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1 MSC 软件公司 : MSC Fatigue 产品介绍 产品介绍 MSC Fatigue 一体化疲劳设计软件 当前, 从汽车 飞机到日常使用的手机, 基于有限元的疲劳和损伤容限计算, 已经可以快速预测产品寿命, 无论产品承受的是时域, 还是频域载荷 MSC Fatigue 是一款功能最为全面的高级疲劳设计软件, 用户使用一个有限元应力结果, 可以进行多种全面的疲劳分析 它在一个图形界面, 无缝集成了 CAE 动力学和耐久计算, 产品模块包括 MSC 公司历时 20 多年开发的模块, 以及 ncode 公司 DesignLife 产品的最新模块 MSC Fatigue 是一个集成 CAE 的一体化疲劳设计环境, 可以帮助用户 : 减少试验 MSC Fatigue 的内置工具, 可以模拟整车系统, 缩短试验周期, 节约企业成本 指导设计 样机疲劳失效, 往往导致昂贵的改型, 采用 MSC Fatigue, 可以提前验证新方案的有效性 管理疲劳 & 耐久数据 除了疲劳分析, 耐久计算流程也包括试验室试验 本地试验和 CAE 数据处理, MSC Fatigue 可以保存和管理整个耐久计算流程 深入理解疲劳性能 可靠性失效经常由于对疲劳理解不足,MSC Fatigue 可以帮助用户辨识, 影疲劳寿命的关键因素 快速复制分析流程 MSC Fatigue 支持批处理运行方式, 可以快速跟踪整个计算过程 提供疲劳材料参数 疲劳材料参数是疲劳耐久设计的核心,MSC Fatigue 提供全面的疲劳材料试验服务, 帮助用户获取恰当的材料参数 一站式解决方案 MSC 公司提供高级疲劳设计软件 MSC Fatigue, 高级材料试验和疲劳工程咨询项目服务 提高研发效率 MSC Fatigue 提供世界一流的集成化的耐久求解器, 是唯一无缝集成 MSC Nastran, Adams 和 Patran 的耐久求解器 也是唯一能够直接读取 Marc 非线性结果的耐久求解器 在设计早期, 可以帮助用户降低高昂的试验和样机费用, 使产品性能更可靠, 更快推向市场 MSC Fatigue 易学易用, 产品手册完备, 包括快速入门手册 教程 用户论文和在线帮助 MSC 公司拥有优秀的技术支持团队, 快速解决用户发现的问题 产品功能特色 高周疲劳 (HCF), 低周疲劳 (LCF) 和裂纹扩展 支持多种有限元结果 ( 静力 瞬态 模态 频率响应函数和功率谱密度 ) - MSC Nastran - Adams - Marc - ABAQUS - ANSYS 高级分析模块 : 多轴疲劳, 振动疲劳 振动台疲劳 焊接 ( 点焊和缝焊 ) 疲劳, 软件应变片, 轮毂疲劳, 工具和断裂 独特的优化功能 - 载荷比例因子 - 材料 - 表面加工 / 处理 - 存活率 试验 / 分析相关性 载荷谱 - 航空谱载荷定义 MSC Fatigue 软件包 MSC Fatigue 基本包如下 : 67

2 产品介绍 MSC 软件公司 : MSC Fatigue 产品介绍 软件包名称 MSC Fatigue 求解器基本包 MSC Fatigue 求解器高级包 功能简介模块包括 : 应力寿命分析模块 应变寿命分析模块和虚拟应变片模块 模块包括 : 裂纹扩展分析模块 振动疲劳分析模块 多轴疲劳分析模块 焊接疲劳分析模块 轮毂疲劳分析模块和工具箱模块 MSC Fatigue 求解器基本包 MSC Fatigue 根据有限元模型提供的应力或应变结果 载荷的变化和材料的疲劳特性, 评估产品的寿命 MSC Fatigue 求解器基本包, 包括传统的应力寿命法 (S- N 或全寿命 ) 和应变寿命法 (E-N, 局部应变或裂纹萌生 ), 用户可以在自己熟悉的建模环境中, 即使对于疲劳分析了解不多, 也可以直接进行疲劳寿命评估.MSC Fatigue MSC Fatigue 完整求解器包, 包括基本求解器完整包包和高级包的所有功能 Patran 为 MSC Fatigue 量身定制的前后处 MSC Fatigue 理器 前后处理器 疲劳寿命评估原理 MSC Fatigue 包括三种主要的疲劳寿命评估原理 : 应力寿命 应变寿命和裂纹扩展应力寿命应力寿命法是一种传统方法, 也称为 S-N 法, 应用于高周疲劳 (HCF- 低载荷 - 长寿命 ) 本方法不区分裂纹的萌生和扩展, 预测产品失效的总寿命应变寿命应变寿命法用于高载荷下低寿命的预测 ( 低周疲劳 LCF), 考虑高载荷下的材料的屈服, 采用应变寿命进行建模和评估零件的寿命, 通常指形成一个工程裂纹 裂纹扩展弹性断裂力学 (LEFM) 用于预测部件中裂纹的扩展过程, 直至瞬间断裂导致失效 本方法在航空行业广泛应用, 损伤容限是航空行业的设计标准 应力寿命法和应变寿命法的共同特色 : 雨流循环计数 统计置信参数 表面光洁度 / 表面处理的影响 Palmgren-Miner 线性损伤累积, 包括可变 Miner 累积 (>0, 缺省值为 1.0) 自定义寿命单位 多轴应力状态评估 安全系数分析 应力 / 应变张量的合并 / 分解 : 任一分量 最大绝对主 带符号的 Von Mises 等效值 带符号的 Tresca/Shear 等效值 临界面分析 比例因子 ( 应力集中定义 ) 偏置 ( 静力工况 ) 结果转换 ( 全局系统和面分解 ) 高达 500 个工况同时计算应力寿命法的特色 : Goodman,Gerber, 插值类型的应力修正 ( 多平均和多 R 比曲线,Haigh 图,Bastonaire) 焊接结构分析 (BS7608) 材料和部件 S-N 曲线 FKM 平均应力修正 (2012 版本 ) 应变寿命法的特色 : Neuber 和 Hoffmann Seeger 弹塑形修正 循环应力 - 应变追踪 Smith-Watson-Topper,Morrow 和插值类型的应力修正 ( 多平均和多 R 比曲线 ) 基于 Hoffman-Seeger 的高级双轴修正 ( 针对非比例加载 ) 时间历程雨流循环计数损伤计数损伤直方图疲劳寿命 疲劳分析基本包还包括虚拟应变片模块, 用户可以在 MSC Nastran 有限元模型中创建软件形式的虚拟应变片, 在结 构承受随时间变化的载荷时, 根据需要定义标准类型的应变 68

3 MSC 软件公司 : MSC Fatigue 产品介绍 产品介绍 片, 可以提取结构上任意一点的应力 / 应变时间历程 虚拟应 变片支持静态 准静态有限元加载过程, 并可以与试验采集 数据进行比较, 增强有限元模型的可信度 MSC Fatigue 振动疲劳模块 虚拟应变片 MSC Fatigue 裂纹扩展模块 MSC Fatigue 裂纹扩展模块, 采用有限元模型的应力或应变结果 载荷的变化和循环材料属性, 评估裂纹的扩展速率和时间 裂纹扩展常采用传统的线弹性断裂力学 (LEFM) 裂纹扩展建模 MSC Fatigue 裂纹扩展模块, 针对结构裂纹的扩展寿命, 提供了复杂的裂纹扩展建模方法 特色包括 : Kitagawa 最小裂纹尺寸 断裂韧性破坏准则 平均应力修正 考虑循环重组的雨流循环计数 指定初始以及最终裂纹长度 平面应力修正 缺口效应建模 迟滞和闭合效应建模 基于有效应力强度因子范围的修正 Paris 法则建模 自定义寿命单位 断裂力学的三角形求解 ( 应力 - 应力强度 - 裂纹长度 ) NASA/FLAGRO 2.03 的图形接口 ( 通过 