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什麼是疲勞現象? 如何在 OptiStruct 進行疲勞模擬?

Altair OptiStruct是一個經過工業驗證的線性、非線性靜力學以及振動力學求解器。
現已被使用者廣泛應用於工業結構設計及優化設計中。使用範圍包括強度、耐久性及NVH分析,能夠快速實現結構創新、輕量化及結構有效設計。
今天要為大家講解疲勞現象,以及如何利用Altair OptiStruct進行疲勞模擬

什麼是疲勞失效?

疲勞失效是​在某些點承受重複應力且在足夠多的迴圈擾動作用之後,形成裂紋或完全斷裂的材料中,發生局部的永久結構變化的發展過程。

什麼是疲勞壽命?

疲勞壽命是從結構開始使用到裂紋萌生,擴展並最後斷裂,這個過程所經歷的時間或重複載荷的作用次數,稱為壽命。它取決於載荷作用次數、時間及原材料抵抗疲勞破壞的能力。

疲勞的特點:

  • 只有在承受重複應力作用的條件下,疲勞才會發生。
  • 疲勞破壞起源於高應力或高應變,在局部產生大量塑性應變,一般在幾何形狀變化或材料缺陷上引發應力集中。
  • 疲勞是一個發展的過程, 疲勞失效是一個累積損傷的過程。

OptiStruct 疲勞失效基本流程與卡片設定

以高周疲勞為例,分析OptiStruct疲勞失效流程如圖一所示。

OptiStruct疲勞分析主要分為三大系統

一、確定危險部位結構:

主要內容有兩個項目,第一個項目為確認可能發生疲勞斷裂的單元,並針對單元使用「FATDEF」卡片進行設置,如圖二所示。影響疲勞壽命之因素則使用「PFAT」來定義,如圖三所示。影響疲勞壽命的因素有載荷的形式、尺寸效應、表面品質、表面加工、平均應力。

    

第二個項目為定義載荷譜以獲得危險部位的應力應變譜。使用到的卡片包括「FATSEQ」、「FATEVNT」、「FATLOAD」、「TABFAT」。

  • TABFAT卡片:定義其載荷歷程,無單位。
  • FATLOAD卡片:TABFAT卡片只定義了載荷歷程曲線,需使用FATLOAD卡片,與實際單位載荷相乘以獲得正確的載荷數值。
  • FATEVNT卡片:使用FATEVNT卡片能夠支援模型在數個應力應變的工況下,疊加後的應力應變歷程。
  • FATSEQ卡片:在疲勞分析中,使用FATSEQ卡片來定義應力應變歷程的加載順序。

 

二、產生危險部位之應力譜:

在獲得危險部位的應力應變譜之後,使用MATFAT卡片來定義疲勞分析屬性之材料,即為材料之SN/EN曲線。

一般材料的SN/EN曲線由試驗取得,若無法取得SN曲線時,OptiStruct提供了常用材料之SN曲線。

 

三、分析危險部位之疲勞壽命:

OptiStruct疲勞分析中,使用到「FATPARM」卡片控制疲勞分析中的參數,控制參數分為三大類:

  1. 疲勞分析類型參數:

疲勞分析的類型按照壽命分類包括高周疲勞(彈性應變主導);低周疲勞(彈性應變主導);無限壽命疲勞,如飛機引擎。若依照應力主軸分類能分為單軸以及多軸疲勞。

  1. SN曲線的修正參數:

能針對SN曲線進行1.存活率的選取2.平均應力的影響下,OptiStruct提供三種應力修正方法:Goodman修正、改進之Goodman修正、Gerber修正。

  1. 不同等效應力的選擇參數:

計算平均應力時,需計算等效應力,表一為OptiStruct所支援的等效應力。
 

 

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