基于ADINA应力计算的疲劳分析计算流程

2024/1/301

基于ADINA应力计算的疲劳计算分析流程

费根胜ADINA武汉代表处2012-02-20疲劳计算流程强度、刚度和疲劳寿命是对工程机械零部件的三个基本要求，其中疲劳破坏是机械零部件破坏的主要形式之一。根据外载荷的大小，可以将其分为高周疲劳和低周疲劳。无论是高周疲劳还是低周疲劳，其计算流程基本是一样的，只是一个是采用S-N曲线进行零部件寿命估计，一个是采用ε-N曲线对零部件进行寿命估计。疲劳计算过程中主要包括下面三个方面：1.零件载荷谱的确定；2.零件材料参数的确定；3.疲劳计算参数的确定。下面主要讲解一下利用ADINA进行疲劳计算的流程。1.通过有限元软件进行应力计算

在进行零部件有限元计算之前，需要确定载荷谱的类型：对于横幅周期载荷，不需要对载荷进行处理，直接使用载荷进行应力计算，然后计算疲劳寿命。对于变幅载荷，首先处理成多级恒福载荷，然后对每级载荷中的最大载荷值进行多工况应力计算分析，最后应用miner累计损伤理论计算疲劳寿命。对于随机载荷，首先利用雨流计数法将随机载荷处理成变幅载荷，然后按照变幅载荷的方法计算疲劳寿命。载荷谱确定后，可以按照载荷谱中最大载荷值进行有限元静力计算，这样就可以获得零部件的应力分布(静力方法中载荷随时间的变化规律是在疲劳软件当中体现的)。当然也可以按照载荷随时间的变化规律进行动力瞬态计算，然后将获得的计算结果像静力计算方法一样导入疲劳软件当中进行疲劳寿命计算。由于动力计算比静力计算要耗费时间，一般情况下都是根据零部件的静力计算结果计算疲劳寿命。在计算之前可以通过参数设置，输出OP2格式的计算结果。如图1所示。

图1ADINA输出OP2格式计算结果ADINA输出的OP2的文件不包括网格模型，只有计算结果，因此在将计算结果导入疲劳软件之前，还需要在ADINA软件当中将网格模型以NAS格式的文件导出，如图2所示。我是用fatigue软件进行疲劳分析，通过修改文件名把NAS格式文件改成BDF格式文件，然后导入到fatigue软件中，随后再将OP2计算结果文件导入到fatigue软件，如图3、图4和图5所示。至此已经把ADINA的应力计算结果完全导入到疲劳软件当中。

图2将ADINA网格模型以NAS格式导出图3导入网格模型文件图4导入计算结果文件图5导入到疲劳软件当中的计算结果2.疲劳软件当中定义载荷谱

将ADINA的计算结果导入疲劳软件之后，在疲劳软件当中定义载荷谱，也就是载荷随时间的变化规律。另外需要特别注意的是定义载荷谱窗口当中loadmagnitude与载荷谱幅值以及有限元分析时施加载荷值三者之间的关系。如图6和图7所示。如果有限元分析时施加了载荷谱当中的最大载荷值，而疲劳软件定义载荷谱是比例载荷值，那么loadmagnitude就是1。进行疲劳计算一般也是这样设置参数的。为了更好的说明三者之间的关系，举例如下：假如零部件受到的最大载荷为50KN，最小载荷为-20KN，那么在有限元静力计算时，可以施加50KN的载荷进行静力计算。在疲劳软件当中定义载荷谱施加比例载荷，因此定义为0,1,-0.4,0。而loadmagnitude的值为1。如果在进行有限元分析时，施加的载荷是-20KN，那么在疲劳软件当中这样定义载荷谱，0,2.5,-1,0，此种情况loadmagnitude的值也是1。如果有限元分析施加载荷为50KN，疲劳软件当中的载荷谱为0,50,-25,0，那么loadmagnitude的值应为50。

图6载荷窗口中loadmagnitude图7疲劳软件当中定义的载荷谱3.疲劳软件当中定义材料疲劳参数

对于高周疲劳，材料参数主要是S-N曲线。如果有条件做实验，最好是通过做实验获得材料的S-N曲线，因为疲劳寿命结果本身就有较大的离散性(因为疲劳寿命的影响因素非常多，而某些因素很难确定准确值)，通过做实验获得材料的S-N曲线能够较准确的描述材料的疲劳性能。如果没有条件做试验，可以通过查手册获得材料的疲劳性能。目前常用的手册是《机械工程材料性能手册》，另外还有北京航空研究院出版的《金属疲劳性能手册》。最后，如果结构零部件的材料的疲劳性能在手册上无法查到，那么只能通过材料的静强度性能来近似估算材料的S-N曲线。疲劳软件定义材料窗口如图8所示。

图8定义材料窗口在定义材料窗口当中，有个参数region。对于装配件的疲劳分析，可能包含很多零件，而每个零件的材料又不一样，所以就需要定义多个材料的S-N曲线，那么就要通过region这个参数来对不同的材料S-N曲线赋予给相应的材料。在疲劳软件当中首先通过“组”的功能为不同的材料定义不同的组，在定义疲劳材料窗口当中，通过选择不同组实现多种材料装配件的疲劳分析。另外在材料窗口中有一个参数Kf，这个参数为疲劳缺口系数，因为应力集中对应力的“贡献”可以通过有限元的计算考虑进去，但是应力集中对应力的提高和对疲劳强度的降低作用是不同的，就是通过Kf这个参数来考虑应力集中对疲劳强度的影响。一般情况下保守一点的计算都是将Kf设定为1。

3.定义疲劳计算参数

疲劳计算参数设定窗口如图9和图10所示，对于高周疲劳就是以S-N曲线为基本参数进行疲劳分析，也就是应力---寿命法。另外对于平均应力的处理，可以采用goodman方法或者gerber方法进行修正，或者不进行修正。对于平均压应力一般是不修正的，因为压应力会提高机械疲劳寿命。对于应力组合方法，可以采用最大主应力法或者等效应力法，对于脆性材料(