LS-DYNA最新的疲勞分析進展

疲勞件的至關 重要。 LS-DYNA 發了器,滿領域供了 一些這些問題。本討論LS-DYNA 中 疲勞畫。

 

 

1.介紹

 

金屬結構零件的疲勞是工業中的個重要課題疲勞造成80%的災難性失即使在今 對於工師來說疲勞析仍然一個重且具挑戰性問題,別是些設計機,鐵車輛, 汽車起重人。

從  971  R6  版本開始LS-DYNA  提供了一系列頻域疲求解器,它們包括機振動疲 勞*FREQUENCY_DOMAIN_RANDOM_VIBRATION_FATIGUE 和   SSD ( 穩 態 動 力 學 ) 疲 勞*FREQUENCY_DOMAIN_SSD_FATIGUE們已[1,2]時使要在域中行疲。例,由迴圈,他可能要研的生。另一例子飛機渦葉片的勞,由合金成並且受高和高氣的組合載。這些情,結構受高荷,並可以觀到材塑性變。因此使用周疲勞準並解時域題是合適 的。LS-DYNA 勞求鍵字*FATIGUE 來運行時域 疲勞戶提了在 LS-DYNA 進行和耐態分析為或應, 可 以 是線性 的 可以使 用 料 模 型 (彈性 , 塑 性......),以及負載...)。

頻域和時域中疲勞分結果在二進位料庫 D3FTG 中提供LS-PrePost 可以很容易地入這個 資料

本文LS-DYNA 分析能力些頻解器 用於

 

2.疲勞析的料庫

 

疲勞分析結果保存在二 進位資料庫 D3FT中 ,關鍵字*DATABASE_FREQUENCY_BINARY_D3FTG D3FTG 庫的輸出。 使時域疲 勞分使字。 LS-PrePost 可以輕鬆訪問 D3FTG。 

D3FTG 典型 GUI 如圖 1

 

對於析, D3FTG :

 

1.   Cumulative damage ratio(累率)

2.   Expected fatigue life(預期的命)

3.   Zero-crossing frequency with positive slope正斜率)

4.   Peak-crossing frequency(過

5.   Irregularity factor因數)

6.   Expected fatigue cycles預期

 

 

                             

1. LS-PrePost 中疲勞分析結果的 GUI

 

 

對於*FREQUENCY_DOMAIN_SSD 析和D3FTG 提供 cumulative damage ratio損傷率)。 其零。

 

關於理的以在[3]找到。

 

3LS-DYNA 頻域疲勞

 

版本 971 R5 起,LS-DYNA 析功其在NVH 學問 題中以在[4,5]

 

LS-DYNA 供用於確的解性振PSD率譜密度)義載荷並行隨機振動*FREQUENCY_DOMAIN_RANDOM_VIBRATION ;對於行穩*FREQUENCY_DOMAIN_SSD)並響應。 通過動分析的應力迴圈結果可以收到材料的疲勞性(S-N 疲勞曲線)時行疲勞分析。  使用Miner cumulative damage ratio

 

 

 

其中E(D)累積損傷ni 迴圈Ni  力水Si  ,由S-N 出。

 

3.1.隨機振下的勞分析

 

在本機振方法。

通過應力分量PSD保存D3PSD )。 已經開發了Dirlik Narrow band 法,Wirsching 算應PDF密度函數。 可的載入 時間次數[3]S-N *MAT_ADD_FATIGUE 定義關於材料S-N 曲線[3]中找

 

本節2 示的個小孔(2 色)用 於隨

 

                     

 

2. 約束在振動臺上的金屬支架模型

 

 

S-2表示

 

N × S 2.5  = 1.56 ´108                   (2)

 

其中, N S 量。

 

該模 速度 PSD 線如 3

 

3. 基礎加速度  PSD 曲線

 

 

激勵時間1 時。 對於們只z 的加速度

 

4. Z 方向加速度的 Cumulative damage                     5. Z 方向加速度的 Safe / Failed zone

 

 

在該Dirlik 法來析。 Von-mises

 

4 示了 z 激勵下的損傷2.48這表中 的疲在一表明那個置。

 

使用關鍵字*INITIAL_FATIGUE_DAMAGE_RATIO,可以對多載入工況累積對結構總的損壞。 例如2 相同結構xy z 方向上加速度載個載入 情 況 進 行 疲 勞 分 析 時 ( 例 如  z    向 加 速 度 載 荷 ) , 我 們 可 以 定 義 關 鍵 字 *INITIAL_FATIGUE_DAMAGE_RATIO 並為疲勞庫的x y 方向的加)。最後累積6 中找


