剛強度疲勞分析的案例
《汽車結構剛強度及疲勞分析》專業教材
本教程包含了結構分析的相關知識要點，從網格劃分開始，到線性分析、非線性分析、疲勞分析等。前處理使用了ANSA(僅網格劃分)、HyperWorks(網格劃分、NASTRAN、ABQUS)、ABAQUS、nCode相關CAE分析軟件。其中針對汽車CAE結構開發中的分析要求進行了匯總整理，隨著時間推移其中一些分析方法有可能已更新，但還是有參考價值。雖然使用HyperWorks中的ABAQUS能夠解決汽車結構分析的很多問題，但是直接使用ABAQUSCAE能夠更明確其中的原理，建議在HyperMesh完成前處理，在ABAQUSCAE中完成分析模型搭建。僅僅完成分析是不夠的，同時需要具備堅實的理論基礎和試驗經驗。本教程的首要目的是積累學習過程中的知識點，方便于后續查閱，其次幫助自己梳理知識架構，能夠對整體進行把控，最后是讓自己養成一個習慣。以上也是每個人學習過程中都要經歷的過程，單純看看或者是隨手記一下，均有可能會遺忘、丟失。所以系統的歸納是必須的。本教程能夠讓剛入門的工程師快速進入到結構分析工作中，雖然試驗是必要的，但是對于CAE從業人員來說，快速掌握CAE分析技術、技巧也是頭等大事。
大概的目錄請見下文，了解內容詳情和詳細目錄請加VX。注：無法開發票，介意者就不要考慮了；因為無法開發票要求便宜點的，也不要考慮了；我是學生要求便宜點的，也不要考慮了，我被坑了幾次了。畢竟積累這些知識是需要大量的時間的，所以也請尊重知識付費。
紙質版定價：￥5000
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展開 剛強度靜力學分析理論
如何將有限元理論和軟件界面操作，理論和工程中的相關參數的區別與聯系理解清楚可以觀看相關介紹課程，課程鏈接為：
http://www.yqgqt.org.cn/college/video/c15358
汽車下擺臂剛強度分析仿真APP
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</figure>
</div><p>汽車下擺臂剛強度分析APP針對汽車下擺臂建立分析模型，預測下擺臂在工作狀態下考慮不同載荷（側向力、垂向力、制動力）作用下的變形和受力情況；本APP支持調整擺臂下板的厚度、擺臂材料參數以及載荷，用于評估不同設計方案對下擺臂的剛強度的影響。根據不同車型的性能和設計需求，可以開發上擺臂、下擺臂剛強度分析APP，考察不同的擺臂材料、上/下板厚度等對其剛強度的影響。</p><div contenteditable="false" width="100%">
<figure class="figure-image" data-img="https://img.jishulink.com/202501/attachment/cf64b4b0236d4ebcb5b60dd9c3c25e55.png" style="text-align: center">
<img src="https://img.jishulink.com/202501/attachment/cf64b4b0236d4ebcb5b60dd9c3c25e55.png" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/202501/attachment/cf64b4b0236d4ebcb5b60dd9c3c25e55.png?
