S-N方法在多轴疲劳分析中的应用：损伤计算的高效策略 多轴疲劳是指在多向应力或应变作用下的疲劳现象，也称为复合疲劳。在多轴疲劳中，材料或零件在多个方向的循环载荷作用下产生失效。与单轴疲劳相比，多轴疲劳的特点是应力主轴在加载历史中不断发生偏转，疲劳破坏面难以确定。为了确定破坏面，需要假定所有面都有可能是最终的破坏面，在所有可能的面上计算损伤，其中损伤最大的面为最终破坏面。这种评估方法称为“临界平面法”。 单轴疲劳是指材料或零件在单向循环载荷作用下所产生的失效现象。这时零件只承受单向正应力（应变）或单向切应力（应变），例如只承受单向拉—压循环应力、弯曲循环应力或扭转循环应力。 在OptiStruct中进行多轴疲劳分析时，可以使用S-N方法进行损伤计算。多轴疲劳分析时，OptiStruct直接使用应力张量，而不像单轴疲劳那样将应力张量转换为等效应力。在多轴疲劳分析中，OptiStruct通常采用拉伸裂纹损伤模型和剪切裂纹损伤模型进行损伤评估，从而寻找损伤最大的平面，即临界平面。在多轴疲劳分析中，只关心表面应力，如果受拉伸，则裂纹沿与表面垂直方向，如果是由于剪切则与表面成45°。应力准则，拉伸对应GOODMAN模型，剪切对应FINDLEY模型。应变准则，拉伸对应Smith-Watson-Topper，剪切对应Fatemi-Socie model /Brown-Miller。 在开始之前，请将本教程中使用的文件复 制到您的工作目录。 在多轴疲劳分析中，尤其是使用临界平面法时，我们关心的是材料表面或结构表面可能发生疲劳裂纹的位置。这是因为疲劳裂纹通常在材料表面或近表面区域由于应力集中或缺陷而产生。因此，多轴疲劳分析通常只关注结构的自由表面，因为这些区域是裂纹最有可能萌生的地方。 当我们说“多轴疲劳分析理论基于应力处于平面应力状态的假设”时，意味着在进行疲劳分析时，我们假设材料或结构的表面是一个平面，且在这个平面上应力的作用是二维的。这种假设简化了问题，因为我们只需要考虑表面的应力状态，而不是整个体积的三维应力状态， 这样的假设有助于简化分析过程，使其更易于管理和计算。 对于实体单元的壳的表面单元由OptiStruct自动生成，壳单元按原样使用。通过在FATPARM批量数据输入中设置MAXLFAT=YES来激活多轴疲劳分析功能。 此外，对于S-N方法，使用Goodman和Findley模型来检查拉伸和剪切裂纹造成的损伤。 在本教程中，使用了由制动力和垂直力加载的控制臂，如图1 所示。采用图2 和图3 所示的2545 秒、1 HZ的两种加载时间历程 。由于裂纹总是从表面开始，因此设计了与壳单元网格化的蒙皮以覆盖实体单元，这也可以提高计算的准确性。 为了合并多轴行为，引入了其他参数。 图1.疲劳分析模型的控制臂 图2.Vertical Force的加载时间历程 一、 启动HyperMesh并设置OptiStruct用户配置文件 这将加载用户配置文件。它包括相应的模板、宏菜单和导入阅读器，将HyperMesh的功能缩减为与生成OptiStruct模型相关的功能。 二、 导入模型 1. 点击 File > Import > Solver Deck 。 2. 对于File type ，选择 OptiStruct 。 此时将打开Select OptiStruct文件Browser。 4. 选择 保存到工作目录的 ctrlarm.fem文件。 6. 单击 Import ，然后单击 Close 以关闭Import选项卡。 在以下步骤中要实现的Fatigue Analysis设置的云图。 三、 设置模型 3.1 定义TABFAT Load Collector 定义加载顺序的第一步是定义TABFAT曲线。这表示加载历程记录。 1. 确保在View菜单中选择Utility菜单。点击 View > Browsers > HyperMesh > Utility 。 2. 单击Browser中Model选项卡旁边的Utility菜单。在Tools部分中，单击 TABLE Create 。 3. 将Options设置为 Import table 。 7. 在 Open the XY Data File 对话框中，将Files of type filter设置为 CSV （*.csv） 。 9. Create New Table 名称为 table1 . 将创建带有TABFATcard image的曲线table1。 