ANSYSnCodeDesignlife高级疲劳寿命分析
pera ANSYS nCode DeaignLife 高级疲劳分析技术
疲劳分析背景
哈维兰彗星型客机 —第一个喷气客机（1952） -机体反复承受增压和减压引发金属疲劳 -裂缝在尖角萌生然后扩展至失效 -加压机身的失效引起整个结构的崩溃
民航历史上首次发生因金属疲劳导致的空难事件。
疲劳分析背景
据不完全统计，欧洲每年早期断裂造成的 损失达800亿欧元；
美国每年早期断裂造成的损失达1190亿 美元；
焊缝疲劳
• • • • • 焊接材料不均匀，金相组织不均匀； 焊缝处存在残余应力； 焊缝处几何不连续，存在较大的应力集中； 焊缝处经常存在焊接缺陷； 相对于母材，焊接的疲劳寿命分散性更大。
焊缝疲劳
焊缝Байду номын сангаас劳
• nCode公司与Volvo公司、Chalmers大学联合开发； • 支持多种焊接形式：贴脚焊（fillet）、搭接焊 （overlap）、激光焊（laser）； • 能够智能识别模型中焊缝的信息，从而简化疲劳分析 流程； • 具有焊缝材料拉伸、弯曲情况下的疲劳数据，适合于 weld toe, root 和 throat的破坏；
nCode分析-五框图
ANSYS nCode功能特色
强大的结果输出功能： • 云图、标记显示 • 输出自动鉴别疲劳关键区域和热点； • 疲劳分析结果表格输出； • Studio Glyph自动报告生成
nCode分析-五框图
1 CONTENTS
2
ANSYS nCode特点
3
高级疲劳分析技术
焊缝疲劳
E[0]
m2 m0
m4 E[ P] m2
振动疲劳
LaLanne • 通用宽带技术 • 许多军用标准使用 • 是 ANSYS nCode DesignLife 的默认使用方法
基于ANSYS的压力容器疲劳分析与寿命预测
基于ANSYS的压力容器疲劳分析与寿命预测压力容器是工业生产中常见的设备之一，用于贮存和运输气体、液体或固体，承受着巨大的压力。
然而，由于长期的工作环境和作用力的影响，压力容器会出现疲劳现象，而疲劳失效可能导致严重事故甚至生命危险。
为了确保安全运行和提高使用寿命，进行压力容器疲劳分析与寿命预测是至关重要的。
压力容器的疲劳分析与寿命预测是一个复杂的工程问题，涉及多学科的知识。
在传统的方法中，工程师们通常依赖经验公式和试验数据进行分析，但这种方法存在一些不足之处。
首先，准确度受限于实验条件和试验数据的局限性。
其次，由于压力容器结构的复杂性，传统的方法难以考虑到各种工况变化以及应力分布的不均匀性。
因此，利用计算机辅助工程（CAE）软件进行压力容器的疲劳分析与寿命预测具有重要意义。
ANSYS作为一种强大的CAE软件，在压力容器疲劳分析的应用上已经被广泛认可。
它提供了多种分析模块，如有限元分析（FEA）、疲劳分析和寿命预测等，能够模拟复杂的结构和加载条件。
通过ANSYS的建模和分析工具，工程师们可以更加全面地了解压力容器的应力状态，并准确评估疲劳寿命。
在使用ANSYS进行压力容器疲劳分析时，首先需要进行几何建模和网格划分。
通过建模软件，可以创建一个精确的三维几何模型，并对其进行网格划分以获取一个合适的离散化模型。
然后，根据实际情况设置边界条件、加载条件和材料参数等。
在设定完成后，进行有限元分析，求解得到压力容器的应力分布。
接下来，进行疲劳分析和寿命预测。
ANSYS提供了多种疲劳分析模块，如低周疲劳、高周疲劳和疲劳寿命预测等。
根据所需分析的类型选择相应的模块，并输入相应的参数，如材料的SN曲线、载荷历程等。
通过对应力历程和SN曲线的相互作用进行计算，可以预测压力容器的疲劳寿命。
此外，还可以基于不同的疲劳损伤准则，如线性累积损伤准则、短模拟疲劳准则等，对容器的疲劳寿命进行评估和预测。
除了以上提到的分析方法，ANSYS还提供了一些辅助工具来进行压力容器的疲劳分析与寿命预测。
细解Ansys疲劳寿命分析
