fe-safe基础培训第三天

fe-safe软件基础培训资料03第三天培训内容弹性有限元结果的疲劳计算过程单一载荷作用FEA结果的疲劳分析原理a、读入弹性计算的FEA节点的应力张量（6个）；b、用载荷历程数据乘以应力张量，得到每个张量的历程数据；c、计算表面内主应力的时间历程（对接触则考虑面外应力）；主应力方向不随历程改变。d、从应力计算三个主应变的时间历程数据；e、对应变寿命疲劳分析(如Brown-Miller分析)，用多轴循环塑性模型将弹性应力-应变时间历程数据转化为弹塑性应力-应变历程数据（对S-N曲线分析则忽略此步）；f、对剪应变、Brown-Miller分析，在三个可能的平面上计算剪应变、法向应变、法向应力的时间历程数据；对S-N曲线分析，则定义一个与表面垂直的平面（主平面之一），计算与该平面垂直的应力的时间历程数据；g、计算每个平面的疲劳损伤；各平面的每种疲劳循环用雨流计数法统计，总损伤由每种循环的损伤叠加而成；具有最短寿命的平面即为裂纹发生平面，其寿命写入结果文件。h、修正耐劳极限。如果一个平面内的各种循环均低于耐劳极限（所对应的循环），则没有损伤产生；如任一循环有损伤产生，则自动将耐劳极限降低25%，损伤曲线基于修正后的耐劳极限进行估算。i、对每个单元结点都重复上述过程。其它常用功能单元组group缺省地与模型单元的材料编号一一对应；强度因子（FOS）：定义：假设规定设计寿命N对应的应力值为[σ]，计算应力为σ，则与规定设计寿命对应的强度安全因子为FOC=[σ]/σ；失效率（FailureRate）在一系列规定目标寿命下，考虑材料/载荷波动按统计规律分布时的失效率；疲劳安全系数（FRF）对无限寿命的应力-寿命算法，按照Goodman图计算疲劳安全系数，可基于平均应力为定值时的应力幅、或应力幅为定值时的平均应力、或同时考虑平均应力/应力幅的影响。Haigh图：显示每个节点上最危险的循环；材料图显；近似材料数据；载荷敏感性分析：当构件上作用有多个方向的载荷时，可对关心位置的疲劳寿命在依次去掉某方向载荷的情况下进行重新计算。用于指导部件实验、查验重要载荷方向、疲劳位置等。输出细节：应力张量、主应力、主应变的时间历程数据，损伤参数（法向应力/应变、剪应变）；具有最大损伤的结点列表；无损伤的结点顺序列表；“通过”、“失效”、“边沿”的疲劳结果显示。标准分析设置的保存；批处理分析；比例因子等；载荷历程定义支持的文件工业标准文件*.dac；解析多通道文件*.amc；ASCII单/多通道文件*.txt、*.asc；ASCII柱状图文件*.txt、*.asc;第三方软件的文件格式：*.sbf、*.sbr、*.rsb、*.tab用户在操作界面下自行定义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为一个工作循环交替变化的动压力，试用ANSYS+fe-safe软件计算：在10000个循环这一规定寿命下，该薄板的疲劳安全系数？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，并将ConstAmpEnduranceLimit(2nf)值设为2e4）、算法（Brown-Miller/Infinitelife/Goodman）等后进行相关计算。计算结果：最大主应力为222Mpa；最小安全系数为3.523（规定寿命为1000个循环时），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安全系数计算结果（注意，不是FOS值）注意：后处理中sx、sy、sz、sxy分别为径向、垂向、横向、最小安全系数。多种载荷作用下FEA结果的疲劳载分析最多可支持4096种同时作用的载荷历程。每种载荷有其自己的载荷历程，每种载荷各有一个线弹性FEA解。称为“放样-合并法”。但不能采用单轴疲劳分析方法，因为主应力方向随时要发生变化。采用临界平面法确定裂纹发生面。