1、MSC.Fatigue 一体化的疲劳寿命预测系统 目录 1. 疲劳寿命预测简介 2. 产品设计初期的疲劳优化 3. 无缝集成 4. MSC.Fatigue功能 应力 (全 ) 寿命 应变 (萌生 ) 寿命 虚拟应变片 裂纹扩展（断裂） 振动疲劳 多轴疲劳 焊接疲劳 轮毂疲劳 工具 5. MSC.Fatigue 应用案例 6. MSC.Fatigue 分析过程示例 7. MSC.Fatigue总结 8/30/2012 3 1. 疲劳寿命预测简介 什么是疲劳？ 疲劳或疲劳断裂 机件在低于材料屈服强度的循环应力作用下发生断裂的现象 疲劳失效难以预防，疲劳会造成很大的经济损失 机械零部件 80-90%
2、的 失效形式是疲劳 应力 分析只是结构寿命和可靠性分析的一部分，而不是全部 .评定结构寿命和提高产品的可靠性 需要 分析疲劳失效。 在 设计早期减少原型制作，降低开发成本 . 在设计阶段估计产品寿命，加快产品投放市场时间。 采用系统化方法评估产品寿命， 增强 耐久性，质量和性能。 提高产品的市场竞争力 为何 需要疲劳分析？ 耐久性评估流程 精确的部件模型 疲劳寿命预测 产品 精确的仿真计算 2. 产品设计初期的疲劳优化 虚拟实验和物理实验的“杠杆”作用 产品开发时间表 源自新（旧）虚拟样机的数据 源自新虚拟样机的数据 第一阶段修改 第二阶段修改产品设计初期的疲劳优化 产品开发时间表 优化后的产
3、品 成本优势 质量优势时间优势 优化后的部件寿命 疲劳寿命预测 壁厚 材料 寿命 missions) Node 979 寿命 (missions) Node 12453 方案 1 8mm 826M31 1 3148 方案 2 8mm 300M 3207 27605 方案 3 12mm 826M31 38300 28500 Node 979 Node 12453 目标寿命 = 12,000 missions 成功案例 : John Deere 客户 : 农业设备供应商 挑战 : 缩短耐久性设计过程 解决方案 : 在虚拟实验室中，重现耐久性试验 价值 : 在第一个物理样机建造之前，辨识危险位置 “
4、采用新方法 , 我们大量减少了物理样的数量，从以前的 34 个样机，减少为 1 个 Terry Ewanochko, 产品工程师 3. 无缝集成 几何& 有限元结果载荷和实验结果材料信息应力 (全 ) 寿命 应变 (萌生 ) 寿命 虚拟应变片 裂纹扩展（断裂） 振动疲劳 多轴疲劳 焊接疲劳 轮毂疲劳 工具 1500 -1500 12 0 Strain (uE)Time (seconds) DISPLAY OF SIGNAL: TEST101.DAC Strain Life Plot 605M30 Sf: 857 b: -0.067 Ef: 0.636 c: -0.579 1E-3 1E-2 1
5、E-1 Strain Amplitude (M/M) 1E0 1E1 1E2 1E3 1E4 1E5 1E6 1E7 1E8 Life (Reversals) 1E3 1E4 1E5 1E6 1 2 3 4 5 6 7 Cross Plot of Data : S61STRAIN1KT Life(Miles) Kt( )0 1574.7 -750.4 808.7 0 4.8548 Range uE X-Axis Mean uE Y-Axis Damage Z-Axis DAMAGE HISTOGRAM DISTRIBUTION FOR : TRACK05.DHH Maximum height
6、: 4.8548 Z Units : % 疲劳仿真 疲劳寿命云图灵敏度& 优化损伤分布MSC.Fatigue MSC.Fatigue 可以使用的各种分析结果 Method Disk Space CPU Time Hot spot detection before analysis Difficulties? Static Small Quick OK Realistic constraints, no dynamic effects Transient (Modal) Large Medium-Slow Difficult Mode selection MBD Modal Superposit
7、ion Medium Medium OK Modal Reduction Vibration (PSD) Medium Medium Difficult Assumptions of stationary, random loading 损伤 & 寿命 无缝集成 创建 系统Fatigue 应力 & 应变 部件察看 部件载荷 MSC.Nastran MSC.Marc MSC.Patran 材料信息 MSC.MVision 测试 MSC.Fatigue 产品寿命 ? MSC.ADAMS MSC.ADAMS MSC.ADAMS MSC.Nastran MSC.Patran 数据流 创建柔体部件模型
