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炳施
5 years ago
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1 LS-DYNA 在疲劳分析上的最新进展黄云, 崔喆 Livermore Sotware Technology Corporation 2017 年 10 月 25 日第三届中国 LS-DYNA 用户会议, 中国, 上海

2 目录 1) 简介 2) S-N 曲线和 E-N 曲线 3) 随机振动疲劳分析 4) 稳态振动疲劳分析 5) 时域疲劳分析 6) 总结和未来研发计划 2

3 1) 简介什么是疲劳? 疲劳是在循环加载条件下损伤累计导致破坏的过程荷载往往远低于材料的屈服极限疲劳破坏是一个很复杂的过程, 包括很多步简单地说, 它可以分成裂缝的初始化和裂缝的扩展统计显示, 由于疲劳产生的破坏占金属结构破坏的 90% 左右长期以来, 对结构工程师, 特别是设计如飞机汽车钢架桥梁压力容器和起重机械等金属结构的工程师而言, 材料的疲劳破坏一直是一个重大的挑戓 3

4 怎样进行疲劳分析? 疲劳分析可以在时域内和频域内进行在频域范围内,LS-DYNA 提供了基于随机振动和稳态振动的两种疲劳分析方法我们最近把疲劳分析扩展到时域范围, 提供了包括基于应力的和基于应变的疲劳分析方法 ( 尚需进一步的验证 ) 4

5 *MAT_ADD_FATIGUE 使用 *DEFINE_CURVE 使用公式 2) S-N 曲线和 E-N 曲线 S-N 曲线 ( 高周, 低应力 ) Card Variable MID LCID LTYPE A B STHRES SNLIMT SNTYPE Type I I I F F F I I Deault none none 0 0 N S m a log( S) a b log( N) N: 导致疲劳破坏的循环次数 S: 应力低于疲劳极限的应力对应的疲劳寿命资料来源 : SNLIMT 低于 S-N 曲线上最后一点的应力的疲劳寿命 : EQ.0: 采用最后一点的疲劳寿命 EQ.1: 根据 S-N 曲线上的最后两点外插 EQ.2: 假设为无限. 5

*MAT_ADD_FATIGUE Card 1 1 2 3 4 5 6 7 8 Variable MID LCID LTYPE A B

0 0.0 none 0 0 Card 2 1 2 3 4 5 6 7 8 Variable Ai Bi STHRESi Type F F

6 *MAT_ADD_FATIGUE Card Variable MID LCID LTYPE A B STHRES SNLIMT SNTYPE Type I I I F F F I I Deault none none 0 0 Card Variable Ai Bi STHRESi Type F F F Deault none 为考虑更复杂的 S-N 曲线,S-N 曲线可以由多段组成每一段有自己的参数 (Ai, Bi) 和应力下限 (STHRESi) 6

应变幅值, *MAT_ADD_FATIGUE_EN E-N 曲线 ( 低周, 高应力 ) Card 1 1 2 3 4 5 6 7 8 Variable MID KP NP SIGMAP EPSP B C Type I F F

7 应变幅值, *MAT_ADD_FATIGUE_EN E-N 曲线 ( 低周, 高应力 ) Card Variable MID KP NP SIGMAP EPSP B C Type I F F F F F F Deault none none none none none none none 循环加载下的应力应变曲线 E K 1/ n 局部的应变疲劳寿命关系 2 E b 2N 2N c e p 往复次数, 2N 7

8 PSD (Pa 2 /Hz) 3) 随机振动疲劳介绍在实际工况下, 结构和零部件经常受到随机的循环加载作用经过三十多年的发展, 随机振动理论已经被很好的建立了起来, 以描述和分析随机振动现象在随机振动分析中, 应力的 PSD 曲线 ( 功率谱密度函数 ) 可用于频域内的疲劳分析 PSD 函数描述时域信号的能量在一个频率范围内的分布 Freq (Hz) 8

9 关键字 *FREQUENCY_DOMAIN_RANDOM_VIBRATION_FATIGUE 计算结构在随机振动条件下的疲劳寿命基于材料的 S-N 曲线基于概率分布和米勒累计破坏比规则 (Miner s Rule o Cumulative Damage Ratio) 计算方法 : Steinberg s 三应力带模型 ( 只考虑 1 倍,2 倍和 3 倍的标准应力偏差 ) 基于 4 个应力 PSD 矩值的德里克方法. 窄带方法 Wirsching 方法随机振动疲劳概述 R i n i N i PDF ( 概率密度方程 ) 9

