完毕；取其默认算法（BiaxialMethod/Brown-miller/finitelife/morrow进行计算；在fatiguefromFEA窗口的outfile窗口中指定输出文件名、位置；在designlife中指定规定寿命值，以允许强度因子计算；点击Analysis按钮，开始计算；计算完毕回到ANSYS环境进行后处理，其中Sx为寿命对数值；Sy为强度因子值。计算结果：最大主应力为191Mpa；最小寿命为1.1719E6个循环（按lg(1.67E6)=6.069显示）；规定寿命(1e7)下的载荷因子为0.76。见下图圆棒的主应力计算结果圆棒的疲劳寿命计算结果圆棒的强度因子计算结果有限元计算结果读入对弹性FEA分析，输入应力结果；对弹塑性FEA分析，则输入应力-应变结果。--成为Datasets。当FEA结果读入时，相关数据（如应力、应变、温度、结点组、单元组）等存放于*.FED文件中，该文件可保存和应用。支持的结果源文件有：Abaqus、ANSYS、NASTRAN、PRO/E、Ideas等软件产生的结果文件格式。分析选项设置材料指定：介绍fe-safe材料库、添加新材料、修改、排序、图显、近似等功能。一般地，当有限元模型中有N种材料的单元时，调入Fe-safe后，单元组号与材料编号一一对应，最多可支持1024个组。当打开库文件不存在时，则新建一个材料库。有两个文件：*.dbase、*.template可以拷贝已存在的材料库；可以拷贝已存在的材料（仅限于同一个材料库内拷贝）；可以新建一个近似材料：采用Seeger法（V2，3.5.6），需要材料类型（脆性、延性）、抗拉强度、弹性模量等参数。材料库中的材料单位对计算无影响，只是对材料数据列表、图显有影响。算法材料会推荐一个缺省算法。光洁度因子：缺省值为1，可通过光洁度或应力集中系数指定；残余应力：在表面各个方向都相同；不参与弹塑性修正；在寿命计算时叠加在平均应力上，不作fos比例化；在热-结构疲劳分析时不松弛。保存选项设置。通过File→SaveFEAFatigueDefinitionFile保存在*kwd文件中。该文件也可通过File→OpenFEAFatigueDefinitionFile打开。其他选项(1)AnalysisS-N曲线：作应力-疲劳分析（单轴寿命、主应力、等效应力）时采用。一般地，通过Nf=1E4、1E7对应的∆σ值，来定义S-N曲线，不能考虑塑性影响。当不指定采用S-N曲线时，则可采用从材料下述局部应变参数推导出来的弹塑性应力寿命曲线作应力疲劳分析，бf′为疲劳强化系数；b为疲劳强化指数；Nf为循环次数）可通过菜单：FEAfatigue/GeneralFEAoption设定。其它效应比例因子：考虑腐蚀、信心水平等，作