Patran 或 MSC Fatigue 前后处理 ) 应力张量合并和分解用户可以读入各种不同的有限元模型和结果, 包括 : Patran, MSC Nastran(op2 和 XDB 格式 ), Marc, ABAQUS, LS-DYNA,ANSYS 和 SDRC MSC Fatigue 振动疲劳模块, 预测在多个随机振动载荷下结构的疲劳寿命 根据有限元计算获取的应力功率谱密度 (PSD) 或传递函数, 预估结构的疲劳寿命 评估结构在随机载荷下的响应是产品设计的关键之一, 随机响应最好在频域使用 PSD 输入获得 MSC Fatigue 振动疲劳模块支持外部响应的 PSD, 也支持根据 PSD 载荷和系统传递函数, 振动模块自己计算应力的 PSD Fatigue 振动疲劳模块使用 S-N 方法预测疲劳寿命, 支持测量或计算生成的应力影响的 PSD 进行一站式求解 功能特色包括 : 焊接结构分析 (BS7608) Goodman 和 Gerber 应力修正 雨流循环的概率密度函数 应力 / 应变合并 / 分解 有限元结果的转换 根据传递函数和输入载荷的 PSD, 在任意位置计算主应力响应的 PSD Palmgren-Miner 线性损伤累积, 包括可变 Miner 累积 (>0, 缺省值为 1.0) 多轴应力状态评估 表面光洁度 / 表面处理修正 同时施加 20 个包括对应输入 PSD 的有限元工况 根据多个时间历程数据 ASCII 文件 界面输入 指定波形 ( 正弦 三角 ), 创建 PSD 数据转换 PSD 和雨流数据的显示丰富的求解算法 : Dirlik Narrow Band Steinberg Tunna Wirsching Hancock Kam & Do Dirlik 求解典型的振动加速度定义 PSD 产生的矩 69

4 产品介绍 MSC 软件公司 : MSC Fatigue 产品介绍 MSC Fatigue 振动台模块 MSC Fatigue 振动台模块预测在单一随机振动载荷下, 零部件的疲劳寿命 振动台试验在各行业广泛使用, 是零部件产品设计完成前的验证性试验 典型的输入载荷为 : 位移 速度或加速度的 PSD 疲劳分析往往在频域进行, 而不是传统的时域 其中, 输入载荷处理和损伤分析, 都在频域采用功率谱密度 (PSD) 进行 MSC Fatigue 振动台模块支持外部响应的 PSD, 也支持根据 PSD 载荷和系统传递函数, 振动台模块自己计算应力的 PSD 传递函数计算支持各种应力值, 包括主应力 多种求解算法 : Dirlik Narrow Bank Steinberg Lalanne 全新的正弦扫频能力 : 多轴应力状态评估 表面光洁度 / 表面处理修正 同时施加 20 个包括对应输入 PSD 的有限元工况 根据多个时间历程数据 ASCII 文件 界面输入 指定波形 ( 正弦 三角 ), 创建 PSD 数据转换 雨流循环计数和损伤直方图, 应力 PSD 输出为 CSV 格式 MSC Fatigue 点焊疲劳模块 MSC Fatigue 点焊模块采用 S-N( 全寿命 ) 法, 根据 MSC Nastran 或 Adams 计算结果, 预测钣金件之间点焊的疲劳寿命 现代汽车结构通常有 个点焊, 大约 80% 的车身疲劳耐久问题, 和点焊有关 点焊设备价格昂贵, 在车身设计的早期阶段, 需要快速准确地预测点焊的疲劳寿命 MSC Fatigue 点焊模块支持 3 种最常用点焊建模方法, 使用 Rupp, Storzel 和 Grubisic 算法计算焊核和相邻板材的应力 特色如下 : 支持刚性梁点焊模型 支持 MSC Nastran Cweld 单元点焊模型 支持 CHEX/MPC 点焊模型 自动生成点焊组 - 根据板材厚度 - 根据焊核直径 150 个分析组 每个组中点焊数量不限 支持 500 个载荷通道 载荷的最高频率, 是否大于一阶固有频率的三分之一? 