6. x, y and z 三個加速度載荷的綜合                                                            圖 7. x, y and z 三個加速度載荷的綜合

      Cumulative damage                                                                                       Safe /Failed zone

 

7 示了 safe / failed zone安全/為三果。 該測其他機會。 預應疲勞要。 於隨振動使用定義的初始應力作為平均應初始應力由關鍵字*INITIAL_STRESS_SHELL*INITIAL_STRESS_SOLI引入。定義平壓力正方法請使用*FATIGUE_MEAN_STRESS_CORRECTION。  LS- DYNA 均應力校

 

                              

 

 

Goodman 方法和 Gerber 可以使用。 伸方法,LS-DYNA 使用方程(3)和5)對拉伸平均應力進行平均應力校正(對於平均應力為壓應力的情況,不進行平均應力校 正)。

在等3- 5S 替應力; s a 是原大小或交應力 s m ; 是 平均; s u  強度s y

2 假設)狀參見8)。

 

 

 

8.初始 Von mises stress (平均應)

 

對於到  z 方向加載入情,更的累積損傷率結過  Goodman (方式  3)和S oderberg 程式 4顯示在圖 9 10 中。


          圖 9. z 方向 PSD(使用 Goodman 方程行平                                              圖 10受 加速度 PSD(使用 Soderber方程

          均應力校Cumulative damage ratio                                         均應力正)Cumulative damage ratio

 

 

1 應力比。

 

平均力校方法

最大傷比

沒有

2.480

Goodmans equation

2.767

Soderbergs equation

4.726

Gerbers equation

2.510

1和沒平均力校正最大損


以看過平應力正,損傷可以大,著由平均力的結構疲 勞壽

 

3.2.穩態振下的勞分析

 

有 時 我 們 需 要 穩 態 振 動 環 境 , 例 如 正 弦 掃 描 測 試 中 的 振 動 。  使 用 關 鍵 字*FREQUENCY_DOMAIN_SSD_FATIGUE可以進行分析。  Miner 則,我們下的傷。 這個態振(簡型)

 

 

 

 

11. 汽車前保杠穩態振動模型

 

 

期間面激動。 險杠過兩約束汽車 框架11 紅色

 

使12 義材S-N 曲線 * MAT_ADD_FATIGUE

 

12. 保險杠模型的 S-N 曲線

 

 

基礎線在2 給出

 

 

Frequency (Hz)

Amplitude (g)

Duration (sec.)

200

1.0

600

300

1.0

600

400

1.0

600

500

1.0

600

600

1.0

600

700

1.0

600

800

1.0

600

900

1.0

600

1000

1.0

600

 

1100

1.0

600

1200

1.0

600

1300

1.0

600

1400

1.0

600

1500

1.0

600

 

2. 加速度曲線

 

 

The cumulative damage ratio 13 中看到.

 

 

13. 保險杠的 Cumulative damage ratio 分佈雲圖

 

 

要快速定位故障區,可以使Safe / Failed zone” 對話方塊,並獲取由紅色元素指示的故障域, 如下14)。

 

 

14. 穩態振動下的 Safe / Failed zone

 

 

失效束到元。 於那單元由於束而 導致是在可能因。

 

3.3LS-DYNA 中的時疲勞

 

用場域中件的。 這對和熱構以及效應問題不化的他情況此。 為解決些疲 勞分LS-DYNA 在實器。 求解基於變。

 

一個一般析。

 

 

 

要進要關*FATIGUE_MEAN_STRESS_CORRECTION

 

 

在時域中運行疲勞分的一種簡單方法是使 用  ELOUT  中 保 存 的 應 力 / 應 變 資 料 ( 請 參 閱*DATABASE_ELOUT *DATABASE_HISTORY_SHELL*DATABASE_HISTORY_SOLID 要使用 ELOUT,只需將選_ELOUT 加到*FATIGUE 跳過此關鍵字中的前兩張卡片。 如要應 變結ELOUT* DATABASE_EXTENT_BINARY 中設置 STRFLG = 1材  料  疲  勞  屬  性  可  以  通  過  關  鍵  字  *MAT_ADD_FATIGUE (  對於 S- N  曲  線  ) 或*MAT_ADD_FATIGUE_ENE-N 曲線)來定義有關這些關鍵字的更多詳細訊,請LS- DYNA 使字手[6]

