疲劳分析中的几个概念及其软件中的用法

apprent · 发表于 2009-4-17 21:11:35

本帖最后由 apprent 于 2009-4-23 12:04 编辑

题目有点大，其实我是来问问题的，而且是很基础的问题。请各位不吝指教。我自己也会继续翻资料学习。

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讨论背景：
使用的软件为MSC.Fatigue 2005
做S-N分析。

借用浙大的一个PPT中的图（稍有改动）：

参考讨论帖：
http://forum.simwe.com/viewthread.php?tid=769124（初学MSC.fatigue问题总结）
http://forum.simwe.com/viewthread.php?tid=146161（对存活率、M.s-n与C.s-n做了讨论）
http://forum.simwe.com/viewthread.php?tid=819125（存活率，疲劳分析的意义）

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问题：

1. 平均应力修正（Mean Stress Correction）

4、各应力修正方法中，Goodman简单且偏于安全，在工程上应用较多，Gerber偏于危险，None就是无平均应力修正了，它适用于平均应力为零很小的情况。Max.Abs.Principle是用第一强度理论，von mises是用第四强度理论。4 T% y4 M6 N' G9 A1 {
Beans110 发表于 2007-3-26 22:17

那么，当我在MSC.fatigue中加载的载荷谱（力/力矩）的平均值不为零的时候，只要在这里选一个应力修正模型就可以了吗？
是否MSC.fatigue在计算时会先把这个载荷谱进行雨流计数，得到其Range、Mean和Cycle，然后套用所选的应力修正模型？

2. 存活率（Certainty of Survival）

疲劳试验用了十根试样，其寿命值因材料、试验等原因导致寿命值存在分布，即得到十个寿命值。用此数据预测你的零件寿命时，你用那一个呢？50%即为平均值，即十个试样中，有五个低于此寿命值，有五个高于此寿命值！且在Msc/fatigue中是起作用的！
% u: x* l. O% A! i2 _" h+ vflycomet 发表于 2003-11-14 12:25

这个值的选取不同，得出的寿命还是不同的
! D- y6 u$ e1 C' s我对我们的一个正在进行中的试验，先预测其寿命 ' n1 U @3 U; j3 p9 M
选96％时，寿命为63万次，选50％为180万次
; ], m9 u" G% i8 f* a- M$ ^, PJerry 发表于 2003-11-14 14:25

从安全性考虑，如果一个如航天构件，生存率取值要高；如果对一个农用运输车而言，生存率则可取低些！总之，根据你的需要进行选取！8 P0 l( Z' w |7 u
flycomet 发表于 2003-11-14 19:01

7 S% A# P9 ]4 I% f
……- e$ H% q% I9 B* G* o7 H
不同的存活率得到的寿命不同。此时你最好是求出1%-99%的一条分布曲线来。
8 T" X, g3 Y% F* L" tkkkyyy 发表于 2003-11-14 21:22

不能说疲劳没必要,是因为要做好疲劳很难,难在很多数据很难得到,因为要做很多次实验比如S-N曲线,很多都是根据经验得到的,或者直接通过极限抗拉强度,屈服应力估计的,' d4 t. g7 Z1 R# L/ i/ }1 l6 }1 O# ~
实验室里面，用特定的样品形状，施加特定的载荷来做出来的，而且是通过概率统计经过处理,一般的软件给出的S-N曲线在是存活率50%时候的,但在工程上不允许那么低,起码90%以上,这就要对S-N曲线进行校正
P" t' W. A @9 @" A4 r+ d6 uhuanghui01 发表于 2008-3-4 16:09

那么，我这里的计算有要求，存活率使用97.7%，我就在这里直接把存活率设为97.7%就可以了吗？
存活率修正的公式是什么呢？（既然大家的S-N大都是用UTS和E估计出来的）。前述Goodman、Gerber的公式教科书上是都有的。

3. 取节点或单元的应力

这个选项的含义我大致是明白的。主要就是涉及到从积分点应力向节点应力插值的情况。
对于有4个积分点的quad4单元，这里选Node的话，那么使用的是从积分点向4个节点线性外插的应力值。
选Element的话，使用的单元的应力，即4个积分点的平均值。
我在一些计算中发现，选择这两种方法计算出来的疲劳寿命相差是比较大的……
猜想是不是FEM模型在局部还不够精确，应力梯度比较大（网格不够密，应力分布不平滑），造成两种应力计算方式有比较大的差异，因此造成疲劳结果差异较大。