（参见V2、Section9）原理a、读入弹性计算的FEA应力张量（6个）；b、用载荷历程数据乘以应力张量，得到每个张量的历程数据；c、计算表面主应力的时间历程（对接触则考虑面外应力）；d、从应力计算三个主应变的时间历程数据；e、对应变寿命疲劳分析(如Brown-Miller分析)，用多轴循环塑性模型将弹性应力-应变时间历程数据转化为弹塑性应力-应变历程数据（对S-N曲线分析则忽略此步）；f、采用临界平面法，对剪应变、Brown-Miller分析分析，在三个可能的平面上计算剪应变、法向应变、法向应力的时间历程数据；对S-N曲线分析，则定义一个临界平面，计算垂直于该平面的时间历程应力数据；g、计算每个临界平面的疲劳损伤；各平面的每种疲劳循环用雨流计数法统计，总损伤由每种循环的损伤叠加而成；具有最短寿命的平面即为裂纹发生平面，其寿命写入结果文件。h、修正耐劳极限。如果临界平面内的各种循环均低于耐劳极限，则没有损伤产生；如任一循环有损伤产生，则自动将耐劳极限降低25%，损伤曲线基于修正后的耐劳极限进行估算。i、对每个单元都重复上述过程。疲劳载荷定义简单载荷（常幅值载荷）可用一系列数据定义或LDF文件定义；有以下两种方式：有限元解为单位载荷的解，载荷历程为实际载荷历程；有限元解为最大载荷的解，载荷历程为实际载荷与最大载荷的比值历程；用户界面方式定义一个BLOCK；增加载荷历程数据或自定义载荷历程数据，程序会自动选择一个dataset（计算结果），以组成aload*dataset定义。也可直接通过Add/aload*dataset定义。LDF文件格式略多载荷历程(叠加载荷)多个有限元解集，每个解集对应有一个载荷历程；程序计算时先完成每个解集*相应载荷历程的应力张量历程计算；再完成所有载荷作用下的应力历程计算；最后完成主应力计算。可在界面下定义或LDF文件定义；界面定义方式定义一个BLOCK；通过Add/aload*dataset分别定义dataset、loadhistory；LDF定义实例INITEND#Blocknumber1BLOCKn=1,scale=1lh=D:\fatigue\test_mcg2.amc,signum=1,ds=1,scale=1lh=D:\fatigue\test_mcg2.amc,signum=2,ds=2,scale=1END上述结果ds1对应信号文件的1信号；ds2对应信号文件的2信号。解集序列(datasetsequence)表示载荷随时间变化的一系列应力解，如柴油机曲轴在不同转角时的应力集序列。其中的每个结果集可以定义载荷历程、循环次数、比例因子等参数。可在界面下定义或LDF文件定义；ds=1-n形式可以定义很长的结果序列。=1\*GB3①界面定义方式在一个Block内只依次增加dataset，其顺序表示先后顺序。=2\*GB3②LDF定义方式INITEND#Blocknumber1BLOCKn=1,scale=1ds=1-2,scale=1或（ds=1ds=2）END可在一个Block内定义，也可在多个Block内定义。复杂loadingblock载荷定义由一系列的loadindblock组成，每个block含有解集序列或loadhistory*dataset，且可在每个Block上叠加高频block。可在界面下定义或LDF文件定义；注：如果一个叠加载荷的历程比其它载荷短，则默认其长度与最长的载荷历程相同，缺失部分用0填充。如果dataset没有指定载荷历程，则其只施加一次。如下例的ds3仅在信号的第一个数据点时被叠加。INITEND#Blocknumber1BLOCKn=1,scale=1lh=D:\fatigue\test_mcg2.amc,signum=1,ds=1,scale=1lh=D:\fatigue\test_mcg2.amc,signum=2,ds=2,scale=1ds=3END载荷定义文件（LDF）含块定义、有限元数据系列定义、载荷历程定义、高频载荷定义、温度变化定义、时间定义。后两者仅用于Fe-safe的热-结构分析。要求：至少有一个Block定义；每个块以Block开始、以END结束；每个块必须从第一列开始定义；每个块内可含多个结果集*载荷历程；标注行第一列为#。