[轉(zhuǎn)載]常用結(jié)構(gòu)疲勞分析軟件的對比
2017-01-16 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
作者:Wakelyn
轉(zhuǎn)自:http://www.chinavib.com/thread-100335-1-1.html
結(jié)構(gòu)的疲勞破壞是其主要的失效形式,結(jié)構(gòu)的疲勞強度和疲勞壽命是進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計、強度校核的重要內(nèi)容。隨著計算機技術(shù)和有限元技術(shù)的發(fā)展,結(jié)構(gòu)疲勞分析方法在各個行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用,出現(xiàn)了多種疲勞分析軟件。常見的有:FE-Fatigue、FE-safe、MSC-Fatigue、Nsoft系列和WinLIFE
軟件。這些軟件分別由不同的公司推出,其中FE-Fatigue和Nsoft軟件是由英國的Ncode公司推出的;MSC-Fatigue軟件是由Ncode和MSC公司合作開發(fā)的疲勞分析軟件;FE-safe軟件是由英國的Safe
Technology公司開發(fā)的;WinLIFE軟件是由德國的Steinbeis
TZ交通中心開發(fā)的。從以上可以看出,可以認(rèn)為目前疲勞分析軟件主要提供商是Nsoft公司、Safe
Technology公司和Steinbeis
TZ交通中心這三個單位。所以,我們把對比的對象選擇為這三家單位的最新推出的疲勞軟件,分別為:Ncode ICE
filow系列的glyphwork、FE-safe 5.2版和WinLIFE 3.2版。疲勞分析軟件之間的差異主要表現(xiàn)在五個方面:操作、接口、可視化、功能和價錢。
疲勞分析軟件一般作為有限元軟件的后處理來進(jìn)行結(jié)構(gòu)的疲勞分析,需要把有限元的結(jié)果文件導(dǎo)入進(jìn)行分析,和目前廣泛使用的用限元軟件的良好匹配是很重要的;疲勞分析軟件是否能為工程師提供滿意的解決實際問題的工具是一個十分關(guān)心的問題。所以在這里主要對比的內(nèi)容是:接口和功能部分。操作和可視化也有所提及。至于價錢不在分析的范圍之內(nèi)。
1 三種軟件接口的比較
1.1 Nsoft軟件的接口
在Nsoft軟件中,可以直接將有限元元軟件的計算結(jié)果直接倒入到軟件中,并能直接讀出模型的材料和單元分組、以及應(yīng)力的信息。并可以將導(dǎo)入的文件顯示出來。
Nsoft軟件中,可以直接導(dǎo)入的有限元軟件及文件格式如下:
- Patran/nastran的文件形式.op2
- I-DEAS的文件形式.unv
- ANSYS的文件形式.rst
- Pro/Mechanica的文件形式.neu
-
ABAQUS的文件形式.fil
1.2 FE-safe 軟件的接口
FE-safe 軟件可以直接讀入有限元軟件的分析數(shù)據(jù),例如應(yīng)力、應(yīng)變和溫度等。
可以直接讀入的軟件的結(jié)果文件格式如下:
- ABAQUS軟件的格式為:.fil文件、.ode文件
- ANSYS軟件的格式為:.rst文件
- NASTRAN軟件的格式為:.f06文件、.op2文件
- Pro/Engineer軟件的格式為:.s01文件、s02文件等文件(應(yīng)力)
- .d01文件 (溫度)
-
SDRC I-DEAS軟件的格式為:.unv文件
1.3 WinLIFE 軟件的接口
WinLIFE 軟件的合作者是NASTRAN(MAS.visual NASTRAN4 Windows)和NE/NASTRAN。這兩個軟件是采用FEMAP作為前處理和后處理的。這就決定了WinLIFE所能識別的數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)。其他有限元程序如果使用了FEMAP,都可和WinLIFE進(jìn)行連接,不存在任何問題。
WinLIFE 3.2版軟件提供了和NASTRAN軟件、SDRC I-DEAS軟件的文件交換界面。但在該軟件的使用手冊中只提供了和NASTRAN軟件之間交互界面的安裝。
在NASTRAN軟件中安裝WinLIFE-menu,將NASTRAN軟件的有限元結(jié)果輸出為WinLIFE的輸入文件*.LST。
在這個輸入文件中包含了節(jié)點的編號和節(jié)點的應(yīng)力。
1.4 小結(jié)
