fe-safe軟件基礎(chǔ)培訓(xùn)資料02第二天培訓(xùn)內(nèi)容Fe-safe有限元分析流程演示講解一個有限元模型的疲勞分析計算流程，主要內(nèi)容包括有限元結(jié)果讀入、載荷歷程定義、材料定義、算法指定、結(jié)果輸出與查看等內(nèi)容。實(shí)例圖示為在其中心位置開有一圓孔的薄板，薄板一端固定，另一端承受在1個工作循環(huán)內(nèi)承受P=50Mpa、-50Mpa、50Mpa交替變化的動壓力，試用ANSYS+fe-safe軟件計算：（1）該薄板能工作多少次循環(huán)？（2）若要使該薄板經(jīng)過10E7次循環(huán)不破壞，則載荷應(yīng)如何進(jìn)行比例縮放？已知參數(shù)為：薄板長L=1m、高H=0.5m、厚T=0.005m、圓孔半徑R=0.13m、拉應(yīng)力P=50MPa；薄板為鋼材，其材料牌號為SAE-950C-Manten，彈性模量E=2.03×1011Pa、泊松比ν=0.3、密度ρ=7850kg/m3。分析步驟1：先在ANSYS環(huán)境，施加50Mpa載荷作一個靜力分析；見文件fatigue01.txt。分析步驟2：在fe-safe環(huán)境，打開有限元模型（file.rst）、定義載荷歷程比例數(shù)據(jù)為：1、-1、1，指定材料（SAE-950C-Manten）、算法（Brown-Miller/finitelife/morrow）、結(jié)果輸出(指定fos輸出)等后進(jìn)行相關(guān)計算。計算結(jié)果：最大主應(yīng)力為222Mpa；最小壽命對數(shù)為6.412（壽命為2.58E6個循環(huán)）；規(guī)定壽命下的載荷因子為0.85。見下圖圖1薄板受力示意圖薄板主應(yīng)力計算結(jié)果薄板疲勞壽命計算結(jié)果薄板強(qiáng)度因子(FOS)計算結(jié)果學(xué)員練習(xí)從上述計算過程可以看出，在fe-safe中進(jìn)行有限元模型的疲勞分析要涉及如下工作內(nèi)容：讀入有限元計算結(jié)果；指定載荷歷程；指定模型材料、指定其它分析選項等。具體內(nèi)容將在后續(xù)講解。軟件功能與界面模塊介紹含fe-safe（含safe4fatigue）、safe4fatigue、fe-safe/TMF、fe-safe/TURBOlife、VerityTMinfe-safe等模塊。后三者需要獨(dú)立的License。Safe4fatigue是根據(jù)測試得到的應(yīng)變信號、峰/谷文件、循環(huán)柱狀圖等進(jìn)行高級疲勞分析、信號處理的集成系統(tǒng)軟件。信號處理功能包括：幅值分析、頻域分析、信號過濾計算結(jié)果包括：疲勞壽命和疲勞損傷柱狀圖、疲勞壽命和疲勞損傷密度圖、應(yīng)力-應(yīng)變遲滯循環(huán)圖、疲勞損傷圖等應(yīng)用領(lǐng)域：汽車、航天器的有效性驗(yàn)證；路載分析；在線疲勞分析、快速樣機(jī)測試和建筑工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測等。含有材料庫。fe-safe/TMF是熱力機(jī)械疲勞分析模塊，可用于受不斷變化的溫度、應(yīng)力作用下的部件（如活塞、動力件）的有限元疲勞壽命、設(shè)計壽命分析。可考慮應(yīng)力松弛、應(yīng)變累加、循環(huán)應(yīng)變速率、不同相的溫度/應(yīng)力引起的損傷變化等。fe-safe/ROTATE利用旋轉(zhuǎn)件的軸對稱性，從一個靜力有限元載荷步定義旋轉(zhuǎn)件轉(zhuǎn)動一周時的載荷情況，加速旋轉(zhuǎn)件疲勞分析的速度。特別適用于軸對稱結(jié)構(gòu)（如齒輪、軸承）、部分軸對稱結(jié)構(gòu)（如曲柄）等旋轉(zhuǎn)件。只有ANSYS、ABAQUS、二進(jìn)制結(jié)果文件可用。fe-safe/TURBOlife評估蠕變損傷、蠕變/疲勞共同作用的損傷等，主要用于：核能設(shè)備、電廠鍋爐、氣輪機(jī)葉片、蒸氣輪機(jī)設(shè)備、汽車排放設(shè)備、渦輪增壓器葉輪等。