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E-N方法驱动的多轴疲劳分析：应变-寿命评估的完整教程

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16小时前浏览2

应选择E-N（应变- 寿命）方法来预测在给定循环载荷下发生塑性应变时的疲劳寿命。

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。

http://majorv.help.altair.com/minorv/simulation/tutorials/hwsolvers/optistruct/OS-T-6020/ctrlarm_EN.zip

http://majorv.help.altair.com/minorv/simulation/tutorials/hwsolvers/optistruct/OS-T-6020/load1.csv

http://majorv.help.altair.com/minorv/simulation/tutorials/hwsolvers/optistruct/OS-T-6020/load2.csv

S-N（应力- 寿命）方法不适用于塑性应变在疲劳行为中起核心作用的低周疲劳。如果S-N分析表明疲劳寿命小于10,000 次循环，则表明E-N方法可能是更好的选择。E-N方法虽然在计算上比S-N更昂贵，但也应该对高周疲劳给出合理的估计。

图1.S-N曲线上的低周和高周区域

由于E-N理论涉及单轴应变，因此需要将应变分量分解为每个计算点、每个时间步长的一个组合值，然后用作施加在E-N曲线上的等效标称应变（图2）。

图2.应变-寿命曲线

在OptiStruct中，可以使用各种应变组合类型，默认为Absolute maximum principle strain。一般来说，对于脆性材料，建议使用Absolute maximum principle stain，而对于延展性材料，建议使用Signed von Mises strain。已签名参数上的符号取自Maximum Absolute Principal值的符号。

HyperMesh中的疲劳设置流程图如图3 所示。

图3.疲劳分析流程图

疲劳定义的三个方面是疲劳材料属性、疲劳参数以及载荷序列和事件定义。

FATDEF：定义将用于疲劳分析的单元和相关的疲劳属性。

PFAT：定义Element的表面处理、处理、层和疲劳强度折减系数。

MATFAT：定义疲劳分析的材料属性。这些特性应从材料的E-N曲线中获得（图2）。E-N曲线通常是通过镜面抛光试样的完全反向弯曲获得的。

·疲劳参数

图4.平均应力校正

FATPARM：定义疲劳分析的参数。这些方法包括应力组合法、平均应力校正法（图4）、雨流参数和应力单位。

·疲劳序列和事件定义

图5.加载时间历程记录

FATSEQ：定义疲劳分析的载荷顺序。此卡可以指另一张FATSEQ卡或FATEVNT卡。

FATEVNT：定义疲劳分析的载荷事件。

FATLOAD：定义疲劳载荷参数。

TABLEFAT：定义时间加载历程中每个点的y值（图5）。

将以下模型文件复制到您的工作目录中。请参阅访问模型文件。

ctrlarm_EN.fem、load1.csv和load2.csv

或

本教程中使用的模型文件的副本位于上。

在本教程中，使用由制动力和垂直力加载的控制臂，如图6 所示。采用图7 和图8 所示的2545 秒、1 HZ的两种加载时间历程。控制臂的材料是铝，其EN曲线如图9 所示。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。

图6.疲劳分析模型的控制臂

图7.Vertical Force的加载时间历程

图8.制动力的加载时间历程

图9.铝的EN曲线

一、启动HyperMesh并设置OptiStruct用户配置文件

本练习使用的模型是控制臂的模型（图6）。载荷和边界条件以及两个static Load Case已经在此模型上定义。

1.启动HyperMesh。

此时将打开User Profile对话框。

2.选择OptiStruct，然后单击OK。

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。

导入选项卡将添加到您的选项卡菜单中。

2.对于File type ，选择OptiStruct。

3.选择文件图标。

此时将打开Select OptiStruct文件Browser。

4.选择保存到工作目录的ctrlarm_EN.fem文件。

5.单击Open。

6.单击Import，然后单击Close以关闭Import选项卡。

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。

4.将Tables设置为TABFAT。

5.单击Next。

6.浏览加载文件。

7.在Open the XY Data File对话框中，将Files of type filter设置为CSV （*.csv）。

8.打开保存到工作目录的load1.csv文件。

9.Create New Table名称为table1.