点焊疲劳求解器功能包括 : 求解相邻板材之间的点焊 三层板材点焊的修正 (2011 版本 ) 支持焊核和板材疲劳寿命 雨流循环计数 统计置信参数 Palmgren-Miner 线性损伤累积 可变 Miner 累积 (>0, 默认值为 1.0) 点焊 S-N 曲线 增加, 创建或修改材料数据 寿命和损伤的图形化显示 自定义寿命单位 焊核和板材寿命 / 损伤的极坐标显示 (2012 版本 ) 应力时间历程输出 (2012 版本 ) 损伤和循环的直方图 (2012 版本 ) 失效位置 - 焊核, 上下板材 70

5 MSC 软件公司 : MSC Fatigue 产品介绍 产品介绍 MSC Fatigue 缝焊疲劳模块 MSC Fatigue 缝焊疲劳模块, 不仅支持传统标准的焊接规范 (BS5400/ BS7608 等 ), 也支持更现代的结构应力法, 进行缝焊的疲劳设计 焊接分类法不需要对焊接的细节进行建模, 采用焊接分类细节 ( 载荷和几何 ) 的部件 S-N 曲线进行寿命预测 该方法由于和有限元的集成度较低, 对于汽车的薄壁件而言, 稍显笨拙而且耗时很长 最近, 缝焊疲劳的研究重点是如何计算等效结构应力 MSC Fatigue 中采用的等效结构应力法, 来源于 Fermer 等 (SAE ) 特色如下: 焊根 / 焊喉疲劳失效 钎焊和激光焊的类型更多 弯曲和拉伸 S-N 曲线之间的插值 自定义弯曲比门槛值, 调整插值起始点 完全的 64 位求解器 (64 位机器 ) 全新的 DTMAT 材料界面 缝焊支持全新的载荷谱界面 71

6 产品介绍 MSC 软件公司 : MSC Fatigue 产品介绍 MSC Fatigue 多轴疲劳模块 MSC Fatigue 轮毂疲劳模块 MSC Fatigue 提供专门的轮毂疲劳分析工具, 预测在特定的循环载荷下, 轮毂的疲劳寿命 MSC Fatigue 轮毂疲劳模块首先确定每个工况下, 轮毂上节点的应力时间历程曲线, 确定每个节点的临界面, 然后, 根据应力时间历程曲线, 计算出载荷谱中所有载荷下的最大疲劳损伤值 MSC Fatigue 轮毂疲劳模块适用于汽车 / 飞机轮毂, 以及其他旋转体 节点的应力时间历程曲线, 一般不采用瞬态计算 往往采用在每个静力工况下, 进行多次有限元静力计算, 每次静力计算表示轮毂的转动, 所有的静力工况, 描述了轮毂上每个节点, 随着转角的应力 / 应变变化 MSC Fatigue 多轴疲劳模块根据有限元模型的应力 / 应变结果和循环材料属性, 进行失效寿命评估 相对于单轴或比例加载状态, 多轴应力状态是指非比例的多轴应力状态 多轴疲劳采用应变寿命法和应力寿命法进行疲劳寿命预测, 也可以进一步计算安全系数 安全系数分析安全系数可以针对整个有限元模型计算, 也可以选择部分模型进行 多轴应力状态的计算方法包括 :Dang Van 法和 McDiarmid 法 轮毂转动轮毂转动通过边界条件和载荷的旋转来实现, 多次有限元静力计算后, 一旦获取应力 / 应变历程曲线, MSC Fatigue 对每个加载工况, 计算疲劳损伤和寿命 总损伤为所有加载工况的累加 每个节点 / 单元的总损伤, 可以通过损伤云图显示, 用户可以辨识出疲劳临界区, 对最大损伤区域进一步改进 应用领域 : 所有类型的车轮 在循环载荷作用下的旋转机械 应变寿命 ( 裂纹萌生 / E -N) 法, 可以根据多轴应力状态, 评估形成一个工程裂纹的寿命 提供 6 种局部应变临界面法 特色包括 : 正应变 剪应变 SWT-Bannantine Fatemi-Socie Wang-Brown( 包括 / 不包括平均应力修正 ) 多轴疲劳算法 : 多轴疲劳算法包括多轴非比例缺口修正, 集成了基于能量的缺口处理方法, 这些方法基于 Neuber 法和 Mroz-Garud 循环塑性模型 Fatigue 多轴疲劳模块可以直接使用弹塑性应力 / 应变时间里程曲线, 输入数据可以来源于有限元计算或物理试验 72