從以上的內(nèi)容可以看出,前兩個軟件和其他通用有限元軟件的可以實現(xiàn)廣泛的匹配使用,并且可以直接使用有限元軟件的計算結(jié)果文件,可以在計算過程中實現(xiàn)自動搜索疲勞熱點部位和每一單元或節(jié)點的損傷,并實現(xiàn)疲勞計算結(jié)果的可視化。第三個軟件只能實現(xiàn)和Patran/Nastran的文件互換,需要人為動手實現(xiàn)有限元計算結(jié)果的導(dǎo)出。這對于軟件的廣泛應(yīng)用將是不利的。
2 功能的比較
2.1 材料數(shù)據(jù)庫的比較
高質(zhì)量的材料數(shù)據(jù)是進(jìn)行疲勞計算的根本保證。所以,各個疲勞軟件都提供了強大的材料數(shù)據(jù)庫。
2.1.1 nsoft軟件的材料數(shù)據(jù)庫
在nsoft軟件中包含150種鋼和鋁合金的材料數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包含的內(nèi)容有:一般信息、單調(diào)拉伸數(shù)據(jù)、應(yīng)變壽命和應(yīng)力壽命數(shù)據(jù)、斷裂力學(xué)數(shù)據(jù)和多軸疲勞的的數(shù)據(jù)。并且有專門的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)mdm,可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的加載、編輯、創(chuàng)建、刪除以及繪圖等的操作。
2.1.2 FE-safe軟件的材料數(shù)據(jù)庫
提供了常用材料鋼、鋁合金、體合金的疲勞性能數(shù)據(jù)。材料數(shù)據(jù)是根據(jù)其主要的使用環(huán)境來管理的。主要包含的材料疲勞性能有:一般數(shù)據(jù)信息、材料的說明、應(yīng)變壽命曲線數(shù)據(jù)、穩(wěn)態(tài)循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線、應(yīng)力壽命曲線、失效概率、蠕變等的數(shù)據(jù)。對于這些數(shù)據(jù)同樣可以進(jìn)行編輯、繪圖等的操作。
可以進(jìn)行材料參考文件的鏈接。例如一個材料測試報告,通過設(shè)定路徑可以建立鏈接來使用這些數(shù)據(jù)。并且可以建立網(wǎng)絡(luò)鏈接。
2.1.3 WinLIFE軟件的材料數(shù)據(jù)庫
對于WinLIFE材料數(shù)據(jù)庫的使用,需要安裝Borland數(shù)據(jù)庫引擎。材料數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容包括:材料的描述、單調(diào)拉伸性能、循環(huán)性能、循環(huán)測試環(huán)境、化學(xué)成分。可以將測試的材料數(shù)據(jù)導(dǎo)入到軟件中。也可以進(jìn)行繪圖、編輯等操作。
2.1.4 小結(jié)
從材料數(shù)據(jù)庫方面來看,這三個軟件中的前兩個軟件無論是在疲勞數(shù)據(jù)的管理還是包含的材料信息方面都比最后一個軟件要強。但前兩個軟件是由英國推出的、最后一個軟件是由德國推出的,所使用的材料的牌號都是本國的或是一些組織的牌號,如SAE的牌號。如果是中國用戶使用的話,這些數(shù)據(jù)庫所提供的材料參數(shù)的利用率就會大打折扣。
這三個數(shù)據(jù)庫中所包含的材料性能數(shù)據(jù)不完全相同。主要是因為這些軟件在功能上的不完全相同。WinLIFE軟件不考慮溫度和腐蝕環(huán)境對疲勞影響的情況,并且不包含線彈性斷裂力學(xué)的分析部分,所以在數(shù)據(jù)庫中就沒有這方面的數(shù)據(jù)。
2.2 S-N曲線的產(chǎn)生方法和修正方法的比較
材料數(shù)據(jù)庫中所給出的材料或進(jìn)行實際測試的材料的S-N曲線數(shù)據(jù)是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的光滑試件在對稱橫幅循環(huán)載荷下得到的。但在實際的結(jié)構(gòu)中很難找到和標(biāo)準(zhǔn)試件完全相同的形狀和使用環(huán)境的情況。實際的結(jié)構(gòu)一般不是光滑試件,應(yīng)力比也不是-1,尺寸大小也不盡相同,表面狀態(tài)、載荷形式、加載頻率也差異很大。如果要在實際的結(jié)構(gòu)中使用材料的S-N曲線,就必須進(jìn)行這些修正。