具体格式为：=1\*GB3①BLOCK定义BLOCKN=10,SCALE=1.2，dt=3600,TEMP=100上式中：N为BLOCK的重复数；SCALE为BLOCK比例，对BLOCK下所有项均适用；DT为N个BLOCK对应的时间长度；TM为BLOCK对应的温度。=2\*GB3②结果集序号定义DS=1，ES=2，SCALE=1，ESCALE=2.0DS为打开的有限元应力结果集编号；ES为打开的有限元应变结果集编号（仅对弹塑性有限元计算有效）；SCALE为应力比例；ESCALE为应变比例（应变比例缩放后应该用m/m单位，不用με单位）；此式中的scale、escale仅用于应力、应变的单位转化。=3\*GB3③载荷历程定义：与定义load*dataset等效lh=<load_history_filename>,signum=1,ds=7,scale=45式中：lh为载荷历程文件；signum为载荷历程文件的序列号；ds为结果集序号；scale为dataset的比例因子；=4\*GB3④定义时间高频block与低频block叠加时，或TMF、Turbolife分析时，需要定义时间。可通过上述的dt参数定义；也可通过lhtime参数定义；后者比前者优先；两者单位必须为秒。用lhtime参数时，时间点数必须与loadhistory定义取样点数相同，若时间点数小于loadhistory定义的取样点数，则会以最后一个时间点作为随后的loadhistory取样点的时间，出错；dt参数主要用于loadhistory取样点的时间间隔都相同的情况，此时第一个取样点对应0s，最后一个取样点对应dt/N。当loadhistory取样点的时间间隔不相同时，lhtime的最后一个值等于dt/N（即block的一个循环时间）。最后一个取样点和重复Block的零时间点的时间间隔被假设为0，因此必须将第一个取样点的时间设置为非0值，以使lhtime最后一个时间点与重复block的零时间点间的时间差不为零。？？？示例1：每个lh文件定义的样点数与lhtime定义样点数相同。示例2示例3INITEND#Blocknumber1BLOCKn=10,scale=1lh=D:\fatigue\test_mcg2.amc,signum=1,ds=1,scale=1lh=D:\fatigue\test_mcg2.amc,signum=2,ds=2,scale=1lhtime=0，1，2，3，4，6END#usingdtBLOCKn=1,dt=20Ds=1-5END#usinglhtimeBLOCKn=1,dt=20Ds=1-5Lhtime=4，8，12，16，20END=4\*GB3④叠加高频载荷可叠加到定义的主块载荷上，每个主载荷块可叠加20个高频块。高频载荷定义时采用loadhistory*dataset方式，循环区域从主block的开始位置到其结束位置；用dt确定高频block的时间长度，因此主block也要用dt或lhtime定义时间参数。示例1：主Block总时间为100s；HFblock时间为1s，重复100次。示例2：主Block总时间为100s；HFblock时间为1s，重复100次。BLOCKn=1,dt=100lh=D:\fatigue\test_mcg2.amc,signum=1,ds=1,scale=1lhtime=1，2，3，4，5、6，7，8，9，10HFBLOCKdt=1Lhtime=0，0.1,0.3,0.8Ds=1-2Ds=7-8hfendENDBLOCKn=1,dt=100lh=D:\fatigue\test_mcg2.amc,signum=1,ds=1,scale=1lhtime=1，2，3，4，5、6，7，8，9，10HFBLOCKdt=1lhtime=0，0.1，0.3，0.8lh=D:\fatigue\test.amc,signum=1,ds=1,scale=1Ds=7-8HFENDEND在hfblock中，lhtime的时间范围不要覆盖dt的时间范围。