7 MSC 软件公司 : MSC Fatigue 产品介绍 产品介绍 临界面计算的极坐标图 多轴疲劳算法包括 : 正应变 剪应变 SWT-Bannantine Fatemi-Socie Wang-Brown( 包括 / 不包括平均应力修正 ) 其他算法 MSC Fatigue 工具模块 MSC Fatigue 工具模块是高级实用的工具包, 可以帮助用 户收集 分析和处理试验数据, 例如 : 应力或应变时间历程 曲线 具体包括 : 高级载荷处理工具 - 四则运算 (MART) - 多通道编辑器 (MCOE) - 雨流循环计数器 ((MCYC) - 公式处理器 (MFRM) - 文件剪切和拷贝 (MLEN) - 多文件处理器 (MMFM) - 峰值峰谷抽取 (MPVXMUL) - 同步分析器 (MSIMMAX) - 幅值分布 (MADA) - 自功率谱密度 (MASD) - 快速傅立叶滤波 (MFFF) - 巴特沃思滤波 (MBFL) - 频率响应分析 (MFRA) - 统计分析 (MRSTAT) 高级疲劳工具 - 单一位置 S-N 分析 (MSLF) - 单一位置 E-N 分析 (MCLF) - 循环和损伤分析 (MCDA) - 时间相关的损伤 (MTCD) 73

8 产品介绍 MSC 软件公司 : MSC Fatigue 产品介绍 - 单一位置振动分析 (MFLF) - 多轴寿命分析 (MMLF) - 裂纹扩展数据分析 (MFCG) - Kt/Kf(MKTAN) 评估 图形显示和转换工具 - 图形化编辑 (MGED) - 多文件显示 (MMFD) - 快速查看 (MQLD) - 双参数显示 (MTPD) - 极坐标显示 (MPOD) - 三维显示 (MP3D) - 二进制 /ASCII 转换器 (MDTA/MATD) - 信号再生 (MREGEN) - RPC 到 DAC 和 DAC 到 RPC (MREMDAC/ MDACREM) - 跨平台转换 (MCONFIL) - 瀑布图文件生成 (MWFLCRE) 前后处理界面 : MSC Fatigue 前后处理器集成在 Patran 环境下, 完全按照疲劳分析的流程而设计, 可有效引导用户一步步完成疲劳分析 计算完成后, 可以随时修改输入参数, 评估产品的疲劳灵敏度及进行优化设计 疲劳分析流程一般分为 5 步 : 1) 输入循环材料特性 2) 输入载荷 ( 时域或频域 ) 3) 输入几何信息 ( 有限元应力或应变 ) 4) 执行疲劳求解 5) 计算结果的查看和优化 MSC Fatigue 前后处理器可直接读入多种有限元软件的计算结果, 包括 : Patran 中性文件及外部 ( 单元 节点等 ) 结果文件 Patran FEA AFEA 结果文件 MSC Nastran 的 Op2 文件 XDB 文件及卡片数据文件 Marc 结果文件 ABAQUS 结果文件 ANSYS 结果文件 SDRC 结果文件 系统仿真模态坐标 + 应力形状部件应力 MSC Fatigue 前后处理器 MSC Fatigue 前后处理器是所有疲劳求解器的前后处理器 提供快速便捷的建模 运行和后处理的图形界面 MSC Fatigue 前后处理器支持各种方式, 对有限元和疲劳结果进行后处理, 包括 : 云图 等值线 生成报告 损伤云图 ( 线性和对数 ) 寿命云图 ( 线性和对数 ), 支持自定义单位 安全系数显示 双轴比 残余应力 比例因子的灵敏度 最大损伤区域, 最差安全系数和最大双轴 材料库显示 载荷时间历程库显示 特色和功能 : MSC Fatigue 前后处理器可以帮助用户, 直接方便地访问 所有 MSC Fatigue 的功能, 包括 : 应力寿命疲劳 应变寿命疲劳 裂纹扩展 多输入振动疲劳 单输入振动台疲劳 缝焊疲劳 点焊疲劳 多轴疲劳 轮毂疲劳 疲劳工具 74