4. 加工工艺

表面处理、热处理工艺对疲劳寿命的影响很大，软件中选择不同的工艺计算出的结果差异明显，那么这里的各选项应该只是在某个地方考虑了一个系数吧？哪里可以查到这个系数（模型、经验公式、理论）呢？

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ps：给最近发的几个相关帖子做个链接
http://forum.simwe.com/thread-875979-1-1.html
http://forum.simwe.com/thread-876186-1-1.html

apprent · 发表于 2009-4-17 21:20:19

本帖最后由 apprent 于 2009-4-18 17:51 编辑

占一楼以备添加。
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感觉理论基础还是差得多，而软件又都过于黑箱了……
估计如果自己用数学软件编一套计算程序后才会非常明白。

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我像是来这里做笔记的，呵呵
希望还是能对软件新手们有点帮助。请众位高人不要鄙弃。

chenq1819 · 发表于 2009-4-18 10:00:08

和楼主同感？有的时候知其然不知其所以然。

apprent · 发表于 2009-4-18 17:07:27

本帖最后由 apprent 于 2009-4-18 17:55 编辑

对于——

3. 取节点或单元的应力

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来自《MSC.Fatigue User’s Guide 》的解释：

Results Location:
This parameter tells MSC.Fatigue whether to expect Nodal stress/strain results or Elemental centroid stress/strain results.
This dictates whether the user is setting up a global multi-node or global multi-element fatigue analysis.
Subsequent parameters, results file types, and results displays are dependent on whether nodal or elemental data is being considered.
If nodal data is being considered, the resulting fatigue lives are reported at the nodes.
Conversely, if elemental data is being considered, the fatigue lives are reported at the element centroids.
Fatigue cracks invariably occur at free surfaces, and hence when a crack initiation method is used, node points results are usually required.
The exception is when a shell model is used, element centroid results may be extrapolated to the top or bottom surface.
This is useful when there may be some doubt as to the accuracy of the node point results due to extrapolation and/or nodal averaging practices.
The spot weld analyzer uses forces and moments from both nodes and elements.
The SEAM-weld analyzer takes stresses from both the top and bottom surface and needs both nodes and elements for this.

翻译：
这个参数告诉MSC.Fatigue去提取节点的应力应变结果还是单元中心的应力应变结果。
这决定了用户将要进行全局多节点还是全局多单元的疲劳分析。
其后的设置参数——结果文件类型和结果显示，将依赖于上述选择——使用节点还是单元的数据。
如果使用节点数据，则疲劳结果将被呈现在节点上。
相反地，如果使用单元数据，则疲劳结果将被呈现在单元中心上。
疲劳断裂总是发生在自由表面，因此当进行“裂纹扩展”分析时，通常要求使用节点的数据。
例外的情况是，当使用壳单元模型时，单元中心的结果可能要被外插到顶层和底层表面。
此时这个选项便发挥作用了，因为外插和/或节点平均操作会给节点结果的精确性带来疑问。
点焊分析要使用节点和单元两者的力合力矩数据。
缝焊分析要使用节点和单元两者的从顶面到底面的应力数据。

Nodal Averaging:
Depending on how the finite element results are defined, nodal averaging of the stresses or strains may take place.
If grid point stresses exist and are selected, no averaging will occur.
However if the stresses or strains selected for the fatigue analysis are elemental based, such as results at integration points or elemental nodal values such that each element has a different value at the shared grid points, then nodal averaging will occur.
This averaging is done on a global basis such that every contributing element surrounding a particular node will be used in the averaging.
The exception to this is if Group is selected in which case only elements in the Current Group will be used in the averaging.
For the SEAM-weld analyzer only the current group can be used and no choice will be given.