對于沒有可用S-N曲線的材料,需要進(jìn)行疲勞壽命的計算時,一般通過靜強度的材料參數(shù)來估算S-N曲線。估算的方法和采用的材料參數(shù),三個軟件不盡相同。
本節(jié)主要對S-N曲線的估算方法和修正方法進(jìn)行比較。
2.2.1 S-N曲線的估算方法的比較
2.2.1.1 Nsoft軟件的S-N曲線估算方法
近似S-N曲線的產(chǎn)生僅僅依賴于極限拉伸強度,UTS。產(chǎn)生的方式如下表:
循環(huán) 應(yīng)力
鐵合金(鋼) 1 1.0 X UTS
1000 0.9 X UTS
1000000 0.357 X UTS
鈦合金 1 1 X UTS
1000 0.8 X UTS
1000000 0.307 X UTS
鋁合金 1 1 X UTS
1000 0.7 X UTS
1000000 0.258 X UTS
其他合金 1 1 X UTS
1000 0.8 X UTS
1000000 0.274 X UTS
在軟件的操作中只需要輸入兩個參數(shù):材料的類型(鋼、鋁、鈦、其他)和材料的拉伸強度極限,就可以得到材料的S-N曲線數(shù)據(jù)。
2.2.1.2 FE-safe軟件的S-N曲線估算方法
這個軟件認(rèn)為S-N曲線近似等于局部應(yīng)力應(yīng)變法中的彈性部分:
斜率 和 可以通過coffin-manson關(guān)系式的估算得到。
對于coffin-manson關(guān)系式的估算,該軟件把材料分為五種類型:鋼(脆性)、鋼(延性)、鋁合金(脆性)、鋁合金(延性)、鈦合金。
需要輸入的參數(shù)包括:材料類型、材料的拉伸極限強度和材料的彈性模量。
至于,coffin-manson關(guān)系式的估算在后面的局部應(yīng)力應(yīng)變法的計算中將會給出相應(yīng)的計算方法。
2.2.1.3 WinLIFE軟件的S-N曲線估算方法
該軟件提供了三種S-N曲線的估算方法:Hauck方法、Haibach方法和FKM方法。這些方法和修正方法混合在一起不好區(qū)分。
該三種方法在用戶手冊中沒有詳細(xì)的講出,具體的計算方法和計算過程不是很明確。
2.2.2.4 小結(jié)
三個軟件采用了不同的方法給出近似的S-N曲線。存在的問題是:這三個軟件給出的方法那個更好,需要進(jìn)行分析;FE-safe軟件給出的S-N曲線有很大的局限性;沒有明確的給出這些方法是如何確定S-N曲線的疲勞強度的。
FE-safe軟件給出的S-N曲線,僅適用于疲勞壽命在 之間的結(jié)構(gòu)的疲勞壽命計算。如果疲勞壽命小于 的話,計算將存在很大的誤差。
2.2.2 S-N曲線的修正方法的比較
由材料的S-N曲線到結(jié)構(gòu)的S-N曲線一般需要進(jìn)行修正。需要進(jìn)行的修正包括:應(yīng)力集中(理論應(yīng)力集中系數(shù)、疲勞強度縮減系數(shù))、尺寸大小、機械加工粗糙度、表面熱處理(滲碳、滲氮、表面淬火等)、表面的冷處理(滾壓、噴丸、擠壓等)、載荷類型(拉壓、剪、扭、彎)、加載頻率、加載波形、平均應(yīng)力等。一般認(rèn)為加載頻率和加載波形的影響很小,可以不考慮。
2.2.2.1 Nsoft軟件的S-N曲線修正方法
2.2.1.2 FE-safe軟件的S-N曲線修正方法
2.2.2.3 WinLIFE軟件的S-N曲線修正方法
2.3.1 Nsoft軟件的S-N曲線方法
Nsoft軟件的S-N曲線方法采用的是線性方法,即有限元分析為線彈性分析。疲勞分析所采用的載荷和有限元分析中的載荷成一定的比例;疲勞分析所采用的應(yīng)力等于有限元分析的應(yīng)力乘以疲勞載荷和有限元分析載荷的比值。然后按照一定的準(zhǔn)則分析節(jié)點應(yīng)力、單元應(yīng)力。這些準(zhǔn)則包括:最大應(yīng)力準(zhǔn)則、最大應(yīng)變準(zhǔn)則、mises準(zhǔn)則、trseca準(zhǔn)則等??梢赃M(jìn)行單元的上表面、下表面和中面的疲勞分析。
對于進(jìn)行了非線性分析的有限元模型,按照這樣的計算將會得不到預(yù)定的要求的。
對于隨機載荷的處理需要進(jìn)行工作是:把隨機載荷化簡為恒幅載荷來處理。這就需要考慮材料的記憶效應(yīng)。常用的而且已經(jīng)被證明是有效的方法是通過雨流計數(shù)方法。通過雨流計數(shù)法后的數(shù)據(jù)一般不是均值為零的恒幅循環(huán),所以還需要進(jìn)行平均應(yīng)力的修正。
該軟件所采用的雨流計數(shù)方法為:四點雨流計數(shù)法,采用的ASTM的方法
平均應(yīng)力修正:Goodman、Gerber
