基于S-N的正弦扫频疲劳分析

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基于S-N（应力-寿命）的正弦扫频疲劳分析是一种用于评估材料或结构在循环加载下疲劳寿命的方法。这种方法特别适用于那些在不同频率下经历循环应力的工程应用，例如在振动测试或者模拟实际工作环境中的动态载荷情况。下面是这种方法的一些关键点：

1. S-N曲线：S-N曲线，也称为Wöhler曲线，是材料在不同应力水平下能够承受的循环次数的图形表示。它通常在对数坐标轴上绘制，显示了应力幅度与导致材料断裂的循环次数之间的关系。S-N曲线通常分为三个区域：低周疲劳（Low Cycle Fatigue, LCF）、有限寿命疲劳（Finite Life Fatigue, Z）和高周疲劳（High Cycle Fatigue, D）。

2. 正弦扫频疲劳分析：在这种分析中，使用正弦波形的载荷，其频率随时间变化，这种变化可以是线性的（称为扫频）或者在特定频率上保持一定时间（称为定频）。扫频疲劳分析可以模拟实际环境中复杂载荷条件的影响。

3. 疲劳控制参数：在进行正弦扫频疲劳分析时，需要设置特定的疲劳控制参数，这些参数定义了载荷的类型、频率、持续时间和载荷的幅度等。这些参数对于确定循环次数和单次循环的损伤量至关重要。

4. 损伤和寿命计算：在定频疲劳中，损伤量可以由该频率下的应力结果和材料的S-N曲线确定，而在扫频疲劳中，损伤是计算频率段内各采样频率上的损伤的叠加。这涉及到确定循环次数以及单次循环的损伤量。

本教学案例概述了结构在正弦载荷下的疲劳寿命，

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-6080/bracket_frf.zip

使用经过频率响应分析测试的支架来执行正弦扫频疲劳分析。模型已经为FRF分析设置好了，在本教程中创建了一个用于SN-疲劳计算的附加Load Step。FRF SUBCASE将用于疲劳计算，而TABLED卡的缩放比例相同。

Note：目前通过编辑生成的.fem文件来支持扫描参数，这将在本教程中解释。

图1.用于疲劳分析的bracket_frf模型

一、启动HyperMesh并设置OptiStruct用户配置文件

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bracket_frf.fem文件。

5.单击Open。

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。

图2.疲劳设置正弦扫描– SN损伤

三、设置模型

3.1创建TABLED1曲线

对于Sine Sweep Fatigue Analysis，使用TABLEDx卡代替TABFAT。

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

2.对于Name ，输入tabled-fat。

3.为（x，y）输入以下参数。

在x1 字段中，输入0.0

在y1 字段中，输入1.0

在x2 字段中，输入1000.0

在y2 字段中，输入1.0

4.关闭Curve Editor窗口。

5.在Model Browser的Curves下，选择tabled-fat。

6.对于Card Image，从下拉菜单中选择TABLED1。

7.将XAXIS和YAXIS插值方案设置为LINEAR。

图3.TABLED1 曲线

8.单击Close。

定义加载时间历程记录的Load Collector TABLED1已创建。

3.2定义FATLOAD Load Collector

该模型定义了一个频率响应Load Step，用于定义FATLOAD。

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

2.对于Name ，输入fatload_fat。

3.对于Card Image，选择FATLOAD。

4.选择TID INTEGER的选项。

5.将TID值设置为tabled-fat的曲线ID（本教程中为8）。

6.对于LCID（Load Case ID），从Load Step列表中选择03_frf。

Note：此计算不需要TABFAT和缩放参数。

7.选择SWEEP的选项，并通过SR （扫描速率）和SRUNIT （扫描速率单位）字段定义正弦扫描参数。

图4.具有LCID和SWEEP参数的FATLOAD

3.3定义FATEVNT Load Collector

为创建的FATLOAD_RAND创建随机响应事件。

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

2.对于Name ，输入fatevent-fat。

3.对于Card Image，选择FATEVNT。

4.对于FATEVNT_NUM_FLOAD，输入1。

5.在Loadcol字段中为FLOAD选择fatload-fat。

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-fat。

3.对于Card Image，选择FATSEQ。

4.对于FATSEQ_NUM输入1，因为已创建1 个FATEVENT。

5.对于FID（疲劳事件定义），选择fatevent-fat，将N选为1。

图5.FATSEQ显示fatevent-fat created

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fatparm-fat。

3.对于Card Image，选择FATPARM。

4.验证TYPE是否设置为SN。

5.将STRESS COMBINE设置为VONMISES。

6.将STRESSU设置为MPA （Stress Units）。

7.将CERTNTY SURVCERT设置为0.9。

8.选择SWEEP选项并定义NF=30。

图6.带有SWEEP参数的FATPARM

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MAT1 Material。

Entity Editor随即打开。

2.在Entity Editor中，将MATFAT设置为SN。

3.将UTS（极限拉伸应力）设置为340.0。

4.将YS（屈服强度）设置为180.0。

5.对于SN曲线集（这些值应从Material的SN曲线中获得）：

SRI1：936.0

B1：-0.161907

NC1：1e20

FL：1.0

SE：1.0

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-fat。

3.对于Card Image，选择PFAT。

4.将LAYER设置为WORST。

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-fat。

3.将Card Image设置为FATDEF。

4.在PTYPE实体编辑器中激活PTYPE和PSHELL。

5.将FATDEF_PSOLID_NUMIDS编辑为1。

6.为PID选择new_bracket，为PFATID选择pfat-fat。

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04-Fatigue。

3.将Analysis type设置为fatigue。

4.对于FATDEF，请选择fatdef-fat。

5.对于FATPARM，请选择fatparm-fat。

6.对于FATSEQ，请选择fatseq-fat。

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bracket-frf.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.在Results选项卡中，从subcase字段中选择Subcase 4 （04-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。

图7.损伤云图

来源：TodayCAEer

OptiStruct HyperMesh HyperView 振动疲劳断裂 UM 材料控制 Altair

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首次发布时间：2025-07-05

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