展開 基于SimSolid的蜂窩鋁板抗壓剛、強度分析
基于SimSolid的蜂窩鋁板抗壓剛、強度分析
sandwich.zip
1 引言
蜂窩板是由蜂窩芯和兩塊蒙皮復合而成。蜂窩芯有正六邊形、正方形、矩形等不同的形式。蜂窩板具有輕質、抗壓、減震、阻燃、保溫等一系列優點，因此被廣泛用于軍工、航天等行業。
2 傳統有限元蜂窩板仿真難點
傳統有限元針對蜂窩板仿真一般有兩種處理方式：
1. 抽中面，簡化成殼網格
該方式的難點在于抽中面，20*20六面體單包蜂窩板抽中面，中面嚴重破損。
2. 直接創建實體網格，四面體或者六面體
六面體單胞避免狹窄，使用實體網格網格數量將無法估量。
常規的做法是創建一個單包，然后陣列成整塊蜂窩板，但是這樣做同樣工作量巨大。
3 SimSolid的蜂窩鋁板抗壓剛、強度分析
3.1模型導入
600*600*60mm正六面體單胞夾芯蜂窩板。
3.2添加材料
鋁制蜂窩板，添加默認鋁材料。
3.3載荷與約束
添加一個靜態分析。底部全約束，頂部施加1000N載荷(合100Kg)。
3.4精度控制
3.5仿真結果
4 結論
這次SimSolid試用對鋁制蜂窩板進行了仿真分析，從模型導入到獲得結果不足5分鐘，效率非常高。傳統仿真針對蜂窩板仿真沒有理想的處理方式，可以使用SimSolid進行該類仿真。
展開 
proe建模_patran Nastran強度分析_fatigue疲勞分析
(1)
對模型進行強度分析，找出應力分布圖。（本人已解決）
(2)
對模型進行S-N疲勞壽命分析，找出模型的壽命云圖。材料隨便,是鋼材就行,載荷要求兩個面上的壓力30分鐘作用一次。（期待高人解決）
2 模型建立
三維建模軟件roE
強度分析:msc.patran，msc.nastran(2005R2版本)；
疲勞分析：msc.fatigue(2005R2，獨立版)
3 三維建模
三維模型很簡單，在proe中用mmns_part_solid模板建立模型，即單位為毫米，噸。模型尺寸為：兩段都為矩形梁，截面為正方形，邊長分別是30mm，15mm，長度分別是100mm，80mm，兩端方形梁的過渡段倒圓角半徑為5mm。建立好的模型如下圖：
4 模型轉化
將模型另存為ACIS文件，格式為sat文件。轉化的目的是為了更好的導入到patran中，當然也可以用其他格式導入。
5.強度分析
5.1 模型導入
啟動Patran，新建文件FromBeginToEnd，選擇File-Import導入模型。設置如下圖。
注意“ACIS Options…”，點擊進入單位設置，出現
點擊“Model Units…“，設置成如下圖
說明：此步驟的單位設置很重要，即在Patran中我們將使用工程單位：mm，Mpa，N，Tone等。
展開 飛機結構疲勞強度分析
1、飛機結構靜強度與結構可靠性計算: 結構靜強度計算方法有多種，但結構靜強度計算仍是結構設計的基礎，主要體現在下列三個階段。
1）飛機總體設計中的結構布局和結構形式的確定
2）對結構連接部位、開口區、復合材料鋪層等細節進行設計計算
3）結構靜強度校核階段
2、機翼和機身的強度估算：一般采用有限元方法，但在結構初步設計和結構強度分析時，常采用薄壁結構力學方法。
3、結構可靠性概念：可靠性是指結構在規定條件下和規定時間內，完成規定功能的能力。結構可靠性定義的要素是三個“規定”(“規定條件”、“規定時間”、“規定功能”）
結構在規定的條件下和規定的時間內，完成規定功能的概率稱為可靠度。
結構在規定的條件下和規定的時間內，喪失規定功能的概率稱為不可靠度或失效概率。