所采用的累積損傷理論為:線性累積損傷理論
2.3.2 FE-safe軟件的S-N曲線方法
和Nsoft軟件的理論基本相同。
2.3.3 WinLIFE軟件的S-N曲線方法
WinLIFE軟件的S-N曲線方法不同于前兩個軟件的方法。它把S-N曲線方法分為兩種:名義應(yīng)力法和局部應(yīng)力法。名義應(yīng)力法需要考慮應(yīng)力集中系數(shù)的選取,局部應(yīng)力法不用考慮應(yīng)力集中系數(shù)的影響。其中局部應(yīng)力法和前兩個軟件的方法相似。
因為這個軟件在進(jìn)行疲勞分析的時候可以選擇的導(dǎo)入有限元軟件的計算結(jié)果,所以可以進(jìn)行名義應(yīng)力法的計算。這個方法和傳統(tǒng)的疲勞計算方法是一樣的。在其中的一些常用的應(yīng)力集中系數(shù)的選擇方面,該軟件還提供了簡單的計算。
在對隨機載荷進(jìn)行處理的時候,該軟件雖然采用了四點雨流計數(shù)法,但它的雨流計數(shù)方法給出的結(jié)果不同于前兩個軟件。它給出的是載荷開始點,載荷結(jié)束點和數(shù)量組成的雨流矩陣。這樣的做法必須給載荷進(jìn)行分組。得到的只是一種近似的方法。
平均應(yīng)力修正:Goodman、Gerber
所采用的累積損傷理論為:線性累積損傷理論
2.4 局部應(yīng)力應(yīng)變法的比較
2.4.1 疲勞性能參數(shù)的估計方法的比較
獲得材料 曲線的最好辦法是進(jìn)行控制應(yīng)變下的疲勞試驗。在無試驗數(shù)據(jù)的情況下可利用材料的靜拉伸性能來估算。常用的估算方法有:通用斜率法、四點關(guān)聯(lián)法、Socie法、Seeger法等。不同的軟件采用了不同的方法。通用斜率法、四點關(guān)聯(lián)法、Socie法相比,四點關(guān)聯(lián)法是最好的方法。
2.4.1.1 Nsoft軟件的疲勞性能參數(shù)的估計方法
根據(jù)的是Baumel 和 Seeger 提出的方法。這種方法目前的使用范圍被限制在低碳鋼、中低合金鋼、鋁合金和鈦合金。
鋼 鋁/鈦合金
-0.087 -0.095
0.35
-0.58 -0.69
0.15 0.11
2.4.1.2 FE-safe軟件的疲勞性能參數(shù)的估計方法
該軟件所采用的方法和Nsoft軟件的方法相同。
2.4.1.3 WinLIFE軟件的疲勞性能參數(shù)的估計方法
沒有明確指出所采用的方法,但它的輸入?yún)?shù)也是拉伸強度極限和彈性模量。所以采用的方法可能是Socie法,也可能是Seeger法。不可能是通用斜率法或四點關(guān)聯(lián)法。因為這兩種方法都需要材料的斷口收縮率。
2.4.2 計算方法
對于完全依賴有限元軟件計算結(jié)果的軟件,一般都根據(jù)的是線彈性理論。認(rèn)為載荷和應(yīng)力、應(yīng)變之間是線性關(guān)系的。所以在計算應(yīng)變疲勞壽命的時候,根據(jù)這種線性關(guān)系直接就可以得到應(yīng)力時間歷程和應(yīng)變時間歷程。采用雨流計數(shù)方法考慮材料的記憶效應(yīng)。根據(jù)線性累積損傷理論進(jìn)行疲勞壽命的計算。其中Nsoft軟件和FE-safe軟件的局部應(yīng)力應(yīng)變計算方法都是采用這種方法的。
對于WinLIFE軟件,它可以采用以上的方法進(jìn)行局部應(yīng)力應(yīng)變法的計算,也可以采用Neuber方法進(jìn)行計算。對于采用Neuber方法進(jìn)行計算,需要解決的問題是:怎樣將名義應(yīng)力時間歷程轉(zhuǎn)化為局部的應(yīng)力時間歷程。采用雨流計數(shù)法來考慮這個問題的時,需要記錄應(yīng)力幅值的開始和結(jié)束應(yīng)力。這在大的載荷譜的情況下是很麻煩的。這個軟件的雨流計數(shù)方法可以解決這個問題。
所以,根據(jù)這種完全的線性的線性的方法,在材料已經(jīng)達(dá)到非線性的情況下有可能高估了應(yīng)力和應(yīng)變,給出的結(jié)果將會偏于保守。
2.1 材料數(shù)據(jù)庫的比較
高質(zhì)量的材料數(shù)據(jù)是進(jìn)行疲勞計算的根本保證。所以,各個疲勞軟件都提供了強大的材料數(shù)據(jù)庫。
2.1.1 nsoft軟件的材料數(shù)據(jù)庫
