【OptiStruct要领】单轴/多轴疲劳

上一期我们介绍了OptiStruct疲劳分析中的功能和所要用到的疲劳卡片，也提到了OptiStruct中可以做很多类型的疲劳分析，按失效周次分类可以分为低周疲劳，高周疲劳和无限寿命疲劳；按应力状态分，可以分为单轴疲劳和多轴疲劳，也可以按照其他类别进行分类。那么今天就用一个例子来介绍下单轴疲劳以及多轴疲劳如何在OptiStruct中实现。

单轴疲劳即单向循环应力作用下的疲劳。

上图是OptiStruct中需要设置的各种卡片，包括载荷曲线的定义，材料S-N曲线的输入及调整以及一些控制参数的设置。但是这需要我们自行进行多个卡片的设置，比较繁琐。那么在OptiStruct中内置了疲劳分析的流程管理器，可以在界面中选取参数并自动创建卡片。

需要注意的是，当前2017版本中的流程管理器，仅能对单轴S-N/E-N疲劳进行设置，如果是其他类型的疲劳计算，可在流程管理器设置结束后，进行相关卡片的修改。

下面介绍下用疲劳流程管理器来做疲劳分析的整个流程。这次要用到的模型如下图。有限元模型在惯性释放状态下，受+X方向载荷作用。我们需要计算紫色部位的疲劳寿命。

在tools中选择进入Fatigue Process，创建新的session。

整个流程如下所示：

➡导入文件，当已经打开了hm/导入了fem文件后，可以直接跳过。

➡创建疲劳工况

➡设置分析参数

在这一步中，可以选择：

1. 分析类型（Analysis Type），即高周疲劳（S-N），低周疲劳（E-N）。

2. 等效应力(Stress combination method) 绝对值最大主应力，带符号的Mises应力等；根据材料的不同，等效应力的选取也不同。通常对于脆性材料的疲劳破坏，多采用带绝对值的最大主应力准则；对于延性材料，多采用带符号的Mises应力准则。（带符号的Mises应力是为了区分拉应力/压应力 ）。

3. 平均应力的修正方法(Mean stress correction)：GOODMAN, GERBER,GERBER2。考虑了拉应力/压应力对疲劳寿命的影响。

4. 应力的单位(FEA stress unit)：Mpa，Pa等。

5. 雨流法计数法应用对象(Rainflow type)：LOAD/STRESS；如果是单轴疲劳，可以选择LOAD/STRESS。直接对LOAD而不是应力进行计数，结果精确性稍差，但是效率更高。如果是多轴情况，则必须选择STRESS。

6. 过滤（Gate）滤除较小峰值波动，通常可能是噪声的影响。

7. 存活率(Certainty of survival)：即单边置信度的取值

8. 塑性修正（Plasticity correction）：E-N疲劳计算时，需要进行应力修正。默认neuber修正。

➡定义用于疲劳计算的单元及SN曲线

这一步中，我们将定义用于疲劳计算的单元类型以及SN/EN曲线。

这里需要注意的是，当前版本单元类型：PSHELL,PSOLID,ELEMENT SET。如果是焊点焊缝的话需要后面修改。如果没有准确曲线，OptiStruct提供常用材料的S-N/E-N近似曲线。

➡载荷定义

载荷曲线的定义可以通过输入点的方式也可以是直接读取已有的csv曲线。

上面一步中导入的载荷曲线即下式中的P(t)，还需要进行比例缩放，平移以及和实际有限元计算的应力结果相乘：

后面流程管理器还可以进行：

1. 保存提交运算

2. 查看后处理结果

首先进行模型检查或修改。可以在Load collector以及material中看到，流程管理器已经创建了相应的卡片。

➡MATFAT

MATFAT卡片是在疲劳单元的原材料的基础上，加上了MATFAT关键字。定义SN曲线。

如果是E-N或者其他疲劳类型，那么可以切换为相应的类型。

➡PFAT

定义表面粗糙度等对S-N曲线的修正。

➡FATDEF

定义疲劳单元，可以是用属性/elem set进行定义的。

这里用于疲劳计算的载荷公式是：

公式里的：

最后用于计算的是等效应力，这里用的是带符号的mises应力, 这里的符号指绝对值最大的主应力的符号。

这里是先施加了的载荷序列是FATLOAD1,然后施加了FATLOAD2.

如果是下面这种情况：

      需要注意的是，最后的应力是不一样的，应该是：

这里包括设置分析类型，存活率，平均应力修正等参数的设定。

提交运算后，在HyperView中可以查看寿命及损伤量的结果。

多轴疲劳即多向应力或应变下的疲劳。在上面的例子中，都是单轴疲劳的情况。而工程零件通常都是在多轴疲劳载荷作用下工作，应力主轴可能随着时间发生变化。

那么多轴疲劳和单轴疲劳有何区别呢？

1. 在做单轴疲劳时，OptiStruct是将应力张量转换为等效应力，并进行疲劳寿命评估，而在多轴疲劳时，则直接使用应力张量。

2. 在OptiStruct中利用临界平面法进行多轴疲劳评估。即每隔10°搜索一个临界面，根据临界面上的应力应变评估该临界面上的疲劳寿命，最终的疲劳寿命为最危险的临界面上的寿命。

3. 多轴疲劳只关心表面应力，如果受拉伸，则裂纹沿与表面垂直方向，如果是由于剪切则与表面成45°。应力准则，拉伸对应GOODMAN模型，剪切对应FINDLEY模型。

应变准则，拉伸对应Smith-Watson-Topper 剪切对应Fatemi-Socie model /Brown-Miller。

我们继续使用上面单轴疲劳分析的模型，但是此时加上多个工况，如下所示。

那么在流程管理器中设置完以上单轴疲劳内容后，对已生成的卡片进行修改。只需要在载荷历程和控制参数进行修改即可。如果涉及剪切失效，则需要在MATFAT卡片设置剪切疲劳强度系数。

此时，需要针对每个载荷求得的应力，计算下方公式，即设置多个FATLOAD⬇

即10个应力叠加后的应力张量，用于寿命计算。这里将FATSEQ中设置为重复100次event1。

MATLFAT：临界平面法。

MDMGMDL：失效模型：GOODMAN/FINDLEY

CHK: 在实体表面生成壳

多轴疲劳寿命估算结果：

注意当Damage>=1时，结构就已经破坏，这是因为我们已经设置了100次event1。

可以看到，单轴和多轴状态下，易发生疲劳断裂的位置也不尽相同。

本周的讲解就结束了，我们下期见啦~