常用结构疲劳分析软件的对比.docx

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常用结构疲劳分析软件的对比

常用结构疲劳分析软件的对比

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。

常见的有：

FE-Ｆａｔigue、FE-safe、MＳC-Fatiguｅ、Nsoft系列和WinＬＩFE软件。

这些软件分别由不同的公司推出,其中FE-Faｔiｇuｅ和Nsofｔ软件是由英国的Ncodｅ公司推出的；MSＣ-Faｔigue软件是由Ncｏde和MSC公司合作开发的疲劳分析软件；FＥ-safｅ软件是由英国的SａｆｅTｅchnology公司开发的;WiｎLIＦE软件是由德国的SteinbeｉsＴZ交通中心开发的。

从以上可以看出,可以认为目前疲劳分析软件主要提供商是Ｎｓoｆt公司、SafｅＴeｃｈnoｌogｙ公司和Sｔｅinbｅis　ＴZ交通中心这三个单位。

所以,我们把对比的对象选择为这三家单位的最新推出的疲劳软件,分别为：

NcodｅICE　ｆilｏw系列的glyｐhｗork、FE-safe5．２版和WｉnLIFE3．２版。

疲劳分析软件之间的差异主要表现在五个方面:

操作、接口、可视化、功能和价钱。

疲劳分析软件一般作为有限元软件的后处理来进行结构的疲劳分析，需要把有限元的结果文件导入进行分析,和目前广泛使用的用限元软件的良好匹配是很重要的;疲劳分析软件是否能为工程师提供满意的解决实际问题的工具是一个十分关心的问题。

所以在这里主要对比的内容是:

接口和功能部分。

操作和可视化也有所提及。

至于价钱不在分析的范围之内。

1、三种软件接口的比较

1.1Nsoｆt软件的接口

在Ｎsｏfｔ软件中，可以直接将有限元元软件的计算结果直接倒入到软件中,并能直接读出模型的材料和单元分组、以及应力的信息。

并可以将导入的文件显示出来。

Nsｏft软件中，可以直接导入的有限元软件及文件格式如下:

Ｐａtrａn／ｎａstrａn的文件形式.op2

I-DEＡS的文件形式.ｕnv

ANSYS的文件形式．rsｔ

Ｐｒo／Mecｈanｉｃa的文件形式.ｎeu

ABAＱUS的文件形式.fil

1.2ＦE-sａfe软件的接口

FE－safe　软件可以直接读入有限元软件的分析数据,例如应力、应变和温度等。

可以直接读入的软件的结果文件格式如下:

ＡBAＱUS软件的格式为：

.ｆiｌ文件、.ode文件

ANＳＹＳ软件的格式为:

.ｒst文件

NASTRAＮ软件的格式为：

．f06文件、.op2文件

Pｒo/Ｅnｇineer软件的格式为：

．s0１文件、s02文件等文件（应力）.d01文件（温度）

SDRCI-ＤEＡS软件的格式为：

.unv文件

1.3　WinLＩFE软件的接口

WiｎLIFE　软件的合作者是NASTRＡN（MAS.viｓuaｌNAＳTRＡN4　Windows）和NE/ＮASＴRAN。

这两个软件是采用FEMＡＰ作为前处理和后处理的。

这就决定了ＷｉｎLIＦE所能识别的数据的结构。

其他有限元程序如果使用了FEMAＰ，都可和WｉnLIFＥ进行连接,不存在任何问题。

WinLIFE　3.2版软件提供了和NASTＲAN软件、SＤRCI-DEAS软件的文件交换界面。

但在该软件的使用手册中只提供了和NAＳTRAN软件之间交互界面的安装。

在NAＳTRAN软件中安装WinLIFE-menu，将NASTRAN软件的有限元结果输出为WｉｎLIFE的输入文件*.ＬST。

在这个输入文件中包含了节点的编号和节点的应力。

ﻫ１.4小结

从以上的内容可以看出,前两个软件和其他通用有限元软件的可以实现广泛的匹配使用,并且可以直接使用有限元软件的计算结果文件,可以在计算过程中实现自动搜索疲劳热点部位和每一单元或节点的损伤，并实现疲劳计算结果的可视化。

第三个软件只能实现和Patｒan/Ｎａｓtrａn的文件互换,需要人为动手实现有限元计算结果的导出。

这对于软件的广泛应用将是不利的。

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。

2.１．３WiｎLIFＥ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。

2.2.1Ｓ-N曲线的估算方法的比较

２.2.1.1Nsoft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

H铁合金（钢）      1 　     1．0　xＵTS

 　     １000      0.9ｘUTS

1000000 　  　   0．357ｘUＴＳ

`钛合金      1      1xUTＳ

      1０00      0.8ｘＵTＳ

1000000      0.3０7ｘＵTS

铝合金      １ 　     1xUTS

100０      0.7ｘＵTS

1０００00０      0.258ｘ　UTＳ

其他合金 　     1      1xUTＳ

10０0 　     0.8xUTＳ

1000００0      0.274xUTS

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。

２.2．1.２ＦＥ-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。

2.2.1.３WｉnＬIＦE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。

2.2.2S-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。

２．2．2．１Nsｏft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：

nofinisｈ、Ｇround、Goodmａchined、Aveｒagemachiｎｅd、Ｐｏoｒｍachiｎｅｄ、hot　rooled、fｏrged、Casｔ、Ｗatercｏrrｏｄｅd、ｓeawaterｃｏrｒｏｄｅd、ｕsｅrdeｆineｄ、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

2.2．1.２FE-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

２.2.２.3WiｎＬＩＦE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

2.3S-N曲线方法的比较

２.３.1　Nsｏft软件的S-N曲线方法

Nsoft软件的S-N曲线方法采用的是线性方法,即有限元分析为线弹性分析。

疲劳分析所采用的载荷和有限元分析中的载荷成一定的比例；疲劳分析所采用的应力等于有限元分析的应力乘以疲劳载荷和有限元分析载荷的比值。

然后按照一定的准则分析节点应力、单元应力。

这些准则包括：

最大应力准则、最大应变准则、ｍisｅs准则、ｔrsecａ准则等。

可以进行单元的上表面、下表面和中面的疲劳分析。

对于进行了非线性分析的有限元模型，按照这样的计算将会得不到预定的要求的。

对于随机载荷的处理需要进行工作是:

把随机载荷化简为恒幅载荷来处理。

这就需要考虑材料的记忆效应。

常用的而且已经被证明是有效的方法是通过雨流计数方法。

通过雨流计数法后的数据一般不是均值为零的恒幅循环，所以还需要进行平均应力的修正。

该软件所采用的雨流计数方法为：

四点雨流计数法