在nsoft軟件中包含150種鋼和鋁合金的材料數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包含的內(nèi)容有:一般信息、單調(diào)拉伸數(shù)據(jù)、應(yīng)變壽命和應(yīng)力壽命數(shù)據(jù)、斷裂力學(xué)數(shù)據(jù)和多軸疲勞的的數(shù)據(jù)。并且有專門的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)mdm,可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的加載、編輯、創(chuàng)建、刪除以及繪圖等的操作。
2.1.2 FE-safe軟件的材料數(shù)據(jù)庫
提供了常用材料鋼、鋁合金、體合金的疲勞性能數(shù)據(jù)。材料數(shù)據(jù)是根據(jù)其主要的使用環(huán)境來管理的。主要包含的材料疲勞性能有:一般數(shù)據(jù)信息、材料的說明、應(yīng)變壽命曲線數(shù)據(jù)、穩(wěn)態(tài)循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線、應(yīng)力壽命曲線、失效概率、蠕變等的數(shù)據(jù)。對于這些數(shù)據(jù)同樣可以進(jìn)行編輯、繪圖等的操作。
可以進(jìn)行材料參考文件的鏈接。例如一個材料測試報告,通過設(shè)定路徑可以建立鏈接來使用這些數(shù)據(jù)。并且可以建立網(wǎng)絡(luò)鏈接。
2.1.3 WinLIFE軟件的材料數(shù)據(jù)庫
對于WinLIFE材料數(shù)據(jù)庫的使用,需要安裝Borland數(shù)據(jù)庫引擎。材料數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容包括:材料的描述、單調(diào)拉伸性能、循環(huán)性能、循環(huán)測試環(huán)境、化學(xué)成分。可以將測試的材料數(shù)據(jù)導(dǎo)入到軟件中。也可以進(jìn)行繪圖、編輯等操作。
2.1.4 小結(jié)
從材料數(shù)據(jù)庫方面來看,這三個軟件中的前兩個軟件無論是在疲勞數(shù)據(jù)的管理還是包含的材料信息方面都比最后一個軟件要強。但前兩個軟件是由英國推出的、最后一個軟件是由德國推出的,所使用的材料的牌號都是本國的或是一些組織的牌號,如SAE的牌號。如果是中國用戶使用的話,這些數(shù)據(jù)庫所提供的材料參數(shù)的利用率就會大打折扣。
這三個數(shù)據(jù)庫中所包含的材料性能數(shù)據(jù)不完全相同。主要是因為這些軟件在功能上的不完全相同。WinLIFE軟件不考慮溫度和腐蝕環(huán)境對疲勞影響的情況,并且不包含線彈性斷裂力學(xué)的分析部分,所以在數(shù)據(jù)庫中就沒有這方面的數(shù)據(jù)。
2.2 S-N曲線的產(chǎn)生方法和修正方法的比較
材料數(shù)據(jù)庫中所給出的材料或進(jìn)行實際測試的材料的S-N曲線數(shù)據(jù)是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的光滑試件在對稱橫幅循環(huán)載荷下得到的。但在實際的結(jié)構(gòu)中很難找到和標(biāo)準(zhǔn)試件完全相同的形狀和使用環(huán)境的情況。實際的結(jié)構(gòu)一般不是光滑試件,應(yīng)力比也不是-1,尺寸大小也不盡相同,表面狀態(tài)、載荷形式、加載頻率也差異很大。如果要在實際的結(jié)構(gòu)中使用材料的S-N曲線,就必須進(jìn)行這些修正。
對于沒有可用S-N曲線的材料,需要進(jìn)行疲勞壽命的計算時,一般通過靜強度的材料參數(shù)來估算S-N曲線。估算的方法和采用的材料參數(shù),三個軟件不盡相同。
本節(jié)主要對S-N曲線的估算方法和修正方法進(jìn)行比較。
2.2.1 S-N曲線的估算方法的比較
2.2.1.1 Nsoft軟件的S-N曲線估算方法
近似S-N曲線的產(chǎn)生僅僅依賴于極限拉伸強度,UTS。產(chǎn)生的方式如下表:
循環(huán) 應(yīng)力
鐵合金(鋼) 1 1.0 X UTS
1000 0.9 X UTS
1000000 0.357 X UTS
鈦合金 1 1 X UTS
1000 0.8 X UTS
1000000 0.307 X UTS
鋁合金 1 1 X UTS
1000 0.7 X UTS
1000000 0.258 X UTS
其他合金 1 1 X UTS
1000 0.8 X UTS
1000000 0.274 X UTS