10.单击Apply以保存表。

将创建带有TABFAT card image的曲线table1。

11.浏览第二个加载文件load2.csv。

12.Create New Table名称为table2.

13.单击Apply以保存表。

创建带有TABFAT card image的曲线table2。

14.退出Import TABFAT窗口。

表格显示在Model Browser中的曲线下。

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。

2.对于Name ，输入FATLOAD1。

3.单击Color并从调色板中选择一种颜色。

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。

7.将LDM （载荷大小）设置为1。

8.将Scale设置为5.0。

9.重复该过程以创建另一个名为FATLOAD2 的Load Collector ，其中包含FATLOADcard image并指向table2和SUBCASE2。

10.将LDM设置为1，将Scale设置为5.0。

3.3定义FATEVNT Load Collector

1.在Model Browser中，右键单击并选择Create>Load Collector。

2.对于Name ，输入FATEVENT。

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。

2.对于Name ，输入FATSEQ。

3.对于card image，选择FATSEQ。

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。

3.5定义疲劳参数

1.在Model Browser中，右键单击并选择Create>Load Collector。

2.对于Name ，输入fatparam。

3.对于card image，选择FATPARM。

4.验证TYPE是否设置为EN。

5.对于多轴方法，将MAXLFAT设置为Yes。

6.将STRESSU设置为MPA （Stress Units）。

7.将RAINFLOW RTYPE设置为LOAD。

8.将CERTNTY SURVCERT设置为0.5。

3.6定义疲劳材料属性

疲劳分析的材料曲线可以在MAT1 卡上定义。

1.在Model Browser中，点击Aluminum Material。

Entity Editor随即打开。

2.在Entity Editor中，将MATFAT设置为EN。

3.将UTS（极限拉伸应力）设置为600。

4.对于EN曲线集（这些值应从Material的EN曲线中获得）：

SF：1002.000

B：-0.095

C：-0.690

EF：0.350

NP：0.110

KP：966.000

NC：2E+08

SEE：0.100

SEP：0.100

3.7定义PFAT Load Collector

1.在Model Browser中，右键单击并选择Create>Load Collector。

2.对于Name ，输入pfat。

3.对于card image，选择PFAT。

4.将LAYER设置为TOP。

5.将FINISH设置为NONE。

6.将TRTMENT设置为NONE。

7.将Kf设置为1.0。

3.8定义FATDEF Load Collector

1.在Model Browser中，右键单击并选择Create>Load Collector。

2.对于Name ，输入fatdef。

3.将card image设置为FATDEF。

4.选中PTYPE复选框并激活PSOLID。

5.在PID：中点击Property collector，然后选择shell。

6.在PFATID中单击Loadcol，然后选择pfat。

7.单击Close。

3.9定义疲劳Load Step

1.在Model Browser中，右键单击并选择Create>Load Step。

2.对于Name ，输入Fatigue。

3.将Analysis type设置为fatigue。

4.对于FATDEF，请选择fatdef。

5.对于FATPARM，请选择fatparam。

6.对于FATSEQ，请选择fatseq。

四、提交作业

1.在Analysis页面中，输入OptiStruct面板。

2.单击输入文件字段后面的save as。

此时将打开Save As对话框。

3.对于File name ，输入名称ctrlarm_EN_fatigue.fem。

4.单击Save。

5.单击OptiStruct提交分析。

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。

2.转到Results选项卡。

3.将Load Case更改为Subcase 3 - Fatigue 。

4.从Results Browser中，将ComponentsPSOLID_2和PSOLID_5切换为关闭。

5.在Results工具栏上，单击以打开Contour面板。

6.将Result type设置为Life并单击Apply以绘制Element的云图。

7.右键单击云图数值的顶部，然后选择Edit Legend。

8.选择Interpolation：Log，然后单击OK。

图10. 单元寿命结果表明，在第一个单元失效之前，大约有4500个循环

来源：TodayCAEer

OptiStruct HyperMesh HyperView 疲劳 UM 裂纹理论材料控制 Altair

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首次发布时间：2025-05-21

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