作為飛機結構的可靠性問題，從定義上可以理解為：“結構在規定的使用載荷/環境工作下及規定的時間內，為防止各種失效或有礙正常工作功能的損傷，應保持其必要的強剛度、抗疲勞斷裂以及耐久性能力。”可靠度則應是這用能力的概率度量。
4、1）結構靜強度可靠性是指結構元件或結構系統的強度大于工作應力的概率；
2）結構安全壽命可靠性是指結構的裂紋形成壽命小于使用壽命的概率；
3）結構損傷容限可靠性則一方面指結構剩余強度大于工作應力的概率，另一方面指結構在規定的未修使用期內，裂紋擴展小于裂紋容限的概率。
4）其它可靠度度量方法：
結構的失效概率F(t)，指結構在t時刻之前破壞的概率；
失效率λ(t)，指在t時刻以前未發生破壞的條件下，在t時刻的條件破壞概率密度；
平均無故障時間MTTF(Mean Time ToFailure)，指從開始使用到發生故障的工作時間的期望值。
5、飛機結構承受的疲勞載荷：
1）機動載荷：它是由于飛機在機動飛行中，過載的大小和方向不斷改變而使飛機承受的氣動交變載荷。
展開 飛機結構疲勞強度與斷裂分析
如開孔、開槽、倒角、螺紋等處容易出現疲勞裂紋。
（二）表面加工質量的影響
大量的破壞事例也證明：表面加工質量不高，也是影響飛機結構疲勞強度的重要因素。
（三）裝配效應的影響
使用經驗和疲勞試驗表明，各種裝配效應對結構的疲勞強度影響很大。
（四）使用環境的影響
1.腐蝕疲勞
金屬受到腐蝕，將產生“腐蝕疲勞”，使疲勞強度降低，因為腐蝕使金屬表面產生無數的小應力集中點，促使疲勞裂紋的形成。
2.擦傷疲勞
當兩個相互接觸的固體表面具有微小的相對運動時，表面會受到損傷，這就會引起“擦傷疲勞”（或稱“擦傷腐蝕”）。
3.高溫疲勞和低溫疲勞
溫度對結構的疲勞強度也有影響。
4.熱疲勞
構件在交變的熱應力作用下引起的破壞稱為“熱疲勞”。這種熱應力主要來自兩方面，①由溫度分布不均所引起的；②限制金屬自由膨脹或收縮所引起的。熱疲勞破壞常常表現為金屬表面細微裂紋網絡的形成，叫做“龜裂”。
5.聲疲勞
在聲環境下工作的構件，因為受到噪音的激勵而產生振動，由這種強迫振動引起的破壞，稱為“聲疲勞”或“噪音疲勞”。
五、提高飛機結構疲勞強度的措施
目前飛機設計制造，在結構布局、材料選擇和工藝方法等方面，都采取了許多措施來提高飛機結構疲勞強度。這里僅就與使用維護有關的方面作一介紹。
（一）減緩局部應力
由于應力集中是影響疲勞強度的主要因素。因此，減緩局部應力是提高構件疲勞強度的一項重要措施。在維護使用中減緩局部應力的方法，主要是增大圓角半徑和打止裂孔。
展開 飛機結構疲勞強度與斷裂分析
（三）裝配效應的影響
使用經驗和疲勞試驗表明，各種裝配效應對結構的疲勞強度影響很大。
（四）使用環境的影響
1.腐蝕疲勞
金屬受到腐蝕，將產生“腐蝕疲勞”，使疲勞強度降低，因為腐蝕使金屬表面產生無數的小應力集中點，促使疲勞裂紋的形成。
2.擦傷疲勞
當兩個相互接觸的固體表面具有微小的相對運動時，表面會受到損傷，這就會引起“擦傷疲勞”（或稱“擦傷腐蝕”）。
3.高溫疲勞和低溫疲勞
溫度對結構的疲勞強度也有影響。
4.熱疲勞
構件在交變的熱應力作用下引起的破壞稱為“熱疲勞”。這種熱應力主要來自兩方面，①由溫度分布不均所引起的；②限制金屬自由膨脹或收縮所引起的。熱疲勞破壞常常表現為金屬表面細微裂紋網絡的形成，叫做“龜裂”。
5.聲疲勞
在聲環境下工作的構件，因為受到噪音的激勵而產生振動，由這種強迫振動引起的破壞，稱為“聲疲勞”或“噪音疲勞”。
五、提高飛機結構疲勞強度的措施
目前飛機設計制造，在結構布局、材料選擇和工藝方法等方面，都采取了許多措施來提高飛機結構疲勞強度。這里僅就與使用維護有關的方面作一介紹。