VerityTMinfe-safe提供了一個與網(wǎng)格無關(guān)的、預(yù)測焊接/非焊接結(jié)構(gòu)的失效位置、失效壽命的一種結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算方法fe-safe介紹是功能強(qiáng)大、易于使用的綜合性有限元疲勞分析軟件。在使用過程中會涉及到下述常用文件：*.FED：讀入有限元模型時提取的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、分組等信息，耗費(fèi)資源，最好保存在本地盤；*.kwd：保存分析選項中如材料、算法、殘余應(yīng)力、光潔度等信息；*.rst：保存相關(guān)計算結(jié)果文件，耗費(fèi)資源最好保存在本地盤；。*.log：結(jié)果輸出信息文件，最好保存在本地盤便于查看。*.ldf：載荷定義文件，也最好保存在本地盤。*.grp：單元組或單元節(jié)點(diǎn)組定義文件。其它：載荷歷程文件，如*.dac、*.txt等。計算內(nèi)容哪里產(chǎn)生疲勞裂紋；什么時候產(chǎn)生疲勞裂紋；工作應(yīng)力作用下的安全因子-快速優(yōu)化；各種工作壽命（包絡(luò)圖）下的存活概率；計算結(jié)果疲勞壽命分布、疲勞損傷分布、應(yīng)力/應(yīng)變時程、裂紋方向，以簡化部件實(shí)驗(yàn)、幫助設(shè)計，可表明哪種載荷、什么方向?qū)p傷的影響最大等應(yīng)用領(lǐng)域鋼材、鋁、鑄鐵、高溫件、焊接接頭、預(yù)變形件的疲勞分析；可以考慮材料和光潔度的影響；提供有可定制的材料庫；對用戶提供的材料可自動選擇合適的疲勞算法和估算合適的材料參數(shù)。軟件界面-見下圖a、載荷文件定義框；b、有限元模型文件定義框；c、材料定義界面框；d、有限元疲勞分析對話框；e、信息輸出框。一般地，對有限元計算結(jié)果進(jìn)行疲勞分析時，需要定義有限元計算結(jié)果、載荷條件、材料參數(shù)等輸入條件。環(huán)境設(shè)置庫拷貝（主要是材料庫）；輸出結(jié)果位置、結(jié)果文件名稱指定；fe-safe軟件的有限元計算結(jié)果疲勞分析適用單元可用殼單元、實(shí)體單元；梁單元產(chǎn)生不精確的疲勞分析結(jié)果。必須用足夠多的網(wǎng)格數(shù)量保證單元精度。采用結(jié)構(gòu)表面的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算（從沒有平均的應(yīng)力進(jìn)行計算，用平均壽命顯示，該結(jié)果較采用平均應(yīng)力計算更為準(zhǔn)確）。有限元中的計算結(jié)果分為Set（載荷步）、Increment（載荷子步）分析類型單一載荷歷程的線彈性模型分析有限元計算結(jié)果（一般為單位載荷的計算結(jié)果）乘以載荷歷程，得到應(yīng)力張量的時間歷程數(shù)據(jù)。程序計算構(gòu)件表面的主應(yīng)力、方向時間歷程，以及彈性應(yīng)變時間歷程數(shù)據(jù)。對單軸應(yīng)力狀態(tài)，可以由Neuber準(zhǔn)則計算總應(yīng)變值，并用SWT法計算疲勞；對雙軸節(jié)點(diǎn)彈-塑性應(yīng)力，可根據(jù)下式按彈性應(yīng)變e、彈性應(yīng)力S進(jìn)行計算。該法僅對局部屈服、整體行為為彈性的情況有用，當(dāng)部件大面積屈服時，需要彈塑性的FEA計算結(jié)果。目前還不能很好地定義接觸類問題的疲勞算法。多個載荷的線彈性模型分析對每個載荷計算產(chǎn)生一個單位值作用下的結(jié)果（稱為SET），該結(jié)果集與對應(yīng)的載荷歷程相乘，得到每個載荷的應(yīng)力張量歷程，所有載荷的應(yīng)力張量歷程相加，就得到總的應(yīng)力張量歷程。當(dāng)主應(yīng)力方向不斷改變時，需要使用臨界平面分析技術(shù)。對雙軸節(jié)點(diǎn)彈-塑性應(yīng)力，可根據(jù)前述按彈性應(yīng)變e、彈性應(yīng)力S進(jìn)行計算。一個模型允許超過一千個載荷歷程，每個載荷歷程無長度限制。