在軟件的操作中只需要輸入兩個參數(shù):材料的類型(鋼、鋁、鈦、其他)和材料的拉伸強度極限,就可以得到材料的S-N曲線數(shù)據(jù)。
2.2.1.2 FE-safe軟件的S-N曲線估算方法
這個軟件認(rèn)為S-N曲線近似等于局部應(yīng)力應(yīng)變法中的彈性部分:
斜率 和 可以通過coffin-manson關(guān)系式的估算得到。
對于coffin-manson關(guān)系式的估算,該軟件把材料分為五種類型:鋼(脆性)、鋼(延性)、鋁合金(脆性)、鋁合金(延性)、鈦合金。
需要輸入的參數(shù)包括:材料類型、材料的拉伸極限強度和材料的彈性模量。
至于,coffin-manson關(guān)系式的估算在后面的局部應(yīng)力應(yīng)變法的計算中將會給出相應(yīng)的計算方法。
2.2.1.3 WinLIFE軟件的S-N曲線估算方法
該軟件提供了三種S-N曲線的估算方法:Hauck方法、Haibach方法和FKM方法。這些方法和修正方法混合在一起不好區(qū)分。
該三種方法在用戶手冊中沒有詳細(xì)的講出,具體的計算方法和計算過程不是很明確。
2.2.2.4 小結(jié)
三個軟件采用了不同的方法給出近似的S-N曲線。存在的問題是:這三個軟件給出的方法那個更好,需要進(jìn)行分析;FE-safe軟件給出的S-N曲線有很大的局限性;沒有明確的給出這些方法是如何確定S-N曲線的疲勞強度的。
FE-safe軟件給出的S-N曲線,僅適用于疲勞壽命在 之間的結(jié)構(gòu)的疲勞壽命計算。如果疲勞壽命小于 的話,計算將存在很大的誤差。
2.2.2 S-N曲線的修正方法的比較
由材料的S-N曲線到結(jié)構(gòu)的S-N曲線一般需要進(jìn)行修正。需要進(jìn)行的修正包括:應(yīng)力集中(理論應(yīng)力集中系數(shù)、疲勞強度縮減系數(shù))、尺寸大小、機械加工粗糙度、表面熱處理(滲碳、滲氮、表面淬火等)、表面的冷處理(滾壓、噴丸、擠壓等)、載荷類型(拉壓、剪、扭、彎)、加載頻率、加載波形、平均應(yīng)力等。一般認(rèn)為加載頻率和加載波形的影響很小,可以不考慮。
2.2.2.1 Nsoft軟件的S-N曲線修正方法
- 提供的修正系數(shù)包括
- 疲勞強度縮減系數(shù) ,用戶設(shè)定
- 表面狀況,包括的內(nèi)容有:no finish、Ground、Good machined、Average machined、Poor machined、hot rooled、forged、Cast、Water corroded、seawater corroded、user defined、unchanged。
- 表面處理,包括:不進(jìn)行處理、氮化處理、冷滾壓處理、噴丸處理
- 尺度系數(shù),用戶設(shè)定
- 偏移量:用戶設(shè)定,用于施加表面殘余壓應(yīng)力
-
小循環(huán)修正:haibach
2.2.1.2 FE-safe軟件的S-N曲線修正方法
- 提供了以下的修正系數(shù):
- 表面狀況
- 表面處理
-
殘余應(yīng)力
2.2.2.3 WinLIFE軟件的S-N曲線修正方法
- 一條完整的S-N曲線的產(chǎn)生需要輸入以下的參數(shù)
- 材料類型:鋼、鑄鐵、灰鐵等
- 計算模型:Hauck、Habach、FKM
- 載荷類型:拉壓、彎、扭、剪
- 處理:沒有處理,滾壓/鍛造
- 拉伸強度
- 屈服強度極限
- 應(yīng)力梯度
- 應(yīng)力集中系數(shù)
- 表面粗糙深度
-
安全系數(shù)
2.3.1 Nsoft軟件的S-N曲線方法
Nsoft軟件的S-N曲線方法采用的是線性方法,即有限元分析為線彈性分析。疲勞分析所采用的載荷和有限元分析中的載荷成一定的比例;疲勞分析所采用的應(yīng)力等于有限元分析的應(yīng)力乘以疲勞載荷和有限元分析載荷的比值。然后按照一定的準(zhǔn)則分析節(jié)點應(yīng)力、單元應(yīng)力。這些準(zhǔn)則包括:最大應(yīng)力準(zhǔn)則、最大應(yīng)變準(zhǔn)則、mises準(zhǔn)則、trseca準(zhǔn)則等??梢赃M(jìn)行單元的上表面、下表面和中面的疲勞分析。
對于進(jìn)行了非線性分析的有限元模型,按照這樣的計算將會得不到預(yù)定的要求的。
對于隨機載荷的處理需要進(jìn)行工作是:把隨機載荷化簡為恒幅載荷來處理。這就需要考慮材料的記憶效應(yīng)。常用的而且已經(jīng)被證明是有效的方法是通過雨流計數(shù)方法。通過雨流計數(shù)法后的數(shù)據(jù)一般不是均值為零的恒幅循環(huán),所以還需要進(jìn)行平均應(yīng)力的修正。