（一）減緩局部應力
由于應力集中是影響疲勞強度的主要因素。因此，減緩局部應力是提高構件疲勞強度的一項重要措施。在維護使用中減緩局部應力的方法，主要是增大圓角半徑和打止裂孔。
1.增大圓角半徑
減緩局部應力的一般原則是：防止截面有急劇的變化，當這種變化不可避免時，應保證這種變化有足夠的圓角半徑。
殲6飛機前起落架輪叉在接耳根部易產生裂紋，就是由于接耳根部的圓角半徑過小（只有），且接耳根部外緣的圓弧過渡區過小或根本未加工出來，形成尖角造成的。針對這一情況，部隊采用了銼修和打磨的方法，工廠將接耳根部圓角半徑加大到并使根部外緣有一定寬度的圓弧過渡面（圖），從而排除了這一故障。
展開 基于optistruct＋ncode汽車車輪輪輞彎曲強度分析之疲勞分析-02 ￥100
本案例在于講述如何對汽車車輪輪輞結構強度進行彎曲工況仿真分析，尤其是如何對某點施加隨時間變化的動載荷，大家可根據實際需要并結合GBT5334-2005乘用車車輪性能要求和試驗方法去修改載荷譜。 輪輞與輪輻焊接后與輪胎組成一個整體，共同承受汽車的重力、制動力、驅動力、汽車轉向時產生的側向力及所產生的力矩，還要承受路面不平產生的沖擊力。
分析結果：
輪輞隨時間變化的受力變化動態云圖
分析模型：
模型及加載
加載載荷（位移加載，位移加載大小為下圖載荷的0.0001倍）：
與前期發的基于optistruct＋ncode汽車車輪輪輞彎曲強度分析之疲勞分析-01不同之處在于：前期發的案例加載是力隨時間變化的載荷，本案例加載是位移隨時間變化的載荷。
以上這部分分析在optistruct中完成，接下來根據上述彎曲強度分析的結果在ncode中進行疲勞仿真分析。
疲勞分析中所用的材料AL_ALLoy_UML_UTS400，其材料參數如下圖：
材料AL_ALLoy_UML_UTS400的S-N曲線,含應力修正，如下圖。
展開 高強度螺栓疲勞壽命分析與設計改進
借助有限元分析工具, 對某燃汽輪機風扇座環連接螺栓應力及接觸狀態進行了分析研究, 并計算出了螺栓的應力幅值。
將 ASME 標準與應變方法的疲勞曲線進行了對比分析研究, 確定選用 ASME 標準中的疲勞曲線進行螺栓疲勞壽命分析, 并與現場運行統計數據進行對比分析, 給出了一套有效的螺栓疲勞壽命預測方法。并在此基礎上給出提高螺栓使用壽命的結構改進的方法。
螺栓連接作為一種重要的結構連接方式, 已廣泛應用于各類工程領域中。然而, 在高預緊力載荷以及交變載荷作用下, 高強度螺栓發生疲勞斷裂的事故時有發生。針對高強度連接螺栓的疲勞壽命, 科研人員做了大量的研究并取得了一系列成果。
在此基礎上, 本研究以某型號燃汽輪機風扇座環連接螺栓為研究對象, 借助有限元分析方法, 對該螺栓的應力幅值及各連接部件的接觸應力狀態進行了分析和對比研究, 并基于疲勞分析方法對初始以及改進的螺栓壽命進行了預估分析, 從而確定螺栓疲勞的分析方法以及優化改進的方案。
研究對象概況
作為研究對象的某燃汽輪機風扇座環連接螺栓結構布置如圖1所示, 機組運行轉速為 3000 r/min, 在啟停機次數大約 800次之后, 風扇座環連接螺栓發生斷裂。斷口分析認為, 其螺栓破壞為低周疲勞斷裂。
從螺栓疲勞斷口圖 (見圖2) 來看：區域A為裂紋萌生區域, 該區域為螺紋的根部區域, 參考 ASME 標準, 該部位的應力集中系數不小于3.9, 屬于應力敏感區域, 也是螺栓斷裂的常見多發位置;區域 B 為裂紋擴展區域;區域 C 為斷裂失效區。
展開 小技巧 基于hyperwork的整車疲勞強度分析