8、创建部件载荷历程 RPC 和 DAC 文件 系统级的部件应力 模态应力回复 系统级的部件疲劳寿命 疲劳寿命预测工具和有限元工具无缝集成 生成模态和应力形状 MD.Nastran 2. 创建应力形状 1. 计算 载荷历程 MSC.ADAMS 计算 & 显示寿命 或者损伤 DAC FES MNF MSC.Fatigue 4. MSC.Fatigue功能 全寿命分析 (S-N) 全寿命法，即通常所说的应力寿命法或 S-N方法，该方法并不严格区分裂纹产生和裂纹扩展，而是给出结构发生突然失效前的全寿命估计。 特色 雨流循环计数 名义应力修正 焊接结构 统计置信参数 Palmgren-Miner 线性损伤
9、 用户自定义循环 材料和部件的 S-N 表面条件 安全系数分析 多轴状态指示 应变 (萌生 ) 寿命（ E-N） 也叫初始裂纹寿命，采用先进的初始裂纹模型或应变寿命（ -N）模型，预测产品从初始工作状态到产生初始裂纹时的疲劳。应变寿命分析方法的特点为： 特色 循环应力应变模型 SWT & Morrow 平均 应力修正 Neuber等 弹塑性修正 疲劳失效概率（统计置信参数） 考虑温度修正 疲劳安全系数分析 表面条件 用户自定义的疲劳单位 双轴修正 Palmgren-Miner 线性损伤 s 1/2cycle 1cycle 1/2cycle 1cycle 1cycle 1/2cycle e St
10、rain e Time MSC Fatigue Fracture裂纹扩展 裂纹扩展寿命要根据有限元模型提供的结构应力分布，结构载荷的变化，以及材料的疲劳特性等条件，预测裂纹的扩展速率和时间。研究裂纹扩展常采用传统的线弹性断裂力学（ LEFM）。裂纹扩展法有以下特点： 特色 逐个循环地模拟 按时间顺序的雨流循环计数 多环境材料性质 Kitagawa 最小裂纹尺寸 门槛模拟 裂纹闭合和延迟 用户定义的循环 断裂韧性失效准则 表面和埋藏裂纹 修正的 Paris 定律 MSC. Fatigue 虚拟应变片 提取有限元结果，结合载荷随时间变化历程，为应变片创建响应时间历程 支持 多种形式的应变片（花）
11、单轴 , T, Delta和直角 叠层式片和平面片 用户自定义应变片 虚拟应变片 有限元模型 应变 虚拟应变片的价值 简化了有限元模型和物理模型的验证过程 便于： 获取难以测量位置处的信息 补充缺失数据和获得新数据 降低验证成本 测试数据用于疲劳分析 time Hub Strain time Hub Strain 物理应变片 虚拟应变片 多轴疲劳 预测结构在多轴应力状态下的疲劳寿命。与常用的单轴或比例载荷情况不同，多轴疲劳方法采用了非比例、多轴应力状态假设，并通过裂纹扩展法预估结构寿命，分析结构的安全系数。 多轴疲劳强调在非比例加载下的多轴应力应变状态 多轴应力状态下的塑性建模 四种临界面模型
12、（ Fatemi-Socie 等） 使用多轴雨流计数的 Wang-Brown方法 多轴安全系数分析 - Dang Van & McDiarmid 方法 损伤、寿命云纹图 . 损伤极坐标图 多轴疲劳分析实例 转向节多轴疲劳分析 焊接疲劳 焊接疲劳基于有限元分析结果，可预测两块金属板在焊接连接处的疲劳寿命。焊接方式包括点焊和缝焊。计算中将结构的点焊看作是连接两块金属板的刚性杆，或者用 CWELD单元来模拟点焊，缝焊用壳单元或者 CSEAM单元来模拟，而金属板用薄壳单元描述。该方法利用杆单元横截面所受的力和力矩来计算焊接处的应力，然后采用 S-N方法，完成结构的全寿命疲劳分析。 采用 Spot We
13、ld，可准确预测点焊的疲劳寿命，优化点焊的数量和大小，从而降低制造成本，增加产品 可靠性 。 热影响区域 焊脚 MSC.Fatigue 焊接疲劳 预测薄壁结构的疲劳寿命，例如：包括很多点焊和缝焊的车身 利用 MD Nastran和 MSC.ADAMS静力和动力结果 自动提取 点焊组 和焊缝线相邻的壳单元组 成功案例 : 减少点焊数目 客户 : 卡车供应商 挑战 : 将点焊数量减少 10%，提高驾驶室的生产效率，降低成本 解决方案 : 对客车驾驶室进行疲劳寿命计算 , 删除疲劳寿命最长的点焊，重新继续疲劳计算 价值 : 在确保当前结构耐久性不变的条件下，删除个点焊。每个驾驶室在装配线上节约 30
14、分钟 Volvo/Chalmers/nCode method Symmetric Non-symmetric Weld & structure Seam-weld FE model Volvo/Chalmers/nCode method E( i )E( j ) s he e t Bs he e t At Bt Ae f f e c t i ve t hr oa t , a Sheets and welds modelled predominantly with 4-node shells Sheets described by mean surfaces Thickness of weld elements equals effective throat, (or around 2 x sheet thickness) make it realistic Element length of about 5 mm Small radii not modelled 缝焊 和点 焊 疲 劳 求解引擎 30 增加焊缝根部和喉部的失效预测 增加新焊接类型：钎焊和激光焊 支持弯曲和拉伸 S-N曲线的插值 用户自定义弯曲比阀值，确定插值起点 快速求解器：支持多线程并行求解 完全支持 64 位求解器（ 64 位机器） 全新的 DT材料库界面 缝焊求解器支持新的载荷谱功能