該軟件所采用的雨流計數(shù)方法為:四點雨流計數(shù)法,采用的ASTM的方法
平均應(yīng)力修正:Goodman、Gerber
所采用的累積損傷理論為:線性累積損傷理論
2.3.2 FE-safe軟件的S-N曲線方法
和Nsoft軟件的理論基本相同。
2.3.3 WinLIFE軟件的S-N曲線方法
WinLIFE軟件的S-N曲線方法不同于前兩個軟件的方法。它把S-N曲線方法分為兩種:名義應(yīng)力法和局部應(yīng)力法。名義應(yīng)力法需要考慮應(yīng)力集中系數(shù)的選取,局部應(yīng)力法不用考慮應(yīng)力集中系數(shù)的影響。其中局部應(yīng)力法和前兩個軟件的方法相似。
因為這個軟件在進(jìn)行疲勞分析的時候可以選擇的導(dǎo)入有限元軟件的計算結(jié)果,所以可以進(jìn)行名義應(yīng)力法的計算。這個方法和傳統(tǒng)的疲勞計算方法是一樣的。在其中的一些常用的應(yīng)力集中系數(shù)的選擇方面,該軟件還提供了簡單的計算。
在對隨機載荷進(jìn)行處理的時候,該軟件雖然采用了四點雨流計數(shù)法,但它的雨流計數(shù)方法給出的結(jié)果不同于前兩個軟件。它給出的是載荷開始點,載荷結(jié)束點和數(shù)量組成的雨流矩陣。這樣的做法必須給載荷進(jìn)行分組。得到的只是一種近似的方法。
平均應(yīng)力修正:Goodman、Gerber
所采用的累積損傷理論為:線性累積損傷理論
2.4 局部應(yīng)力應(yīng)變法的比較
2.4.1 疲勞性能參數(shù)的估計方法的比較
獲得材料 曲線的最好辦法是進(jìn)行控制應(yīng)變下的疲勞試驗。在無試驗數(shù)據(jù)的情況下可利用材料的靜拉伸性能來估算。常用的估算方法有:通用斜率法、四點關(guān)聯(lián)法、Socie法、Seeger法等。不同的軟件采用了不同的方法。通用斜率法、四點關(guān)聯(lián)法、Socie法相比,四點關(guān)聯(lián)法是最好的方法。
2.4.1.1 Nsoft軟件的疲勞性能參數(shù)的估計方法
根據(jù)的是Baumel 和 Seeger 提出的方法。這種方法目前的使用范圍被限制在低碳鋼、中低合金鋼、鋁合金和鈦合金。
鋼 鋁/鈦合金
-0.087 -0.095
0.35
-0.58 -0.69
0.15 0.11
2.4.1.2 FE-safe軟件的疲勞性能參數(shù)的估計方法
該軟件所采用的方法和Nsoft軟件的方法相同。
2.4.1.3 WinLIFE軟件的疲勞性能參數(shù)的估計方法
沒有明確指出所采用的方法,但它的輸入?yún)?shù)也是拉伸強度極限和彈性模量。所以采用的方法可能是Socie法,也可能是Seeger法。不可能是通用斜率法或四點關(guān)聯(lián)法。因為這兩種方法都需要材料的斷口收縮率。
2.4.2 計算方法
對于完全依賴有限元軟件計算結(jié)果的軟件,一般都根據(jù)的是線彈性理論。認(rèn)為載荷和應(yīng)力、應(yīng)變之間是線性關(guān)系的。所以在計算應(yīng)變疲勞壽命的時候,根據(jù)這種線性關(guān)系直接就可以得到應(yīng)力時間歷程和應(yīng)變時間歷程。采用雨流計數(shù)方法考慮材料的記憶效應(yīng)。根據(jù)線性累積損傷理論進(jìn)行疲勞壽命的計算。其中Nsoft軟件和FE-safe軟件的局部應(yīng)力應(yīng)變計算方法都是采用這種方法的。
對于WinLIFE軟件,它可以采用以上的方法進(jìn)行局部應(yīng)力應(yīng)變法的計算,也可以采用Neuber方法進(jìn)行計算。對于采用Neuber方法進(jìn)行計算,需要解決的問題是:怎樣將名義應(yīng)力時間歷程轉(zhuǎn)化為局部的應(yīng)力時間歷程。采用雨流計數(shù)法來考慮這個問題的時,需要記錄應(yīng)力幅值的開始和結(jié)束應(yīng)力。這在大的載荷譜的情況下是很麻煩的。這個軟件的雨流計數(shù)方法可以解決這個問題。
所以,根據(jù)這種完全的線性的線性的方法,在材料已經(jīng)達(dá)到非線性的情況下有可能高估了應(yīng)力和應(yīng)變,給出的結(jié)果將會偏于保守。