在建立整車強度或者耐久模型時，一般要將白車身的part都放進一個assembly里面，并且按照材料類型進行細分，加上材料的屈服或者抗拉值。譬如part1-DC01-195。這樣在后處理時候可以減少很多工作量 ！疲勞一般輸出結果建立BIW的單元集合，以及焊點的hex單元節點集合 ！一般將模型分為一個包含節點，單元等信息的nas文件，和一個包含載荷，工況的bdf文件，其中用include進行調用，在方案優化階段只需要對nas文件進行修改。由于疲勞分析的載荷特別多，一般都是文本編輯好，保存為模板，方便后期使用時候，改下節點編號，提高通用性 ！在hv中進行后處理時，主要用andvanced命令，查找不合格的件。譬如單獨顯示assembly中的DC01集合，搜查應力高于190的part，保存為一個set集，逐個查看。
展開 
基于optistruct＋ncode汽車車輪輪輞彎曲強度分析之疲勞分析-01 ￥80
本案例在于講述如何對汽車車輪輪輞結構強度進行彎曲工況仿真分析，尤其是如何對某點施加隨時間變化的動載荷，大家可根據實際需要并結合GBT5334-2005乘用車車輪性能要求和試驗方法去修改載荷譜。 輪輞與輪輻焊接后與輪胎組成一個整體，共同承受汽車的重力、制動力、驅動力、汽車轉向時產生的側向力及所產生的力矩，還要承受路面不平產生的沖擊力。
輪輞隨時間變化的受力變化動態云圖
加載曲線：
以上這部分分析在optistruct中完成，接下來根據上述彎曲強度分析的結果在ncode中進行疲勞仿真分析。
疲勞分析中所用的材料AL_ALLoy_UML_UTS400，其材料參數如下圖：
材料AL_ALLoy_UML_UTS400的S-N曲線,含應力修正，如下圖。
分析結果：
損傷云圖
壽命云圖
從疲勞仿真分析的結果可以看出損傷最大的位置主要集中在螺栓孔連接處，且按照彎曲強度分析中定義的載荷譜，車輪危險點疲勞壽命為1777.2037次循環。
具體操作方法、疲勞設置、模型文件見附件。如購買本案例的朋友針對案例仿真操作實現有什么問題，請私信我。
展開 管道疲勞強度分析及優化(Ansys Workbench)
1.3 載荷邊界條件
非比例載荷疲勞壽命分析管道受到螺栓預緊力和液體沖擊力作用，其中螺栓預緊力大小恒定不變，而液體沖擊力循環作用在管道上，使管道產生疲勞。由于液體對管道只會產生膨脹力，并不會產生收縮力，因此施加的應該是脈動循環作用力。由于兩種載荷的疊加作用，在進行有限元軟件分析時需要采用非比例載荷疲勞壽命分析。該方法用兩個加載環境取代單一的加載環境，進行疲勞壽命分析時不采用應力比，而是采用兩個載荷環境的計算應力值來決定應力范圍。計算時需要兩個解，兩組結果都會使用到，采用求解組合（Solution Combination）實現，基于兩種環境的線性組合結果進行疲勞計算。
（１）建立兩個不同載荷的環境（Environment）。環境一：管道受到液體作用力，在管道上法蘭施加壓力3MPa，力的方向沿管道法蘭表面法向向上；環境二：管道受到螺栓預緊力作用。螺栓預緊力由于是恒力，所以需要分成兩個載荷步進行加載。在對應靜力分析環境下，在分析設置（Analysis Settings）中設置載荷步的步數為2，接下來在螺栓螺紋的圓柱表面添加螺栓預緊載荷（Bolt Pretension），在Step1中設置預緊力大小，在Step2中定義鎖定（Lock） 。
（２）增加一個求解組合（Solution Combination）分支條，在工作表（Worksheet）中，添加用于計算的兩個環境（Environments）。環境前的系數設置為1。