2013-08-29 17:16 by:有限元来源:广州有道有限元ANSYS Workbench 疲劳分析本章将介绍疲劳模块拓展功能的使用:–使用者要先学习第4章线性静态结构分析.•在这部分中将包括以下内容:–疲劳概述–恒定振幅下的通用疲劳程序，比例载荷情况–变振幅下的疲劳程序,比例载荷情况–恒定振幅下的疲劳程序，非比例载荷情况•上述功能适用于ANSYS DesignSpacelicenses和附带疲劳模块的更高级的licenses.A. 疲劳概述•结构失效的一个常见原因是疲劳,其造成破坏与重复加载有关•疲劳通常分为两类:–高周疲劳是当载荷的循环（重复）次数高(如1e4 -1e9)的情况下产生的. 因此，应力通常比材料的极限强度低. 应力疲劳（Stress-based）用于高周疲劳.–低周疲劳是在循环次数相对较低时发生的。
塑性变形常常伴随低周疲劳，其阐明了短疲劳寿命。
一般认为应变疲劳（strain-based）应该用于低周疲劳计算.•在设计仿真中, 疲劳模块拓展程序（Fatigue Module add-on）采用的是基于应力疲劳（stress-based）理论，它适用于高周疲劳. 接下来，我们将对基于应力疲劳理论的处理方法进行讨论.…恒定振幅载荷•在前面曾提到, 疲劳是由于重复加载引起:–当最大和最小的应力水平恒定时, 称为恒定振幅载荷. 我们将针对这种最简单的形式，首先进行讨论.–否则，则称为变化振幅或非恒定振幅载荷…成比例载荷•载荷可以是比例载荷, 也可以非比例载荷:–比例载荷, 是指主应力的比例是恒定的,并且主应力的削减不随时间变化. 这实质意味着由于载荷的增加或反作用的造成的响应很容易得到计算.–相反, 非比例载荷没有隐含各应力之间相互的关系,典型情况包括:•在两个不同载荷工况间的交替变化•交变载荷叠加在静载荷上•非线性边界条件…应力定义•考虑在最大最小应力值σmin和σmax作用下的比例载荷、恒定振幅的情况:–应力范围Δσ定义为(σmax-σmin)–平均应力σm定义为(σmax+σmin)/2–应力幅或交变应力σa是Δσ/2–应力比R 是σmin/ σmax–当施加的是大小相等且方向相反的载荷时,发生的是对称循环载荷. 这就是σm= 0 ,R = -1的情况.–当施加载荷后又撤除该载荷,将发生脉动循环载荷. 这就是σm= σmax/2 , R = 0的情况.…应力-寿命曲线•载荷与疲劳失效的关系，采用的是应力-寿命曲线或S-N曲线来表示:–若某一部件在承受循环载荷, 经过一定的循环次数后,该部件裂纹或破坏将会发展，而且有可能导致失效–如果同个部件作用在更高的载荷下,导致失效的载荷循环次数将减少–应力-寿命曲线或S-N曲线,展示出应力幅与失效循环次数的关系•S-N曲线是通过对试件做疲劳测试得到的–弯曲或轴向测试反映的是单轴的应力状态–影响S-N 曲线的因素很多, 其中的一些需要的注意，如下:–材料的延展性, 材料的加工工艺–几何形状信息,包括表面光滑度、残余应力以及存在的应力集中–载荷环境, 包括平均应力、温度和化学环境•例如,压缩平均应力比零平均应力的疲劳寿命长,相反,拉伸平均应力比零平均应力的疲劳寿命短.•对压缩和拉伸平均应力,平均应力将分别提高和降低S-N曲线.•因此,记住以下几点:–一个部件通常经受多轴应力状态.如果疲劳数据(S-N 曲线)是从反映单轴应力状态的测试中得到的,那么在计算寿命时就要注意•设计仿真为用户提供了如何把结果和S-N 曲线相关联的选择,包括多轴应力的选择•双轴应力结果有助于计算在给定位置的情况–平均应力影响疲劳寿命,并且变换在S-N曲线的上方位置与下方位置(反映出在给定应力幅下的寿命长短)•对于不同的平均应力或应力比值,设计仿真允许输入多重S-N曲线(实验数据)•如果没有太多的多重S-N曲线(实验数据),那么设计仿真也允许采用多种不同的平均应力修正理论–早先曾提到影响疲劳寿命的其他因素,也可以在设计仿真中可以用一个修正因子来解释…总结•疲劳模块允许用户采用基于应力理论的处理方法，来解决高周疲劳问题.•以下情况可以用疲劳模块来处理:–恒定振幅,比例载荷(参考B节)–变化振幅,比例载荷(参考C节)–恒定振幅,非比例载荷(参考D节)•需要输入的数据是材料的S-N曲线:–S-N曲线是疲劳实验中获得,而且可能本质上是单轴的,但在实际的分析中，部件可能处于多轴应力状态–S-N曲线的绘制取决于许多因素, 包括平均应力. 在不同平均应力值作用下的S-N曲线的应力值可以直接输入, 或可以执行通过平均应力修正理论实现.B. 疲劳程序(基本情况)•进行疲劳分析是基于线性静力分析, 所以不必对所有的步骤进行详尽的阐述.