搜索
——有限元模型耐久性分析Abaqus/fe-safe2内容提要•疲劳分析简介•fe-safe公司和产品简介•fe-safe主要特征•fe-safe分析能力•例题疲劳分析简介4疲劳分析•有限元分析得到应力的结果•面临其他重要的问题–构件的使用时间？–如何优化设计提高使用寿命？•零件在服役期间如果出现失效–代价昂贵•如果“over-design”–造成资源的浪费以及产品过于笨重5•有限元结果—可靠性分析设计Redesign有限元分析ABAQUSNASTRAN应力荷载Lifecontours疲劳分析fe-safefe-safe公司和产品简介7Fe-safeSafetechnology公司背景•1987年成立，总部设立在英国，公司创始人JohnDraper•它的产品是fe-safeworks一系列的疲劳和耐久性分析软件•Fe-safe是英国政府1,000,000$资助开发的计算机辅助疲劳设计软件•Safetechnology被公认为世界上技术领先地疲劳分析软件供应商，尤其在多轴疲劳分析方面的技术•全球有150多个用户，行业涉及汽车，航空航天，核能，电子，电力8SIMULIA2008Roadshow9SIMULIA2008Roadshow10Fe-safeSafetechnology公司产品11Fe-safeSafetechnology公司产品•Safe-professional–利用有限元分析结果计算疲劳裂纹产生的位置时间，方向，安全系数……–包含材料库–包含safe4fatigue•Safe4fatigue–它是一个疲劳耐久性分析的辅助工具，它分析复杂的荷载信号，从中提取用和统计于疲劳分析的信息，比如应力的极大/极小值（peak/valley），疲劳循环次数(RainFlow)。–可以用于windows或者UNIX操作平台上。与多种通用数据采集系统的数据文件有接口。另外，数据可以通过fesafewors数据采集工具获得。•.txt.asc.dac.amc.sbr.sbm.tab.sm?……12Fe-safeSafetechnology公司产品•Fe-safeLE–Fe-safeLE2003年将正式发布，它与safe-professional用同样的疲劳分析方法，但是有一定的功能限制•Fe-safe/TMF(thermomechanicalfatigue)–高温，时间相关疲劳分析模块，是safe-professional的一个可选择组件。–分析温度和应力波动的零件的疲劳寿命•例如活塞，或者其他发动机的组件•fe-safe/Rotate–用于加速分析轴对称零件，比如车轮13fe-safe用途•fe-safe–是一个强大的，全面的，容易使用的一系列疲劳分析软件–与最流行的有限元分析软件直接的接口–提供一个完全的材料库和灵活多变的载荷谱定义方法，用户可以对材料模型修改•fe-safe计算下列数据–疲劳裂纹尖的产生位置–疲劳裂纹产生时间–工作应力安全系数——用于快速优化设计–零件的存活概率（probabilityofsurvival）——“warrantyclaim”曲线–计算结果可以绘制成疲劳寿命，应力安全系数，存活概率的云图。这些图可以用有限元软件的后处理程序绘制，比如ABAQUS/CAE14fe-safe用途•fe-safe被全世界很多工程技术水平领先的公司选用，分析零件的寿命–不同材料•钢，铝，铸铁–不同加工过程•机械加工，锻造，铸造–不同工作状态•高温，焊接，复杂装配，冲压fe-safe主要特征16Fe-safe特征•全面的疲劳分析–使用S-N曲线的疲劳分析–使用应变－寿命的疲劳分析–高级，高精度的多轴疲劳分析–铸铁的疲劳–高温疲劳分析，例如活塞–蠕变－疲劳分析17Fe-safe特征•独有的特征–复杂荷载情况的模拟–软件模拟或者实际测量的单轴或者多轴加载–有限元模型顺序分析包括瞬态分析–使用弹性或者弹塑性有限元分析结果–块加载(Blockloadingspectra)–使用PSD频域荷载–模拟复杂的实验荷载条件和实验顺序fe-safe功能介绍19Fe-safe功能介绍•内容提要–Fe-safe分析流程–有限元模型–零件荷载–材料数据–疲劳分析–高级特征–输出20Fe-safe分析流程1.读入有限元模型节点上的应力张量2.应力张量的6个分量乘以荷载的大小3.计算面内主应力的大小4.从应力结果计算三个主应变5.对于应变－疲劳分析(例如Brown-Miller)，使用多轴循环塑性模型将弹性的应力应变转化成弹塑性的应力和应变，如果疲劳分析基于S-N省略这个分析步。6.对于基于剪应变或者Brown-Miller分析，在三个可能的平面上(criticalplane)计算剪应变、法向应变、剪应力和法向应力的时间历程。7.每个平面上的疲劳损伤被分别计算。每个节点上使用Rainflow算法统计疲劳循环的次数。疲劳寿命最短的平面将被写入输出文件中。21有限元模型•通常使用弹性的有限元分析结果–因此可以对有限元分析结果进行比例放大和叠加来模拟应力的历史•可以分析弹塑性有限元分析结果。