（３）為求解組合（Solution Combination）添加Fatigue Tool，并將載荷類型定義為“非比例”（Non‐Proportional），疲勞強度因子設置為0.8。
（４）定義疲勞壽命（Life），求解疲勞壽命大小。
展開 彎曲工況下車輪強度、疲勞分析方法對比
1.6材料參數
輪輻、輪輞的材料參數如下表1所示
2 邊界條件
2.1模型1、2彎曲工況強度分析邊界條件
根據車輪彎曲疲勞試驗的工作原理 [2],因為車輪內輪輞邊緣部分被試驗臺夾具壓緊固定，不能旋轉和移動，所以對內輪輞邊緣施加全約束，即六個自由蘇全部被約束。車輪承受的彎矩是通過加載軸施加的，在加載軸的自由端施加沿y、z方向施加隨時間變化的兩個力，該力的大小等于車輪試驗彎矩除以加載軸的長度：
其中，M為試驗彎矩載荷，L為加載軸長度，t為加載時間。
2.2模型3、4、5彎曲工況強度分析邊界條件
約束車輪內側邊緣6個方向的自由度[2]，在連接件與輪輻之間的5個螺栓上施加預緊力Fp=T/kd，其中T為螺栓的擰緊扭矩，k為汽車常用擰緊扭矩系數，d為螺栓的螺紋直徑。在加載軸的自由端沿y、z方向施加隨時間變化的兩個載荷：
2.3彎曲工況疲勞分析邊界條件
模擬車輪回轉彎曲疲勞試驗，計算車輪回轉彎曲疲勞壽命，螺栓安裝孔附近應力集中比較嚴重，最大Von Mises應力超過材料屈服強度。車輪實際安裝狀態下安裝孔附近一般不具強度風險，故不對此處靜強度及疲勞壽命做重點考察。
3 分析結果
3.1強度分析結果
考察螺栓孔附近、輪輻拉伸位置、通風孔附近的von Mises應力,如下圖5所示。
3.2疲勞分析結果
考察輪輻拉伸位置、通風孔附近的疲勞壽命如下圖6所示。
展開 大客車結構強度、振動及疲勞仿真分析
大客車結構強度、振動及疲勞仿真分析
目前長途客運大客車多為承載式車身，相對于非承載式車身，既降低了車架自身重量，又增加了整體剛度，而城市低地板客車、低速觀光車、機場擺渡車、校車等一些特殊領域，由于設計需求不同，采用的仍然是非承載式車身或半承載式車身。車輛設計時，不同形式的車身反饋出來的問題多有不同，其安全系數、載荷大小、重點分析工況等也不盡相同。
采用CAE方法對車身骨架進行仿真分析，可以在設計階段模擬車輛的各種行駛工況，可以快速、全面地獲得結構的剛度、強度、振動特性、疲勞性能等方面的問題，并進行徹底的結構優化。沒有計算機仿真技術而關起門來造車的時代已經不復存在。
客車分析需要考察的基本工況包括：剛度分析、強度分析、模態分析、疲勞分析，以及部分特殊車輛的側翻、碰撞分析。（今天和大家討論的是基本內容，有的朋友喜歡要“干貨”，把關鍵問題點透，就是“干貨”，例如懸架系統的合理簡化方式、帶平衡軸板簧的簡化方式等等，潛意識的簡化往往帶來錯誤的分析結果，有需求的朋友可以進一步交流每個環節的關鍵問題。）
剛度分析主要考察車身抵抗變形的能力，包括彎曲剛度、扭轉剛度，問題車輛往往導致的后果是玻璃脫落或破裂、車門閉合不嚴等問題。
強度分析主要考察：
1、彎曲工況：
考察車輛滿載并受到路面沖擊時的強度，根據使用路況的不同，采取的動載系數一般為1.5~2.5范圍內：
2、轉彎工況：
一般考察車輛滿載以指定車速、方向盤打死情況下或鄰近側翻時車身的強度（估計不會有人這樣開車，但也不能遇上這樣的手就車架開裂吧），此時車輛除了承受重力載荷，還承受側向加速度。
3、制動工況：
制動時的制動加速度取決于參考路面的附著力系數和制動力的分配情況，有的車輛允許車輪抱死，則取最大路面附著力系數，不允許抱死的車輪需要參考制動力大小。
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