快速学会一项分析-SN(应力寿命)法疲劳分析OS-T:1340
汽车控制臂是悬架系统中的关键部件，它负责传递车轮与车身之间的力和力矩，对车辆的行驶稳定性和安全性起着至关重要的作用。由于汽车在行驶过程中会经历各种复杂的路况，控制臂会受到周期性的载荷作用，这些载荷会导致控制臂产生疲劳损伤，最终可能发生疲劳断裂。因此，对汽车控制臂进行S-N（应力-寿命）疲劳分析是非常必要的。
在开始之前，请将本教程中使用的文件复 制到您的工作目录。http：//majorv.help.altair.com/minorv/simulation/tutorials/hwsolvers/optistruct/OS-T-1340/ctrlarm.zip
OptiStruct 使用 S-N 方法计算疲劳寿命。S-N 方法适用于高周疲劳，其中材料主要承受弹性范围内的循环应力。在这种应力范围内的结构通常应能够承受 1000 次以上的循环。
S-N 方法基于弹性循环载荷，推断 S-N 曲线应限制在大于 1000 次循环的数字。这确保了没有明显的塑性发生。这通常被称为高周疲劳。
图 1.S-N 曲线上的低周和高周区域
由于 S-N 理论涉及单轴应力，因此需要将应力分量分解为每个计算点、每个时间步长的一个组合值，然后用作施加在 S-N 曲线上的等效标称应力。
在 OptiStruct 中，可以使用各种应力组合类型，默认为绝对最大主应力。一般来说，对于脆性材料，建议使用绝对最大主应力，而对于延展性材料，建议使用von Mises 应力。带符号参数上的符号取自 Maximum Absolute Principal 值的符号。
图 2.疲劳分析流程图
疲劳定义的三个方面是疲劳材料属性、疲劳参数以及载荷序列和事件定义。
·疲劳材料属性（S-N 曲线）
图 3.两段 S-N 曲线
FATDEF：定义将用于疲劳分析的单元和关联的疲劳属性。
PFAT：定义单元的表面处理、处理层和疲劳强度降低系数。
MATFAT：定义疲劳分析的材料属性。这些特性应从材料的 S-N 曲线中获得（图 3）。S-N 曲线通常是通过对镜面抛光样件进行完全反向弯曲而获得的。S-N 曲线可以是一条线段或两条线段。
·疲劳参数
图 4.平均应力校正
FATPARM：定义疲劳分析的参数。这些方法包括应力组合法、平均应力校正法（图 4）、雨流参数、应力单位。
·疲劳序列和事件定义
图 5.加载时间历程记录
FATSEQ：定义疲劳分析的载荷顺序。此卡可以指另一张 FATSEQ 卡或 FATEVNT 卡。
FATEVNT：定义疲劳分析的载荷事件。
FATLOAD：定义疲劳载荷参数。
在本教程中，使用了由制动力和垂直力加载的控制臂，如图 1 所示。采用图 2 所示的 2545 秒、1 HZ 的两种时间历程加载。控制臂中使用的材料的 SN 曲线如图 4 所示。由于裂纹总是从表面开始，因此创建了壳单元的表面单元以覆盖实体单元，这也可以提高计算的准确性。
图 6.疲劳分析模型的控制臂
图 7.Vertical Force 的加载时间历程
图 8.制动力的加载时间历程
图 9.SN 曲线
本练习使用的模型是控制臂的模型，如图 1 所示。载荷和边界条件以及两个静态载荷工况已经在此模型上定义。
一、启动 HyperMesh 并设置 OptiStruct 用户配置文件
1.启动 HyperMesh。
此时将打开User Profile对话框。
2.选择OptiStruct并单击OK。
这将加载用户配置文件。它包括相应的模板、宏菜单和导入阅读器，将 HyperMesh 的功能缩减为与生成 OptiStruct 模型相关的功能。
二、导入模型
1.点击File>Import>Solver Deck。
导入选项卡将添加到您的选项卡菜单中。
2.对于 File type ，选择OptiStruct。
3.选择文件图标，此时将打开 Select OptiStruct 文件浏览器。
4.选择您保存到工作目录的ctrlarm.fem文件。
5.单击Open。
6.点击Import，然后点击Close关闭 Import 选项卡。
三、搭建模型
3.1 定义 TABFAT Load Collector
定义加载顺序的第一步是定义 TABFAT 曲线。这表示加载历程记录。
1.确保在View菜单中选择 Utility 菜单。点击View>Browsers>HyperMesh>Utility。
2.单击浏览器中Model选项卡旁边的 Utility 菜单。在 Tools 部分，单击TABLE Create。
3.将option设置为Import table。
4.将 Tables 设置为TABFAT。
5.点击Next。
6.浏览加载文件。
7.在Open XY 数据文件对话框中，将文件类型筛选器设置为CSV （*.csv）。
8.打开保存到工作目录的 load1.csv 文件。
9.Create 名称为 table1 的新 table。
10.单击Apply以保存表。
这就创建了TABFAT card image的曲线table 1。
11.浏览第二个加载文件load2.csv。
12.Create 名称为 table2 的新 table。
13.单击Apply以保存表。
创建带有TABFAT card image曲线table 2。
14.退出Import TABFAT窗口。
表格显示在Model Browser中的曲线下。
Note：DAC 格式的文件可以很容易地以 HyperGraph 格式导入，并转换为 CSV 格式，以便在 HyperMesh 中读取。
3.2 定义 TABLOAD Load Collector
1.在 Model Browser 中，右键单击并选择Create>Load Collector。