10 关键字 *FREQUENCY_DOMAIN_RANDOM_VIBRATION_FATIGUE Card Variable PID LCID PTYPE LTYPE A B STHRES SNLIMT Type I I I I F F F I Deault 如有 FATIGUE 选项, 需定义卡片 6 如模型中用到多条 S-N 曲线, 需重复定义卡片 6 NFTG 次 Card Variable VAFLAG METHOD UNIT UMLT VAPSD VARMS NPSD NFTG Type I I I F I I I I Deault none *MAT_ADD_FATIGUE ( 如果 NFTG=-999) Card Variable MID LCID LTYPE A B STHRES SNLIMT SNTYPE Type I I I F F F I I Deault none none

11 分析方法 Steinberg s 三应力带法假设只有三个应力值. Dirlik 方法 Dirlik, 1985, 基于经验公式, 基于蒙特卡洛技术, 广泛适用于丌同领域窄带法 Bendat, 1964, 仅适用于随机信号频带很窄的情况 ( 响应集中于几个频率 ) Wirsching 方法 Chaudhury and Dover 方法 Tunna 方法 Hancock 方法 Winsching, Chaudhury, Tunna and Hancock 方法是基于对窄带法的经验修正, 其修正参数适用于丌同的工业领域 11

12 结果文件 : d3tg ( 可用 LS-PrePost 读取 ) 注意只显示进行了疲劳分析的部分疲劳分析的结果显示在单元的应力积分点上 D3tg 文件中提供以下结果 : 1: 累计损伤比 ( 以积分点的最高值为准 ) 2: 预期疲劳寿命 ( 以积分点的最低值为准 ) ( 仅适用于随机疲劳 ) 3: 过零频率 ( 仅适用于随机疲劳 ) 4: 过峰值频率 ( 仅适用于随机疲劳 ) 5: 丌规则指数 ( 仅适用于随机疲劳 ) 6: 预期疲劳循环次数 ( 仅适用于随机疲劳 ) 12

13 随机振动疲劳例子钢材 = 7890 kg/m 3 E = MPa = 0.3 加载时间 : 1 小时节点固定在振动台上 S-N 曲线 N S Z- 加速度 PSD 曲线 13

14 安全 / 失效区选择框可帮助用户快速定位疲劳失效区 14

15 由于疲劳寿命跨度可能很大, 采用对数刻度有助于显示预期疲劳寿命的等值线分布 15

16 疲劳分析中的初始损伤比 *INITIAL_FATIGUE_DAMAGE_RATIO 1) Y- 加速度 2) Z- 加速度 ), 然后 2) 16

平均应力的修正 N S m 不同平均应力下的 SN 曲线 a 完全反复试验平均应力修正公式 *FATIGUE_MEAN_STRESS_CORRECTION Card 1 1 2 Variable METHOD Type I Card 2 1 2 Variable MID SIGMA Type I F METHOD EQ.0: Goodman equation EQ.

17 平均应力的修正 N S m 不同平均应力下的 SN 曲线 a 完全反复试验平均应力修正公式 *FATIGUE_MEAN_STRESS_CORRECTION Card Variable METHOD Type I Card Variable MID SIGMA Type I F METHOD EQ.0: Goodman equation EQ.1: Soderberg equation EQ.2: Gerber equation EQ.3: Goodman tension only EQ.4: Gerber tension only EQ.11: Morrow equation EQ.12: Smith-Watson-Topper equation Goodman S a 1 m / u Soderberg S a 1 / m y Gerber S a 1 ( m / u 2 ) 17

18 平均应力由以下关键字提供 *INITIAL_STRESS_SHELL *INITIAL_STRESS_SOLID 平均应力修正方法由下面关键字设定 *FATIGUE_MEAN_STRESS_CORRECTION 无平均应力修正采用 Goodman 公式修正采用 Soderberg 公式修正采用 Gerber 公式修正 Yield strength (MPa) 250 Ultimate strength (MPa)

19 采用梁单元进行疲劳分析 *FREQUENCY_DOMAIN_RANDOM_VIBRATION_FATIGUE *DATABASE_EXTENT_BINARY $# neiph neips maxint strlg siglg epslg rltlg englg $# cmpl ieverp beamip dcomp shge stssz n3thdt ialemat $# nintsld pkp_sen sclp unused msscl therm intout nodout STRESS STRESS 19

20 amplitude *FREQUENCY_DOMAIN_SSD_FATIGUE 4) 稳态振动疲劳介绍计算在稳态振动条件下的疲劳寿命 ( 如正弦扫描 ) 基于材料的 S-N 疲劳曲线基于米勒累计破坏比规则 (Miner s Rule o Cumulative Damage Ratio) 采用雨流计数法 R i n i N i Sine sweep 20