–疲劳分析是在线性静力分析之后，通过设计仿真自动执行的.•对疲劳工具的添加，无论在求解之前还是之后，都没有关系, 因为疲劳计算不并依赖应力分析计算.•尽管疲劳与循环或重复载荷有关, 但使用的结果却基于线性静力分析,而不是谐分析. 尽管在模型中也可能存在非线性,处理时就要谨慎了,因为疲劳分析是假设线性行为的.–在本节中,将涵盖关于恒定振幅、比例载荷的情况. 而变化振幅、比例载荷的情况和恒定振幅、非比例载荷的情况，将分别在以后的C 和D节中逐一讨论.…疲劳程序•下面用黄色斜体字体所描述的步骤，对于包含疲劳工具的应力分析是很特殊的:–模型–指定材料特性,包括S-N曲线–定义接触区域(若采用的话)–定义网格控制(可选的)–包括载荷和支撑–(设定)需要的结果,包括Fatigue tool–求解模型–查看结果…几何•疲劳计算只支持体和面•线模型目前还不能输出应力结果,所以疲劳计算对于线是忽略的.–线仍然可以包括在模型中以给结构提供刚性, 但在疲劳分析并不计算线模型…材料特性•由于有线性静力分析,所以需要用到杨氏模量和泊松比–如果有惯性载荷,则需要输入质量密度–如果有热载荷,则需要输入热膨胀系数和热传导率–如果使用应力工具结果(Stress Tool result),那么就需要输入应力极限数据,而且这个数据也是用于平均应力修正理论疲劳分析.•疲劳模块也需要使用到在工程数据分支下的材料特性当中S-N曲线数据–数据类型在“疲劳特性”(“Fatigue Properties”)下会说明–S-N曲线数据是在材料特性分支条下的“交变应力与循环”(“Alternating Stress vs. Cycles”)选项中输入的•如果S-N曲线材料数据可用于不同的平均应力或应力比下的情况, 那么多重S-N曲线也可以输入到程序中•添加和修改疲劳材料特性:•在材料特性的工作列表中,可以定义下列类型和输入的S-N曲线–插入的图表可以是线性的（“Linear”）、半对数的（“Semi-Log”即linear for stress, log for cycles）或双对数曲线（“Log-Log”）–记得曾提到的，S-N曲线取决于平均应力。
联合ANSYS Workbench和nCode DesignLife进行疲劳分析
联合ANSYS Workbench和nCode DesignLife 进行疲劳分析2018-09-09 21:38设计/技术疲劳失效是机械零部件失效的主要形式。
如何对这些结构进行有效的疲劳分析，引起了很多产品设计工程师的关注。
对于一般零部件的疲劳分析，并没有理论公式可以解决，几乎都是依据有限元技术以及疲劳分析技术。
因此联合有限元分析软件和疲劳分析软件，对这些零部件进行疲劳分析，是解决这类问题的有效途径。
ANSYS Workbench是世界上著名的以多物理场分析为特色的有限元分析软件，而DesignLife是ANSYS nCode下功能强大的疲劳分析软件。
本文以材料力学中中一根变截面轴的弯扭组合的疲劳分析为例，说明如何联合这两款软件对之进行疲劳分析。
问题描述如下：一根变截面轴，左边轴段（蓝色部分）固定，而在最右边轴段上（红色部分）施加一个1N的集中力（它导致弯曲变形）和一个1000Nmm的集中力偶（它导致扭转变形）对于这两种载荷的时间历程，使用力传感器进行测定94秒，得到如下图所示的时间历程曲线。
上图中的红色曲线图反应了集中力随时间的变化规律，横坐标是时间，单位是秒，这里测试了94秒。
而纵坐标是载荷的大小。
从图中可以看出，最大的载荷是18KN 左右，而且也可以看到，载荷的变化很不规则，并非理想的循环方式。
而蓝色曲线反应的是集中力偶随时间变化的规律，其幅值在-2717到2834之间改变。
该轴的材料已经给定，是碳钢SAE1045_390_QT.现在要求对该轴进行疲劳分析。
使用Workbench和DesignLife对之进行疲劳分析，分为两步。
第一步是在Workbench中建立有限元模型，并分别施加集中力和集中力偶，通过计算，得到两种情况的米塞斯应力，这相当于两种工况，这样可以得到ANSYS Workbench 的结构分析结果文件*.rst.第二步在DesignLife中进行，首先根据疲劳分析的五框图，构造疲劳分析流程，然后分别设定各个框图的属性，即有限元结果文件，载荷文件，材料文件，疲劳分析选项，然后启动分析，通过后处理以查看轴上各点的疲劳寿命。