2.对于 Name ，输入 FATLOAD1。
3.单击Color并从调色板中选择一种颜色。
4.对于 Card Image，从下拉菜单中选择FATLOAD。
5.对于TID（表ID），从曲线列表中选择table 1。
6.对于 LCID（载荷工况 ID），从Load Step列表中选择SUBCASE 1。
7.将 LDM （载荷大小） 设置为 1。
8.将 Scale 设置为 3.0。
9.重复该过程以创建另一个名为 FATLOAD2 的Load Collector ，其中FATLOAD作为card image，并指向table 2和SUBCASE 2。
10.将 LDM 设置为1，将 Scale 设置为 3.0。
3.3 定义 TABEVNT Load Collector
1.在 Model Browser 中，右键单击并选择Create>Load Collector。
2.对于 Name ，输入 FATEVENT。
3.对于 Card Image，选择FATEVNT。
4.将 FATEVNT_NUM_FLOAD 设置为 2。
5.单击 Data 字段旁边的 Table 图标，然后在弹出窗口中为 FLOAD（1） 选择FATLOAD 1，为 FLOAD（2） 选择FATLOAD 2。
3.4 定义 TABSEQ Load Collector
1.在 Model Browser 中，右键单击并选择Create>Load Collector。
2.对于 Name ，输入 FATSEQ。
3.对于 Card Image，选择FATSEQ。
4.对于 FID（疲劳事件定义），从Load Collector列表中选择FATEVENT。
定义疲劳分析的事件序列已完成。接下来定义 Fatigue 参数。
3.5 定义疲劳参数
1.在 Model Browser 中，右键单击并选择Create>Load Collector。
2.对于 Name ，输入 fatparam。
3.对于 Card Image，选择FATPARM。
4.验证 TYPE 是否设置为SN。
5.将 STRESS COMBINE 设置为SGVON （Signed von Mises）。
6.将 STRESS CORRECTION 设置为GERBER。
7.将 STRESSU 设置为MPA （Stress Units）。
8.将 RAINFLOW RTYPE 设置为LOAD。
9.将 CERTNTY SURVCERT 设置为 0.5。
3.6 定义疲劳材料属性
疲劳分析的材料曲线可以在 MAT1 卡上定义。
1.在 Model Browser 中，单击Aluminum材质。
Entity Editor 随即打开。
2.在 Entity Editor 中，将 SN 设置为MATFAT。
3.将 UTS（极限拉伸应力）设置为 600。
4.对于 SN 曲线值（这些值应从材料的 SN 曲线中获得）：
SRI1 ：1420.58
B1 ：-0.076
NC1 ：5.0E8
SE ：0.1
3.7 定义 PFAT Load Collector
1.在 Model Browser 中，右键单击并选择Create>Load Collector。
2.对于 Name ，输入 pfat。
3.对于 Card Image，选择PFAT。
4.将 LAYER 设置为TOP。
5.将 FINISH 设置为NONE。
6.将 TRTMENT 设置为NONE。
3.8 定义 FATDEF Load Collector
1.在 Model Browser中，右键单击并选择Create>Load Collector。
2.对于 Name ，输入 fatdef。
3.对于 Card Image，选择FATDEF。
4.选中PTYPE复选框，然后选中PSHELL复选框。
5.在弹出窗口中为 PID 选择shell，为 PFATID 选择pfat。
3.9 定义疲劳Load Step
1.在Model Browser中，右键单击并选择Create>Load Step。
2.对于 Name ，输入 Fatigue。
3.将 Analysis type 设置为fatigue。
4.对于 FATDEF，请选择fatdef。
5.对于 FATPARM，请选择fatparam。
6.对于 FATSEQ，请选择fatseq。
四、提交工作
1.在 Analysis 页面中，单击 OptiStruct 面板。
图 10.访问 OptiStruct 面板
2.单击save As。
3.在Save As对话框中，指定写入 OptiStruct 模型文件的位置，并在文件名中输入 ctrlarm_hm。
对于 OptiStruct 模型，建议使用 .fem 扩展名。
4.单击Save。
input file 字段显示在Save As对话框中指定的文件名和位置。
5.将导出选项切换设置为all。
6.将 run options toggle 设置为analysis。
7.将内存选项切换设置为memory default。
8.单击OptiStruct启动 OptiStruct 作业。
如果作业成功，则新的结果文件应位于写入 ctrlarm_hm.fem 的目录中。ctrlarm_hm.out 文件是查找错误消息的好地方，如果存在任何错误，这些消息可以帮助调试输入模型。
五、查看结果
1.分析过程完成后，单击HyperView以启动结果。
2.在 Results 选项卡中，从 subcase 字段中选择Subcase 3 （Fatigue）。
3.在 Results 工具栏上，单击以打开 Contour面板。
4.将 Result type设置为Damage并单击Apply以绘制云图。
图 11.单元损伤结果