21 关键字 *FREQUENCY_DOMAIN_SSD_FATIGUE Card Variable STRTYP NOUT NOTYP NOVA Type I I I I Deault Card Variable NID NTYP DOF VAD LC1 LC2 LC3 VID Type I I F F I I I I Deault none 0 none none none none 0 0 VARIABLE DESCRIPTION STRTYP 疲劳分析中采用的应力指标 = 0 Von Mises 应力 = 1 最大主应力 = 2 最大剪应力 LC3 定义各频率下加载时间的曲线. 21

稳态振动疲劳的例子加载条件频率 ( 赫兹 ) 加速度 (g) 周期 ( 秒 ) 200 1.0 600 300 1.0 600 400 1.0 600 500 1.0 600 1500 1.

22 稳态振动疲劳的例子加载条件频率 ( 赫兹 ) 加速度 (g) 周期 ( 秒 ) S: stress range (MPa) SN 疲劳曲线 1.E+02 1.E+00 1.E-02 1.E-04 1.E-06 1.E+03 1.E+05 1.E+07 1.E+09 N: number o cycles 22

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24 5) 时域内的疲劳分析介绍用户要求将疲劳分析功能扩展到时域内 ; LS-DYNA 有很强的时域振动分析能力, 基于丰富的材料模型库, 各种边界条件, 完备的单元类型, 丌同的物理仿真计算模块 ( 热学力学流体力学电磁 ) 和灵活的求解手段 ( 显式戒者隐式, 耦合戒者丌耦合 ) 结构的响应有时候是非线性的, 此时丌适合采用频域内的分析方法 24

25 *FATIGUE_OPTION 关键字 Card Variable SSID SSTYPE Type I I Card Variable DT Type I Card Variable STRES INDEX RESTRT Type I I I VARIABLE DESCRIPTION VARIABLE DESCRIPTION STRES 疲劳分析采用的变量 : EQ.0: 应力 ( 默认值 ) EQ.1: 应变 OPTION: ELOUT INDEX 应力 / 应变指标 : EQ.0: Von-Mises 应力 / 应变 EQ.1: 最大主应力 / 应变 EQ.2: 最大剪应力 / 应变 EQ.-1: xx- 应力 / 应变 EQ.-2: yy- 应力 / 应变 EQ.-3: zz- 应力 / 应变 EQ.-4: xy- 应力 / 应变 EQ.-5: yz- 应力 / 应变 EQ.-6: zx- 应力 / 应变 25

26 *LOAD_THERMAL_LOAD_CURVE *MAT_ELASTIC_PLASTIC_THERMAL 基于应力的疲劳分析 26

27 27 基于应变的疲劳分析 c b N N E c b b N N E max c b m N N E t t F 1000 sin 5 Morrow 平均应力修正 Smith-Watson-Topper 平均应力修正局部应变 - 疲劳寿命公式应力 - 应变循环加载

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29 6) 总结和未来研发计划 1. LS-DYNA 中初步具备了频域和时域的疲劳分析方法 2. 分析结果文件 d3tg 可使用 LS-PrePost 读取. 3. 未来研发计划多轴疲劳表面处理的修正采用弹性有限元计算的基于应变的疲劳分析方法 ( 需采用 Neuber 公式 ) 提供一系列随时间变化的数据库文件 ( 类似于 d3plot) 显示疲劳破坏的演变过程 Ringeval, A., and Huang, Y., "Random Vibration Fatigue Analysis with LS- DYNA", 12th International LS-DYNA Users Conerence, Dearborn, Michigan, June, Al-Bahkali Essam, Elkenani Hisham, Souli Mhamed, NVH and Random Vibration Fatigue Analysis o a Landing Gear s Leg or an Un-Manned Aerial Vehicle Using LS-DYNA, 9 th European LS-DYNA Users Conerence, Manchester, UK, June, 参考文献可从以下网址下载 29

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中国公路学报年

中国公路学报年第卷第期年月中国公路学报孟瑾朱平胡志刚根据耐久性试验中常用的整车台架试验方法通过多体动力学模型仿真模拟整车在四轮路面激励下的运动状态提取车身与底盘连接位置的载荷历程采用有限元法分析动载荷作用下的车身结构响应基于传统的应力寿命方法方法寻找车身薄弱环节辨识危险零件应力双轴性并选择多轴疲劳损伤参量预测车身疲劳寿命分析结果表明结合多体动力学与多轴疲劳的寿命