 

3.4.基於應勞分析

 

於基的時疲勞解器雨流數法獲得力水的應迴圈還可基 於 Goodman 法,Soderberg 法,Gerber 法和僅拉張力的 Goodman 方法Gerber 參 見關*FATIGUE_MEAN_STRESS_CORRECTION

基於的示15(參16際應用這種道可以大炮或管,度振盪能是由持續槍支射。由溫振盪起的熱迴圈引金屬疲勞損壞。在足數量槍支射之後,積損率可以達到 1 並且明槍的使用 壽命束。

 

管道由    *MAT_ELASTIC_PLASTIC_THERMA建模  。 熱負荷由 *LOAD_THERMAL_LOAD_CURVE 義。

 

  

 

15. 金屬管道型                                                                      圖 16. 溫度載荷

 

 

材料由   *MAT_ADD_FATIGUS-N 17 示。

 

 

 

17. 材料的 S-N 疲勞曲線

 

 

累積損傷比分如  18 所示。可以看出積損傷比的峰值出現在道的中間部分,與  von mises stress 一致19)。

 

           

 

18. cumulative damage ratio 分佈                                             圖 19. Von mises 應力分佈

 

20 元的 xy 剪切圈。 可以到在 1000 的時間內

 

 

20. Xy 剪切應力的時間歷程

 

 

 

3.5.基於應勞分析

 

然許和工部件設計使力和變在常工下是性的但是部應 生屈導致裂 變的要描對迴圈應變回應以及這 些應壽命

 

對於,我使方程

 


使用
 Smith-Watson-Topper 平均6)變為

 

使用 Morrow 應力校正6

以下使的定

 

De      應變幅值

 

N       耐久性或的迴圈次數

 

B       疲勞強指數(Basquins exponent)

s ¢f        疲勞強係數

s max   最大壓力

s m       平均壓力

c        疲勞延性(the Coffin-Manson exponent)

e ¢f            疲勞延性2N f  = 1塑性

 

 

E       彈性模量

如果應力 - 圈計算中使如使,則使Neuber 規則 將彈應力/部真/應變

se = s ee e          (9)

 

其中, s  e 和應, s e e

 

為了便於說明,我們考慮圖 2中所示的托架模型。 托架由 *MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY 模。

 

 

21 受到弦節點力激勵的托架模型

 

托架(圖 21 另一F(t) 以產生應 力 - 應變圈。 力定義為

F (t ) = 5 sin(1000 t ) (10)

總載1 秒。 在這勞參

E = 209,000 MPa ;    K ¢ = 1230  MPa ;      n¢ = 0.161 ;      s ¢f    = 1006 MPa

b = 0.0809 ;    e ¢f    = 1.104 ;      c = 0.6207

 

 

22. 下層積分的有效應變                                                  圖 23. 上層積分的有效應變

 

22 23 載入結束分點。 計算出由正累 積損製在圖 24 中。峰值位置匹配好。 圖 25 示了在負 載附值的

 

結果變值件)的疲

 

 

 

 

          圖 24. Cumulative damage ratio 分佈                                    圖 25. 單元 526005 上層分點的有效應時間歷程

 

 

 

 

4.總結

 

LS-DYNA 已經現了些基本的頻和時域疲分析方法於頻域疲分析,指數數是應, 方法S-N 曲線;域分以用使S-N 曲線E-N 線。結 合 LS-DYNA 域和時域勞分使了對條件 進行振動 - 析的會。

實生疲勞題很雜。問題供更靠和的解方案需要開發。首先需要多的基測試和證來查當前勞求解的可性和準,需一種更全 面的法來考慮多/應變態,以便更實地模擬勞失效過程目前的方是基於將應/簡化為要的量值。這個方法能導過於樂的壽命計,別是對由於彎和扭的組合經歷雙軸/應力的部件第三,時域勞分中,為了示疲累積傷的演變需要發漸進式 疲勞變化資料庫。目前D3FTG 示載入結時的最終累積損傷率圖當裂縫開始時,用戶可會丟失一些重要時刻。採用漸進式 D3FTG持材料疲勞效的動態過程,使用者以獲得有關間歇性裂更多訊。

 

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