如果主block在t=0时的幅值无定义（如通过lhtime参数），则程序会以主block内lhtime定义的最后时间点的幅值代替它，以保证HFBLOCK能叠加在主block的所有时间范围，一般地要避免这种情况出现（见207页）。如果HFBLOCK内的lhtime没有定义，则HFBLOCK内取样点的时间数值为：0，dt/N，….，dt*（N-1）/N。N为dataset的数目或loadhistory中的样点数目。HFBLOCK的dt值尽量取较小的数值。如下列例2比例1要节省计算时间。示例1：主Block总时间为35100s,重复1次；HFblock时间为20s，重复100次。示例2：主Block总时间为20s,重复1775次；HFblock时间为20s，重复100次。BLOCKn=1,dt=35100Ds=1，0.5Ds=1，0.5HFBLOCKdt=20Ds=2-4hfendENDBLOCKn=1775Ds=1，0.5Ds=1，0.5Lhtime=0，20HFBLOCKdt=20Ds=2-4hfendEND实例：悬臂轴的拉压-弯曲-扭转组合疲劳分析（叠加载荷）图示悬臂轴方型大端外端面固定，小端端面承受载荷为：工况=1\*GB3①拉力F=200N/节点；工况=2\*GB3②切向压力P=5Mpa；工况=3\*GB3③周向力Fx=2000N/节点。若工况=1\*GB3①、工况=2\*GB3②、工况=3\*GB3③的载荷同步作用，且其载荷历程分别如文件Load01.txt的各列所示，试用ANSYS+fe-safe软件计算：该轴能工作多少个循环？已知参数为：轴小端端面至大端内侧面距离L=200mm、半径R=30m；大端厚度T=30mm、截面尺寸为50mm×50mm；轴与大端间过渡圆弧半径R01=5mm。悬臂轴为钢材，其材料牌号为SAE-0030，弹性模量E1=1.965×105MPa、泊松比ν=0.3；各工况作用载荷如图1-3示。图1工况=1\*GB3①载荷及历程图2工况=2\*GB3②载荷及历程图3工况=3\*GB3③载荷及历程分析步骤1：在ANSYS环境采用N-mm单位建模型，作工况=1\*GB3①、=2\*GB3②、=3\*GB3③的应力计算；见文件fatigue04.txt。计算结果见图4-6。图4工况=1\*GB3①应力计算结果图5工况=2\*GB3②应力计算结果图6工况=3\*GB3③应力计算结果分析步骤2：在fe-safe环境的Opendatafiles窗口中，点击右键打开载荷历程文件Load01.txt。显示有三个信号。在fe-safe环境的OpenFEModel窗口中，打开有限元计算结果文件（*.rst）、选种各Step的应力、应变按钮，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newloading，将后续载荷信息保存为一个*.ldf文件；点击Add/block，选种OpenFEModel窗口中的应力集/应变集，在fatiguefromFEA窗口中的block下添加结果。依次添加Step为1（对应工况1）、Step为2（对应工况2）、Step为3（对应工况3）的结果集。）点中Opendatafiles窗口中的信号1（#1），再右击elasticblock下的stressdataset1，选择addloadhistory，使应力集1与载荷历程1相结合。点中Opendatafiles窗口中的信号2（#2），再右击elasticblock下的stressdataset2，选择addloadhistory，使应力集2与载荷历程2相结合。点中Opendatafiles窗口中的信号3（#3），再右击elasticblock下的stressdataset1，选择addloadhistory，使应力集3与载荷历程3相结合。点击OK、YES等。在Opendatabase窗口中，选中SAE-0030材料；在fatiguefromFEA窗口中，点击material1*栏的表格值，指定材料为SAE-0030材料。点击Yes。取材料的默认算法计算；在fatiguefromFEA窗口中，点击designlife按钮指定规定寿命，进行强度因子计算；在fatiguefromFEA窗口中，点击probablity按钮指定规定寿命下的存活概率计算；点击analysis按钮进行计算。