常用结构疲劳分析软件的对比【转帖】

2012-12-5 09:15| 发布者: aspen| 查看: 5997| 评论: 0|原作者: Chelsea|来自: 振动论坛

摘要: 结构的疲劳破坏是其主要的失效形式，结构的疲劳强度和疲劳寿命是进行结构抗疲劳设计、强度校核的重要内容。随着计算机技术和有限元技术的发展，结构疲劳分析方法在各个行业得到了广泛的应用，出现了多种疲劳分析软件 ...

2 功能的比较
2.1 材料数据库的比较
      高质量的材料数据是进行疲劳计算的根本保证。所以，各个疲劳软件都提供了强大的材料数据库。
2.1.1 nsoft软件的材料数据库
      在nsoft软件中包含150种钢和铝合金的材料数据。这些数据包含的内容有：一般信息、单调拉伸数据、应变寿命和应力寿命数据、断裂力学数据和多轴疲劳的的数据。并且有专门的数据管理系统mdm，可以进行数据的加载、编辑、创建、删除以及绘图等的操作。
2.1.2 FE-safe软件的材料数据库
      提供了常用材料钢、铝合金、体合金的疲劳性能数据。材料数据是根据其主要的使用环境来管理的。主要包含的材料疲劳性能有：一般数据信息、材料的说明、应变寿命曲线数据、稳态循环应力应变曲线、应力寿命曲线、失效概率、蠕变等的数据。对于这些数据同样可以进行编辑、绘图等的操作。
      可以进行材料参考文件的链接。例如一个材料测试报告，通过设定路径可以建立链接来使用这些数据。并且可以建立网络链接。
2.1.3 WinLIFE软件的材料数据库
      对于WinLIFE材料数据库的使用，需要安装Borland数据库引擎。材料数据库的内容包括：材料的描述、单调拉伸性能、循环性能、循环测试环境、化学成分。可以将测试的材料数据导入到软件中。也可以进行绘图、编辑等操作。
2.1.4 小结
      从材料数据库方面来看，这三个软件中的前两个软件无论是在疲劳数据的管理还是包含的材料信息方面都比最后一个软件要强。但前两个软件是由英国推出的、最后一个软件是由德国推出的，所使用的材料的牌号都是本国的或是一些组织的牌号，如SAE的牌号。如果是中国用户使用的话，这些数据库所提供的材料参数的利用率就会大打折扣。
      这三个数据库中所包含的材料性能数据不完全相同。主要是因为这些软件在功能上的不完全相同。WinLIFE软件不考虑温度和腐蚀环境对疲劳影响的情况，并且不包含线弹性断裂力学的分析部分，所以在数据库中就没有这方面的数据。

2.2 S-N曲线的产生方法和修正方法的比较
      材料数据库中所给出的材料或进行实际测试的材料的S-N曲线数据是根据标准的光滑试件在对称横幅循环载荷下得到的。但在实际的结构中很难找到和标准试件完全相同的形状和使用环境的情况。实际的结构一般不是光滑试件，应力比也不是-1，尺寸大小也不尽相同，表面状态、载荷形式、加载频率也差异很大。如果要在实际的结构中使用材料的S-N曲线，就必须进行这些修正。
      对于没有可用S-N曲线的材料，需要进行疲劳寿命的计算时，一般通过静强度的材料参数来估算S-N曲线。估算的方法和采用的材料参数，三个软件不尽相同。
      本节主要对S-N曲线的估算方法和修正方法进行比较。
2.2.1 S-N曲线的估算方法的比较
2.2.1.1 Nsoft软件的S-N曲线估算方法
近似S-N曲线的产生仅仅依赖于极限拉伸强度，UTS。产生的方式如下表：
      循环       应力
铁合金（钢）       1       1.0 X UTS
      1000       0.9 X UTS
      1000000       0.357 X UTS
钛合金       1       1 X UTS
      1000       0.8 X UTS
      1000000       0.307 X UTS
铝合金       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
      在软件的操作中只需要输入两个参数：材料的类型（钢、铝、钛、其他）和材料的拉伸强度极限，就可以得到材料的S-N曲线数据。
2.2.1.2 FE-safe软件的S-N曲线估算方法
      这个软件认为S-N曲线近似等于局部应力应变法中的弹性部分：

      斜率和可以通过coffin-manson关系式的估算得到。
      对于coffin-manson关系式的估算，该软件把材料分为五种类型：钢（脆性）、钢（延性）、铝合金（脆性）、铝合金（延性）、钛合金。
      需要输入的参数包括：材料类型、材料的拉伸极限强度和材料的弹性模量。
      至于，coffin-manson关系式的估算在后面的局部应力应变法的计算中将会给出相应的计算方法。
2.2.1.3 WinLIFE软件的S-N曲线估算方法
      该软件提供了三种S-N曲线的估算方法：Hauck方法、Haibach方法和FKM方法。这些方法和修正方法混合在一起不好区分。
      该三种方法在用户手册中没有详细的讲出，具体的计算方法和计算过程不是很明确。
2.2.2.4 小结
      三个软件采用了不同的方法给出近似的S-N曲线。存在的问题是：这三个软件给出的方法那个更好，需要进行分析；FE-safe软件给出的S-N曲线有很大的局限性；没有明确的给出这些方法是如何确定S-N曲线的疲劳强度的。
      FE-safe软件给出的S-N曲线，仅适用于疲劳寿命在之间的结构的疲劳寿命计算。如果疲劳寿命小于的话，计算将存在很大的误差。

2.2.2 S-N曲线的修正方法的比较
      由材料的S-N曲线到结构的S-N曲线一般需要进行修正。需要进行的修正包括：应力集中（理论应力集中系数、疲劳强度缩减系数）、尺寸大小、机械加工粗糙度、表面热处理（渗碳、渗氮、表面淬火等）、表面的冷处理（滚压、喷丸、挤压等）、载荷类型（拉压、剪、扭、弯）、加载频率、加载波形、平均应力等。一般认为加载频率和加载波形的影响很小，可以不考虑。
2.2.2.1 Nsoft软件的S-N曲线修正方法

提供的修正系数包括
疲劳强度缩减系数，用户设定
表面状况，包括的内容有：no finish、Ground、Good machined、Average machined、Poor machined、hot rooled、forged、Cast、Water corroded、seawater corroded、user defined、unchanged。
表面处理，包括：不进行处理、氮化处理、冷滚压处理、喷丸处理
尺度系数，用户设定
偏移量：用户设定，用于施加表面残余压应力
小循环修正：haibach

2.2.1.2 FE-safe软件的S-N曲线修正方法

提供了以下的修正系数：
表面状况
表面处理
残余应力

2.2.2.3 WinLIFE软件的S-N曲线修正方法

一条完整的S-N曲线的产生需要输入以下的参数
材料类型：钢、铸铁、灰铁等
计算模型：Hauck、Habach、FKM
载荷类型：拉压、弯、扭、剪
处理：没有处理，滚压/锻造
拉伸强度
屈服强度极限
应力梯度
应力集中系数
表面粗糙深度
安全系数

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