2.5 雙軸疲勞和多軸疲勞計算方法的比較 一般情況下,把多軸疲勞的問題當(dāng)作單軸疲勞問題來處理會得到偏于保守的結(jié)果。所以,疲勞軟件都提供了用于計算多軸疲勞的模塊。多軸疲勞是指疲勞損傷發(fā)生在多軸應(yīng)力狀態(tài)下,即兩個或三個主應(yīng)力(主應(yīng)變)的方向和幅度隨時間變化。Nsoft軟件和WinLIFE軟件把這個功能分為雙軸疲勞和多軸疲勞,FE-safe軟件只提到了多皺疲勞。 多軸疲勞可以分為比例加載和非比例加載。在比例加載的情況下主要的模型有:最大主應(yīng)力、Von Mises應(yīng)力、最大切應(yīng)力、Gough和Sines模型。非比例加載情況下的模型有:Findley和McDiarmid模型。 在這三個軟件里面這些計算的方法是基本相同的。 2.6 焊接結(jié)構(gòu)疲勞計算方法的比較 焊接結(jié)構(gòu)是工程中常見的一種形式。由于焊接會產(chǎn)生應(yīng)力集中、焊接缺陷和殘余應(yīng)力,使結(jié)構(gòu)的疲勞強度降低。焊接根據(jù)不同的分類方式可以分為多種形式,在軟件中分為了縫焊和點焊??p焊包含的類型比較多,常見的對接焊、搭焊等都是縫焊。點焊一般用于焊接汽車外殼。 2.6.1 縫焊 這三個軟件都可以進(jìn)行縫焊的分析。但是所根據(jù)的理論有所不同。在這一方面,Nsoft軟件和幾個企業(yè)進(jìn)行過合作研究。在進(jìn)行這一方面的疲勞分析時,這個軟件可能要好一點。 2.6.2 點焊 只有Nsoft軟件可以進(jìn)行點焊的分析。這個功能已經(jīng)被廣泛用于汽車整個車體的疲勞評估。 2.7 對于載荷信號的產(chǎn)生處理能力的比較 Nsoft軟件和FE-safe軟件都有載荷信號的產(chǎn)生和處理功能。可以在軟件中直接給需要進(jìn)行疲勞分析的有限元計算結(jié)果加正弦、余弦、三角形波等比較標(biāo)準(zhǔn)的載荷形式。也可以對載荷信號進(jìn)行除了雨流計數(shù)法以外的多種計數(shù)處理。雖然這些計數(shù)方式已經(jīng)不經(jīng)常使用了,但ASTM的計數(shù)法標(biāo)準(zhǔn)中仍然包括這些方法。對于WinLIFE軟件只包含了一個雨流計數(shù)處理方法。 以下2.8、2.9、2.10三個比較范圍不是疲勞分析軟件的重點部分。 2.8 熱疲勞的計算 在進(jìn)行一些受熱部件的疲勞分析時,需要考慮熱疲勞的影響,像發(fā)動機的活塞、氣缸等。FE-safe軟件有專門的模塊來進(jìn)行疲勞分析。Nsoft軟件也可以進(jìn)行這一方面的分析,但功能沒有前一個軟件強大。WinLIFE軟件不能進(jìn)行這一方面的分析。 2.9 頻域疲勞計算功能的比較 一般通過應(yīng)力(應(yīng)變)時間歷程進(jìn)行的疲勞計算,可以認(rèn)為是時域的疲勞計算。對于有些隨機載荷,一般很難知道它隨時間的變化情況,但功率譜密度可以很容易的獲得。這種疲勞問題可以在頻域范圍內(nèi)很容易結(jié)局。一般這種方法主要用來處理振動疲勞問題。 Nsoft軟件和FE-safe軟件可以進(jìn)行這一方面的工作。WinLIFE沒有這一方面的功能。 2.10 斷裂力學(xué)方法的比較 一個完整的結(jié)構(gòu)疲勞過程可以分為:裂紋的萌生和擴展。裂紋的萌生可以通過局部應(yīng)力應(yīng)變法來計算。裂紋的擴展采用斷裂力學(xué)的方法來計算。計算裂紋擴展比較成熟的方法是線彈性斷裂力學(xué)方法。 Nsoft軟件和FE-safe軟件提供了簡單的線彈性斷裂力學(xué)模塊。WinLIFE沒有這一方面的功能。 2.11 特有的功能模塊 對于Nsoft軟件和FE-safe軟件的功能上面的敘述已經(jīng)基本上全部包括了。對于WinLIFE軟件還有一個重要的模塊沒有介紹過。這個模塊就是:齒輪和軸承模塊??上н@個模塊只有德語的說明。由于看不懂德語,對這個模塊不是很了解。也許這個模塊可以對計算齒輪和軸承的接觸疲勞有很大的幫助。 3 操作和可視化的比較 從操作的方便性和可視化方面來考慮這些軟件,可以認(rèn)為存在這樣的順序:Nsoft軟件、FE-safe軟件、WinLIFE軟件。 4 結(jié)論和建議 從上面幾個方面的考察可以得出以下的結(jié)論: 1、Nosoft軟件和FE-safe軟件的功能相差不大。主要的差距在于沒有點焊的疲勞分析計算功能; 2、WinLIFE軟件有自己的獨特之處,它在S-N曲線的估算方面有一定的優(yōu)勢,但雨流計數(shù)法的準(zhǔn)確程度卻依賴于一些參數(shù)的設(shè)定; 3、WinLIFE軟件在借口方面比較單一,而且不能分析完整的和比較大的結(jié)構(gòu)的疲勞 4、WinLIFE軟件不能在軟件中顯示疲勞計算后的結(jié)果,可視化比較差。 |
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