12. Create New Table 名称为 table2 . 创建带有TABFATcard image的曲线table2。 Note： DAC格式的文件可以很容易地以HyperGraph格式导入，并转换为CSV格式，以便在HyperMesh中读取。 3.2 定义FATLOAD Load Collector 1. 在Model Browser中，右键单击并选择 Create > Load Collector 。 4. 对于Card Image，选择 FATLOAD。 5. 对于TID（表ID），从曲线 列表中选择 table1。 6. 对于LCID（Load Case ID），从 Load Step 列表中选择 SUBCASE1。 9. 重复该过程以创建另一个名为FATLOAD2 的Load Collector ，其中包含 FATLOAD card image并指向 table2 和 SUBCASE2 。 10. 将LDM设置为 1，将Scale设置为 3.0 。 3.3 定义FATEVNT Load Collector 1. 在Model Browser中，右键单击并选择 Create > Load Collector 。 3. 对于Card Image，选择 FATEVNT。 4. 对于FATEVNT_NUM_FLOAD，输入 2 。 5. 单击 Data字段旁边的Table图标，然后在弹出窗口中为 FLOAD（1） 选择FATLOAD1，为 FLOAD（2） 选择FATLOAD2。 3.4 定义FATSEQ Load Collector 1. 在Model Browser中，右键单击并选择 Create > Load Collector 。 4. 对于FID （疲劳事件定义），请选择 FATEVENT 。 定义疲劳分析的事件序列已完成。接下来定义Fatigue参数。 1. 在Model Browser中，右键单击并选择 Create > Load Collector 。 3. 对于Card Image，选择 FATPARM 。 6. 将STRESSU设置为 MPA （Stress Units） 。 7. 将RAINFLOW RTYPE设置为 LOAD 。 1. 在Model Browser中，点击 MAT1 Material。 2. 在Entity Editor中，将MATFAT设置为 SN 。 4. 对于SN曲线集（这些值应从Material的SN曲线中获得）： 1. 在Model Browser中，右键单击并选择 Create > Load Collector 。 3.8 定义FATDEF Load Collector 1. 在Model Browser中，右键单击并选择 Create > Load Collector 。 5. 将FATDEF_PSOLID_NUMIDS编辑为 2 。该模型包含模型中定义的2 个实体属性。 6. 单击数据字段旁边的表格图标，然后在弹出窗口中为 PID（1） 选择PSOLID_2#，为 PFATID（1） 选择pfat，为 PID（2） 选择PSOLID_5，为 PFATID（1） 选择pfat。 1. 在Model Browser中，右键单击并选择 Create > Load Step 。 3. 将Analysis type设置为 fatigue 。 四、 提交作业 1. 在Analysis页面中，输入OptiStruct面板。 3. 对于File name ，输入名称 ctrlarm_fatigue.fem 。 五、 查看结果 1. 在OptiStruct面板中，单击 HyperView 。 HyperView将启动并加载结果。此时将显示一个消息窗口，告知模型和结果文件已成功加载到HyperView中。 3. 将Load Case更改为 Subcase 3 - fatigue 。 4. 在Results工具栏上，单击 以打开Contour面板。 5. 将Result type设置为 Damage 并单击 Apply 以绘制Element的云图。 6. 图5. 单元寿命结果表明在第一个单元失效前大约有4500 个循 环。著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2025-05-21
最近编辑：17小时前
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