為何需要疲勞分析？

-機械零部件80-90%的失效形式是疲勞；

-應力分析只是結構壽命和可靠性分析的一部分，而不是全部。評定結構壽命和提高產品的可靠性需要分析疲勞失效；

-在設計早期減少原型制作，降低開發成本；

-在設計階段估計產品壽命，加快產品投放市場時間；

-采用系統化方法評估產品壽命，增強耐久性，質量和性能。提高產品的市場競爭力。

MSC.Fatigue

一體化疲勞壽命預測系統

在產品設計階段使用MSC Fatigue，可在設計制造過程之前進行疲勞分析，并為集成的壽命管理創造一個MCAE環境，真實地預測產品的壽命，極大地降低生產原型機和進行疲勞壽命測試所帶來的巨額開銷。

MSC.Fatigue已經使世界眾多的知名公司和企業從中獲得巨大的經濟效益，涉及從空間站、飛機發動機到汽車、鐵路，從空調、洗衣機等家電產品到電子通訊系統，從艦船到石油化工，從內燃機、核能、電站設備到通用機械制造等各個領域。早期疲勞分析可提高產品的可靠性，增強客戶對產品性能的信心，同時也可減少售后保修維護等費用，避免產品招回等難以預計的嚴重后果。

MSC.Fatigue功能

全壽命分析 (S-N)

全壽命法，即通常所說的應力～壽命法或S-N方法，該方法并不嚴格區分裂紋產生和裂紋擴展，而是給出結構發生突然失效前的全壽命估計。

特色：雨流循環計數；名義應力修正；焊接結構；統計置信參數；Palmgren-Miner 線性損傷；用戶自定義循環；材料和部件的 S-N；表面條件；安全系數分析；多軸狀態指示。

應變 (萌生) 壽命（E-N）

也叫初始裂紋壽命，采用先進的初始裂紋模型或應變～壽命（ε-N）模型，預測產品從初始工作狀態到產生初始裂紋時的疲勞。

特色：循環應力－應變模型；SWT & Morrow 平均應力修正；Neuber等彈－塑性修正；疲勞失效概率（統計置信參數）；考慮溫度修正；疲勞安全系數分析；表面條件；用戶自定義的疲勞單位；雙軸修正；Palmgren-Miner 線性損傷。

裂紋擴展

裂紋擴展壽命要根據有限元模型提供的結構應力分布，結構載荷的變化以及材料的疲勞特性等條件，預測裂紋的擴展速率和時間。研究裂紋擴展常采用傳統的線彈性斷裂力學（LEFM）。

特色：逐個循環地模擬；按時間順序的雨流循環計數；多環境材料性質；Kitagawa 最小裂紋尺寸；門檻模擬；裂紋閉合和延遲；用戶定義的循環；斷裂韌性失效準則；表面和埋藏裂紋；修正的 Paris 定律。

虛擬應變片

提取有限元結果，結合載荷隨時間變化歷程，為應變片創建響應時間歷程，支持多種形式的應變片（花）——單軸, T, Delta和直角；疊層式片和平面片；用戶自定義應變片。

價值：簡化了有限元模型和物理模型的驗證過程；便于獲取難以測量位置處的信息，補充缺失數據和獲得新數據；降低驗證成本；測試數據用于疲勞分析。

多軸疲勞

預測結構在多軸應力狀態下的疲勞壽命。與常用的單軸或比例載荷情況不同，多軸疲勞方法采用了非比例、多軸應力狀態假設，并通過裂紋擴展法預估結構壽命，分析結構的安全系數。

多軸疲勞強調在非比例加載下的多軸應力應變狀態：

-多軸應力狀態下的塑性建模

-四種臨界面模型（Fatemi-Socie 等）

-使用多軸雨流計數的Wang-Brown方法

-多軸安全系數分析 - Dang Van & McDiarmid 方法

-損傷、壽命云紋圖

-損傷極坐標圖

多軸疲勞分析實例

焊接疲勞

焊接疲勞基于有限元分析結果，可預測兩塊金屬板在焊接連接處的疲勞壽命。焊接方式包括點焊和縫焊。計算中將結構的點焊看作是連接兩塊金屬板的剛性桿，或者用CWELD單元來模擬點焊，縫焊用殼單元或者CSEAM單元來模擬，而金屬板用薄殼單元描述。該方法利用桿單元橫截面所受的力和力矩來計算焊接處的應力，然后采用S-N方法，完成結構的全壽命疲勞分析。