计算结果：最小寿命的对数为3.623，应力因子为0.5；失效概率为100%。见图7-9示。（注：fatige05.txt文件可产生带壳单元的模型，可仅用壳单元作计算来比较相关结果）图7寿命对数计算结果图8强度因子计算结果图9失效概率计算结果特殊应用实例弹塑性有限元解的载荷定义读入解的应力、应变结果。载荷定义要对每个计算结果集定义一个应力-应变对。Block的scale必须设置为1，不要缩放；但可用ds、es的scale进行单位转换（转换后的单位应分别为Pa、m/m）。需要时用biaxialNeuberRule进行弹性-弹塑性修正。主应变、BrownMiller应变、最大剪应变可用于弹塑性有限元结果的分析；一些实例：使用ds命令，不进行弹性-弹塑性修正实例1实例2实例3BlockN=10，scale=1Ds=1，es=5Ds=2，es=6Ds=3，es=7Ds=4，es=8ENDBlockN=10，scale=11，52，63，74，8ENDBlockN=10，scale=1Ds=1-4，es=5-8END在上述三个文件中，有限元结果有4个，读入结果时，1-4表示4个应力集，5-8表示4个应变集。热-机械、高频载荷定义实例要用到Fesafe/TMF模块；载荷定义为时间、温度的函数；因要估算样点间的应变速度变化率，因此，要确保T=0、DT时的应力张量相同，避免出现较大的应变速度变化率。时间(s)应力集号温度集号0112022503370449055BLOCKDs=1-5lhtime=0,20,50,70,90dtemp=1-5HFBLOCKdt=1ds=6,lh=\texi.txt,signm=1HFENDEND上例中，主block内含有应力定义（结果集1-5）、温度定义（结果集1-5），hfblock内有高频定义，应力集为6，对应lh定义的载荷历程；注意下例形式类型含义Blockds=1,lh=D:\fatigue\test_mcg2.amc,signum=1end结果集1及对应载荷历程，与下同。lh=D:\fatigue\test_mcg2.amc,signum=1,ds=1BlockDs=1,0.5DS=1,0.5endblocklh=D:\fatigue\test_mcg2.amc,signum=1,ds=1,scale=1lh=D:\fatigue\test_mcg2.amc,signum=1,ds=1,scale=1lh=D:\fatigue\test_mcg2.amc,signum=1,ds=1,scale=1endBlocklh=D:\fatigue\test_mcg2.amc,signum=1,ds=1,scale=1lh=D:\fatigue\test_mcg2.amc,signum=1,ds=1,scale=1lh=D:\fatigue\test_mcg2.amc,signum=1,ds=1,scale=1Ds=1Ds=2end实例：弹塑性有限元解的的疲劳分析图示为在其中心位置开有一圆孔的薄板，薄板一端固定，承受载荷为：工况=1\*GB3①另一端拉压力P1=30Mpa；工况=2\*GB3②下边一半拉压力为30Mpa。若将载荷变化情况工况=1\*GB3①-工况=2\*GB3②-工况=1\*GB3①定义为一个工作循环，试用ANSYS+fe-safe软件计算：该薄板能工作多少个循环？已知参数为：薄板长L=1000mm、高H=500m、厚T=5mm、圆孔半径R=130mm。薄板左半部分为钢材，其材料牌号为SAE-0030，弹性模量E1=1.965×105MPa、泊松比ν=0.3、屈服强度为σs=324Mpa，随动强化割线模量E11=5×104Ma；；薄板右半部分为铝合金，材料牌号为AL1100-T6，弹性模量E2=6.89×104MPa、泊松比ν=0.3、屈服强度为σs=97MPa，随动强化割线模量E22=1×104MPa；分析步骤1：在ANSYS环境采用N-mm单位建模型，先作工况=1\*GB3