該法僅對局部屈服、整體行為為彈性的情況有用，當(dāng)部件大面積屈服時，需要彈塑性的FEA計算結(jié)果。系列載荷集的模型分析可用于彈性、塑性模型。主要應(yīng)用于動載荷比例不易控制、載荷作用位置不斷變化的構(gòu)件。如柴油機(jī)的曲軸、連桿、活塞疲勞分析等。序列分析計算結(jié)果可包含彈塑性有限元計算結(jié)果，且無須Neuber準(zhǔn)則修正。一般地，F(xiàn)EA計算模型都采用隨動強(qiáng)化計算模型。輸出對有限壽命設(shè)計：可輸出：對數(shù)疲勞壽命（Set1：Sx）、規(guī)定壽命下的應(yīng)力強(qiáng)度因子fos（Set1：Sy）；疲勞失效概率（Set2：Sx）。對無限壽命設(shè)計：可輸出：Sx-徑向安全系數(shù)；Sy-垂向安全系數(shù)；Sxy-橫向安全系數(shù)；Syz-最小安全系數(shù)。對DangVan準(zhǔn)則：Sx-徑向安全系數(shù)；Sy-垂向安全系數(shù)；Sz-存活值。具體內(nèi)容見下表。

算法壽命類型應(yīng)力修正備注單軸應(yīng)力法有限Goodman或Gerber對有限元計算結(jié)果不支持單軸應(yīng)變法有限Morrow或SWT最大主應(yīng)力法（臨界平面法）有限Goodman、Gerber、Buch強(qiáng)度因子可指定規(guī)定壽命或用材料庫中的缺省值；可指定目標(biāo)壽命計算失效概率或可靠性。可定義S-N曲線，或采用材料庫參數(shù)。計算延性材料極不安全無限Goodman或Gerber可在材料庫指定無限壽命值。可定義S-N曲線，或采用材料庫參數(shù)。計算延性材料給出極不安全的結(jié)果。Vonmises應(yīng)力法誤差大，不常用。最大主應(yīng)變法（臨界平面法）有限Morrow可用于彈-塑性有限元計算結(jié)果的疲勞分析；計算延性材料給出極不安全的結(jié)果。無限Goodman或Gerber最大剪應(yīng)變法（臨界平面法）有限Morrow適用延性金屬材料，對脆性材料給出極不安全的結(jié)果；采用三個45°平面方法。Brown-miller（臨界平面法）有限Morrow為對常溫金屬最好的適用算法。采用三個45°平面方法。無限Goodman或GerberDangvan算法無限無為失效/通過準(zhǔn)則BM算法有限Morrow、Goodman或Gerber將Brown-miller法應(yīng)用于不發(fā)生塑性區(qū)域的計算；采用S-N曲線；不適用。無限Goodman或GerberCPF算法有限Goodman或Gerber計算臨界平面的應(yīng)力歷程以計算疲勞壽命，應(yīng)力考慮了正應(yīng)力、剪應(yīng)力的共同影響。無限Goodman或Gerber實(shí)例圖示為一圓棒，其兩端在1個工作循環(huán)內(nèi)承受F=15KN、-7.5KN、22.5KN、-15KN交替變化的動載荷，試用ANSYS+fe-safe軟件計算：（1）該圓棒能工作多少次循環(huán)？（2）若要使該圓棒經(jīng)過10E7次循環(huán)不破壞，則載荷應(yīng)如何進(jìn)行比例縮放？已知參數(shù)為：鋼材圓棒長L=100mm、直徑D=10mm，其材料牌號為SAE-950C-Manten，彈性模量E=2.03×1011Pa、泊松比ν=0.3、密度ρ=7850kg/m3。分析步驟1：先在ANSYS環(huán)境，施加15KN載荷作一個靜力分析（文件中采用1/8對稱模型進(jìn)行計算）；見文件fatigue02.txt。分析步驟2：在fe-safe環(huán)境的OpenFEModel窗口中，打開有限元計算結(jié)果文件（*.rst）、選SelectDatasetstoRead中的應(yīng)力，設(shè)置應(yīng)力單位為Mpa；在fatiguefromFEA窗口中，點(diǎn)擊loading按鈕，點(diǎn)擊OK；右擊Usinguserprofileloading**按鈕，選擇saveas，將后續(xù)載荷信息保存為一個*.ldf文件；點(diǎn)擊Add/block，選中OpenFEModel窗口中的應(yīng)力集，在fatiguefromFEA窗口中的block菜單下右選adddataset添加結(jié)果。