采用Spot Weld，可準確預測點焊的疲勞壽命，優化點焊的數量和大小，從而降低制造成本，增加產品可靠性。

價值：預測薄壁結構的疲勞壽命，例如包括很多點焊和縫焊的車身；利用MD Nastran和 MSC.ADAMS靜力和動力結果；自動提取點焊組和焊縫線相鄰的殼單元組。

成功案例: 減少點焊數目

客戶： 卡車供應商

挑戰： 將點焊數量減少10%，提高駕駛室的生產效率，降低成本。

解決方案： 對客車駕駛室進行疲勞壽命計算, 刪除疲勞壽命最長的點焊，重新繼續疲勞計算。

價值： 在確保當前結構耐久性不變的條件下，刪除400個點焊。每個駕駛室在裝配線上節約30分鐘。

振動疲勞

預測結構在隨機振動載荷下的疲勞壽命；在頻域進行仿真計算（輸入載荷在頻域中描述，損傷分析）；可使用頻響結果或隨機振動分析的結果；求解方法DIRLIK，具有通用性。

仿真的靈活性

輪轂疲勞

可以對車輪或其它旋轉體進行疲勞分析，這些結構的特點為承受的載荷是沿著旋轉體的外圍傳播的。通過載荷施加到車輪連續扇區上而完成仿真分析。

在MSC Fatigue中，可以在損傷最嚴重的表面角度為每一個節點繪出疲勞壽命和疲勞損傷云圖。MSC.Fatigue Wheels應用領域：所有類型的車輪或帶輪的交通工具；在循環載荷作用下的旋轉機械。

成功案例：BF Goodrich

客戶： 飛機輪轂制造商

挑戰： 盡量減少物理實驗

解決方案： 采用MSC.Fatigue，預測一系列的載荷工況下輪轂的壽命。

價值： 縮短項目倒入時間，提高設計能力，為產品定型提供參考數據。

工程應用實例

電機轉軸應力強度和疲勞分析

電機軸有限元模型及約束

載荷

驅動扭矩時間圖

轉軸應力時間圖

轉軸應力沖擊曲線

疲勞壽命計算

轉軸的疲勞壽命：

材料 45#鋼，E=2.1e5MPa， UTS = 333MPa。材料的疲勞曲線如下：

疲勞計算結果

疲勞壽命計算結果：最低壽命3.34e5。最低壽命點即：2783.3小時

機車轉向架疲勞壽命分析

載荷工況：動力學計算得到的載荷譜

分析軟件：MSC.Adams，MSC.Nastran，MSC.Fatigue

用虛擬疲勞樣機技術預測機車轉向架側架的疲勞壽命

機車轉向架側架的疲勞壽命

-轉向架側架模型：節點數：24萬，單元數19萬（10節點）

-典型的載荷工況：垂向載荷，橫向載荷，隨機載荷譜

-分析軟件：MSC.Nastran，MSC.Fatigue

輪轂疲勞分析

轉向節有限元疲勞壽命分析

轎車底盤轉向節模型：節點數96312，單元數77341（10節點）

典型的載荷工況：重復轉向載荷，轉彎載荷，制動載荷

分析軟件：MSC.Nastran，MSC.Fatigue

后橋殼虛擬疲勞分析

風力發電機組輪轂分析及優化

水泥輸送泵車結構疲勞壽命分析

門式吊裝機構多學科一體化仿真

門式吊裝機構一體化仿真是一個典型的多學科集成問題，涉及：

-吊裝機構運動學動力學分析，分析機構各構件運動關系及受力關系；

-吊裝機構重要部件的結構強度計算，分析部件在具體工況中的應力、應變和變形，在運動學動力學分析中引入有限元彈性因素，進行剛彈耦合分析，可以在動力學分析中考慮部件彈性的影響，同時可以在動力學分析過程中考察動態應力和變形；

-吊裝機構重要部件的疲勞壽命計算；

-吊裝機構驅動控制系統與機械系統的機電一體化協同分析，研究機械系統在驅動控制作用下的響應特性。

仿真分析流程

-在Adams中建立吊裝機構的動力學分析模型，進行機構運動學動力學分析

-使用Nastran對關鍵承載部件進行有限元分析，得到模態中性文件

-將Adams中的相應部件替換為彈性體，進行剛柔耦合動力學計算，在動力學計算中考察彈性部件變形及應力，或者輸出彈性體的受力信息，在Nastran中進行詳細的結構有限元計算

-計算彈性部件的的載荷時間歷程，通過Adams與Fatigue接口，將相關信息導入進行關鍵部件的疲勞壽命計算

-進一步的仿真需求，在Easy5中建立吊裝機構驅動控制系統，定義Easy5控制系統模型與Adams機械系統模型之間參數傳輸關系，通過Adams/Controls進行機電一體化聯合仿真

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