9 MSC 软件公司 : MSC Fatigue 产品介绍 产品介绍 有限元模型的建立 有限元模型包括驾驶室和车架有限元模型, 具体包括 : 1) 驾驶室网格模型 2) 车架网格模型 3) 材料数据 4) 输入载荷时间历程曲线 ( 针对每个事件 ) 5) 模型简化 6) 模型质量检查, 包括 : 网格质量 材料属性 连接关系 7) 模型完整性检查, 确保单元的连接性和刚度 / 质量分布, 具体包括 : 模态计算和各个方向下 1.0 G 载荷静力计算试验获取 ( 或者 Adams 虚拟台 ) 获取驾驶室安装点力, 车架模型可以忽略, 需要输入 12 个载荷, 在每个安装点的 X,Y,Z 方向施加 数据处理 疲劳案例 : 驾驶室耐久性分析驾驶室耐久试验 根据国外统计, 约有 80% 以上的机械零件的破坏为疲劳破坏 驾驶室疲劳仿真计算前, 首先, 需要收集道路试验数据, 进行编辑浓缩后, 生成一个载荷谱驱动文件, 作为振动试验台试验和有限元仿真计算的输入 振动试验结果, 可用于仿真和试验的相关性分析 输入载荷统计示例如下 : 事 件 持续时间 (S) 重复次数 总时间 (S) 比利时石块路 10mph 比利时石块路 12mph 比利时石块路 14mph 卵石路 其中, 全部事件应具有代表性, 使测得的载荷具有典型 性 概括性和集中性 疲劳材料数据收集和定义 驾驶室疲劳材料一般包括两种, 普通钢和高强度钢 高强度钢用在特定的区域, 用来满足顶压试验 疲劳计算中, 一般不做门和窗玻璃考虑 用户需要提供应力寿命材料曲线和应变材料, 通过 MSC Fatigue 的材料管理器, 进行定义 如果用户缺少材料的疲劳试验数据,MSC 软件公司也提供材料疲劳试验服务 振动试验 75

10 产品介绍 MSC 软件公司 : MSC Fatigue 产品介绍 疲劳载荷处理 驾驶室疲劳计算, 需要输入 12 组力时间历程曲线, 施加位置在 4 个驾驶室安装点 载荷的处理, 根据不同的计算方法不同 具体如下 : 1) 准静态法, 载荷可以直接使用 2) 振动法, 需要将所有文件, 转换至频域, 并输出 12x12 PSD 矩阵 3) 瞬态法和模态叠加法, 载荷需要转换成 MSC Nastran 的 TABLED1 卡片 疲劳仿真结果试验相关性分析 仿真计算结果比较包括关键位置和寿命次数, 可以对仿 真结果进行相关性分析, 改进设计 左前载荷 疲劳计算 - 模态叠加法 模态叠加法特点在于 : 通过瞬态计算结果, 进行模态应力合并, 不采用有限元求解器, 从而大大减少了 MSC Nastran 求解文件的输出 而且, 也支持应变寿命计算 模态叠加法求解步骤如下 : 1) 检查模型 2) 进行正则模态计算, 输出每阶模态的应力, 保存至 DBALL 和 MASTER 3) 对每个事件, 运行瞬态分析, 采用重启动方法 4) 输入瞬态分析结果至 Patran 5) 设定疲劳计算的共用参数 求解参数和材料 6) 对模态时间历程曲线, 指定模态应力 7) 求解, 进行雨流计数 损伤累计 模态应力合并 8) 合并所有事件的结果 疲劳失效位置 76

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