右擊添加好的結(jié)果（如stressdataset1顯示），選中adduserloading，添加載荷系數(shù)：1、-0.5、1.5，-1、1；點(diǎn)擊OK、OK、Yes。在OpenDatabase窗口中，選中材料SAE-950C-Manten；在fatiguefromFEA窗口中，點(diǎn)擊material1**的material表格，將材料設(shè)置完畢；取其默認(rèn)算法（BiaxialMethod/Brown-miller/finitelife/morrow進(jìn)行計算；在fatiguefromFEA窗口的outfile窗口中指定輸出文件名、位置；在designlife中指定規(guī)定壽命值，以允許強(qiáng)度因子計算；點(diǎn)擊Analysis按鈕，開始計算；計算完畢回到ANSYS環(huán)境進(jìn)行后處理，其中Sx為壽命對數(shù)值；Sy為強(qiáng)度因子值。計算結(jié)果：最大主應(yīng)力為191Mpa；最小壽命為1.1719E6個循環(huán)（按lg(1.67E6)=6.069顯示）；規(guī)定壽命(1e7)下的載荷因子為0.76。見下圖圓棒的主應(yīng)力計算結(jié)果圓棒的疲勞壽命計算結(jié)果圓棒的強(qiáng)度因子計算結(jié)果有限元計算結(jié)果讀入對彈性FEA分析，輸入應(yīng)力結(jié)果；對彈塑性FEA分析，則輸入應(yīng)力-應(yīng)變結(jié)果。--成為Datasets。當(dāng)FEA結(jié)果讀入時，相關(guān)數(shù)據(jù)（如應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、結(jié)點(diǎn)組、單元組）等存放于*.FED文件中，該文件可保存和應(yīng)用。支持的結(jié)果源文件有：Abaqus、ANSYS、NASTRAN、PRO/E、Ideas等軟件產(chǎn)生的結(jié)果文件格式。分析選項設(shè)置材料指定：介紹fe-safe材料庫、添加新材料、修改、排序、圖顯、近似等功能。一般地，當(dāng)有限元模型中有N種材料的單元時，調(diào)入Fe-safe后，單元組號與材料編號一一對應(yīng)，最多可支持1024個組。當(dāng)打開庫文件不存在時，則新建一個材料庫。有兩個文件：*.dbase、*.template可以拷貝已存在的材料庫；可以拷貝已存在的材料（僅限于同一個材料庫內(nèi)拷貝）；可以新建一個近似材料：采用Seeger法（V2，3.5.6），需要材料類型（脆性、延性）、抗拉強(qiáng)度、彈性模量等參數(shù)。材料庫中的材料單位對計算無影響，只是對材料數(shù)據(jù)列表、圖顯有影響。算法材料會推薦一個缺省算法。光潔度因子：缺省值為1，可通過光潔度或應(yīng)力集中系數(shù)指定；殘余應(yīng)力：在表面各個方向都相同；不參與彈塑性修正；在壽命計算時疊加在平均應(yīng)力上，不作fos比例化；在熱-結(jié)構(gòu)疲勞分析時不松弛。保存選項設(shè)置。通過File→SaveFEAFatigueDefinitionFile保存在*kwd文件中。該文件也可通過File→OpenFEAFatigueDefinitionFile打開。其他選項(1)AnalysisS-N曲線：作應(yīng)力-疲勞分析（單軸壽命、主應(yīng)力、等效應(yīng)力）時采用。一般地，通過Nf=1E4、1E7對應(yīng)的?σ值，來定義S-N曲線，不能考慮塑性影響。當(dāng)不指定采用S-N曲線時，則可采用從材料下述局部應(yīng)變參數(shù)推導(dǎo)出來的彈塑性應(yīng)力壽命曲線作應(yīng)力疲勞分析，бf′為疲勞強(qiáng)化系數(shù)；b為疲勞強(qiáng)化指數(shù)；Nf為循環(huán)次數(shù)）可通過菜單：FEAfatigue/GeneralFEAoption設(shè)定。其它效應(yīng)比例因子：考慮腐蝕、信心水平等，作