•分析壳单元或者实体单元的疲劳寿命–两种单元可以混和使用，同时分析–没有单元数量的限制•可以连接多种有限元的输出文件进行分析•与其它软件有接口–NASTRANANSYS……22构件荷载•fe-safe可以分析非常复杂的荷载条件–应用时域的荷载到FEA的结果上（一个时域信号乘以FEA结果）–在FEA模型上的每个节点上进行多种时域荷载的叠加，得到多轴应力张量。时域信号的数量和长度没有限制–可以对一系列的FEA结果进行疲劳分析。例如：一个瞬态FEA应力结果，曲柄转动几次，几个分散的荷载条件。23构件荷载–块荷载程序(blockloadingprogram)•fe-safe专有的给定荷载的文件•文本格式，容易编制和修改•复杂的，系列的荷载条件–高频和低频荷载叠加，有自动的采样率–支持多种格式荷载文件，包括.DAC单轴和多轴ASCII,fe-safe的.AMC等24NrepeatsUnitloadstressesxloadhistoriessuperimposedFEAtransientanalysisN2repeats25汽车转向臂构件荷载•第1步单位荷载FEA分析例题1:简单荷载26X荷载历史乘以节点上应力张量例题1:简单荷载构件荷载•第2步27两种应力荷载构件荷载例题2:多个荷载28构件荷载例题2:多个荷载•第1步单独加载两个单位荷载29XX+fe-safecanscaleandcombinemorethan4000loadinghistories例题2:多个荷载•第2步——两种荷载分别乘以荷载的谱线叠加构件荷载30材料数据•提供全面的材料数据库•用户可以扩展和修改材料数据库•可以得到材料试验报告•包括S-N曲线和应变－寿命曲线•可以根据材料参数绘制材料特性曲线•高级算法来建立实验数据和材料特性参数的关系31材料数据通用参数E,v,拉伸极限，压缩极限，温度，分类(钢，铝，钛合金，脆/揉性)comment文本，注释循环强度循环硬化或者循环软化参数应变－寿命S-NS-N曲线数据铸铁参数概率实效参数TMF，蠕变参数BuchSigma0.2DangVanDangVan极限应力和应力率•全面的材料参数cffbffNNE)2()2(2ese′+′Δ=Δ32疲劳分析应力疲劳:l单轴/多轴疲劳l主应力疲劳lVonMises应力疲劳lBS7608焊缝疲劳lDangVan无限寿命疲劳应变疲劳:l单轴/多轴疲劳l最大主应变疲劳l最大剪切应变疲劳lBrown-Miller组合应变疲劳l铸铁疲劳33高级特征•疲劳分析可以考虑温度效应•给定设计疲劳寿命，fe-safe计算每个点上的许用应力因子–Factorofstress(FOS)•可以对整个模型进行疲劳分析，也可以对指定的单元集合进行疲劳分析–提高分析速度•在对一个模型进行分析中，不同部分可以使用不同的材料，不同的疲劳算法，不同的表面光洁度–分析一个装配后的构件，机械加工表面和锻造表面使用不同的光洁系数•可以指定FEA模型里面的残余应力•弹性或者弹塑性FEA分析结果作为结构的残余应力–例如一个锻压加工成的金属板•用户可以改变分析参数进行重复分析•批处理分析功能•可以考虑缺陷敏感性以及应力梯度效应34结果输出•节点或者单元上的疲劳寿命•节点或者单元上的应力安全系数•指定寿命条件下的失效概率•对荷载的敏感性–荷载对应的疲劳损伤•应力历程，循环统计，极限平面方向(criticalplane)，可靠性因子(reliabilityfactor)，以及各种图表(可以用FEA软件后处理程序绘制，也可以用fe-safe绘制)•损伤最严重的单元将被存储下来，用来作进一步的分析35例题37例题1:排气管热应力疲劳分析•弹性FEA结果——热应力–使用ABAQUS/Standard进行计算•Step1:装配后的最大主应力•温度:300K38•FEA结果：–Step2:排气管受热膨胀Step2：温度39•FEA结果：–Step2:排气管受热膨胀Step2:热应力40•FEA结果：–Step3:排气管冷却到室温300KStep3:热应力Step3:温度41•对冷却过程中的热应力进行疲劳分析–算法:双轴应力疲劳分析•主应力–平均应力修正:Goodman–材料•给出S-N曲线•S-N曲线对温度敏感–荷载•排气管冷却过程–Step2-Step3–设计寿命:107Fe-safe42•FE-Safe计算结果–排气管寿命43例题2活塞高温疲劳分析•复杂的应力历史–发动机满载和空载–热应力,惯性力,内压•热应力–Abaqus软件分析得到热应力化油器边缘的温度随时间变化曲线化油器边缘的热应力44•惯性荷载–Abaqus软件计算离心力的效应•内部气压荷载–利用Abaqus计算从点火到排气整个过程的内部气压产生的应力•应力组合–以上两种荷载不同比例叠加•疲劳算法–Brown-Miller算法，综合考虑剪应变和主应变45•材料疲劳性质受温度影响46•实验和计算结果比较–图形中可以看到计算与实验相吻合初始裂纹位置