翻译：
根据有限元结果的定义方式（使用节点还是单元数据），应力或应变的节点平均操作可能被采用。
如果节点的应力存在并且被选择使用，那么节点平均就不会发生（不需要了）。
然而如果基于单元的（比如积分点上值的或各单元在公共节点上有不同值的节点值）应力或应变被选中来进行疲劳分析，那么就需要进行节点平均操作。
节点平均操作是全局性的，也就是说，所有环绕着某一节点并对其有贡献的单元（在该节点的值）都将参与平均操作。
如果Group被选中，那么只有在当前组中的单元参与平均操作。
对于缝焊分析，只有当前组选项，因此这个选项变为不可改动。

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我的模型中使用的单元的结果，节点平均选择了Group，因为我给模型用了“表面覆壳”，表面加了一层0.0001mm厚的壳单元，设为一个单独的组，疲劳计算时只针对这一个组的壳单元。
因为：
1. 疲劳破坏/最低寿命一般都是发生在结构表面；
2. 使用壳单元提取出的应力都是结构表层的，而用实体单元的话，表面节点的应力是从表层下的积分点外插上来的，相对而言，使用壳单元提取的应力更精确；
3. 显然，只计算壳单元一个组，能减少计算量；
4. MSC.Fatigue手册中还给出一个理由，由于理论知识的不足，我不是非常明白：The shell element stresses are normally recovered in element coordinate systems which have the advantage of being in the plane of the surface. This makes multiaxial assessment easier.（壳单元的应力坐标系有一个优点：在结构表面的平面上。这个特点使多轴评估更容易。）
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我想知道：
上面用颜色标出来的 global multi-node fatigue analysis or global multi-element fatigue analysis 是什么意思？

resulting fatigue lives are reported at the nodes 跟 fatigue lives are reported at the element centroids 又有什么区别？（这个知道了，见下图——）

刚刚做了两个例子试了试，发现基于我的FEM应力结果，选单元和选节点，疲劳计算结果差别不大（如上图），云图分布趋势一致，而且用单元计算的，云图更加圆滑。

fly306 · 发表于 2009-4-28 15:20:38

学习过程中，也有同样的疑问，尤其是问题1和2.
向楼主学习。

ousyoubu · 发表于 2009-5-5 19:14:27

1. 平均应力修正（Mean Stress Correction）
那么，当我在MSC.fatigue中加载的载荷谱（力/力矩）的平均值不为零的时候，只要在这里选一个应力修正模型就可以了吗？
是否MSC.fatigue在计算时会先把这个载荷谱进行雨流计数，得到其Range、Mean和Cycle，然后套用所选的应力修正模型？

时间关系，先只讨论这个问题。
我一般只适用疲劳软件里的雨流处理，然后自己分析，因此对一直做到底的软件内容不太了解。但我是这么认为的：
如果选择应力修正模型，就必须给出平均应力，不给出平均应力的话，还是不进行修正。所以，既然软件已经雨流出了应力范围、和平均应力的结果，只要用户选择了修正模型，软件就应该自动把雨流出来的平均应力带入到模型里面去的，而不用用户再行专门带入。

ousyoubu · 发表于 2009-5-5 19:16:57

第二个问题将在“关于GL Wind中对S-N曲线的规定”的帖子讨论，不过今晚没时间了

。

lbt18872 · 发表于 2009-5-6 15:42:22

楼上的是做风电的吗，对风机结构疲劳计算应该很牛吧

daniu2006 · 发表于 2009-5-9 13:57:44

学习了，谢谢讨论！

静火 · 发表于 2009-7-16 19:03:22

学习了，谢谢先！

daniu2006 · 发表于 2009-8-28 16:54:27

学习软件中，谢谢讨论！

zhouxiaokun · 发表于 2011-1-3 21:12:36

一般情况下，是取节点力的

qingfeng7008 · 发表于 2011-2-15 09:58:40

正准备做疲劳相关的分析，谢谢楼主的分享，关于上面谈到的有一点疑问想请教一下：
“我的模型中使用的单元的结果，节点平均选择了Group，因为我给模型用了“表面覆壳”，表面加了一层0.0001mm厚的壳单元，设为一个单独的组，疲劳计算时只针对这一个组的壳单元。% ”
这个怎么实现的？

meiszp · 发表于 2011-2-22 21:28:41

做风电疲劳的人不少。

toney · 发表于 2011-4-17 15:01:37

好帖子，先mark了再仔细研究

gaoxiaolong · 发表于 2011-4-18 18:55:37

要好好研究一下

gaoxiaolong · 发表于 2011-4-18 18:59:46

要好好研究一下

toney · 发表于 2011-4-27 11:36:31

标记一下，慢慢学习

chjxd7c · 发表于 2011-4-29 15:09:15

学习了，谢谢!!

mlzhu · 发表于 2011-5-1 07:27:11

谢谢啊。这么好的资料。。

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