ANSYS nCode DesignLife疲劳分析之时间步定义
Time Step Access Mechanical
• highlight Model cell of Mechanical system Bending Load FY TimeStep > RMB > Edit
4
Time Step Verify Boundary Conditions
• Fixed end • Use 6 separate steps apply FY load history
• Load mapping for this case will be Auto-Configured • Run and compare results with TimeStep approach
Time Step Exit DesignLife
• File > Exit
Time Step Exit Workbench
Time Step View load/stress history
Note: Can manually reorder the stress history by switching off Auto-Configure and building your own Time Step history of load cases
• File > Exit
Time Step Setup an equivalent TimeSeries approach
• Edit nCode and make available load history .s3t file
Time Step Setup an equivalent TimeSeries approach
Time Step Solve
ANSYS nCode_DesignLif疲劳分析软件
Fatigue Life
Report Generation
C A D模型多种方式 导入到Workbench
自动生成用于有限 元分析的网络
ANSYS StructuralTM 中进行应力计算
ANSYS nCode DesignLife基于加载 历史计算疲劳寿命
仿真报告自动生成
5 ANSYS nCode DesignLife
1 ANSYS nCode DesignLife
可靠耐久性技术
优化后的挂钩具有两倍于原始零件的疲劳寿命
ANSYS nCode DesignLife 软件提供先进的、业界公认的疲劳分析能力。软件可以模拟所 有类型的疲劳破坏，包括：
● 高周疲劳的应力寿命（SN）计算 ● 低周和高周疲劳的应变寿命（EN）计算 ● 裂纹扩展 ● 复杂加载条件下预测耐久极限、安全因子（Dang Van） ● 焊点和焊缝的焊接疲劳计算 ● 高级振动疲劳分析计算（PSD） ● 混合载荷加载的实现
Dang Van求解器
● Dang Van多轴分析 ● 计算安全因子，危险因子等
SAE轴疲劳寿命分析 多轴载荷加载历史
ANSYS nCode DesignLife 4
典型分析流程
CAD
Meshing
与 ANSYS Workbench 无缝集成
ANSYS Fatigue
Stress Calcuiation
测试数据的相关性
ANSYS nCode DesignLife包含用于将实验数据和仿真结果进行联合和修正的工具。广泛 的数据处理流程能够对测试数据进行各种操作、编辑和显示。虚拟应变片可定位于有限元 模型上，以便提取应力或应变时间序列，帮助验证材料模型的直接相关性。时间序列数据 也能用于裂纹扩展分析。采用线弹性断裂力学预测裂纹源的扩展趋势。
Ansys nCode疲劳分析
© 2015 ANSYS, Inc.
1
目录
1 疲劳理论介绍
2 ANSYS nCode Designlife功能特色 3 S-N疲劳分析概述及案例介绍 4 随机振动疲劳分析概述
© 2015 ANSYS, Inc.
2
疲劳分析理论
只通过静力来确定 材料的机械性能时 ，机械性能没有充 分反映材料在交变 载荷作用下的特性 。使用过程中往往 会发生突如其来的 破坏。
nCode分析-五框图
© 2015 ANSYS, Inc. 19
ANSYS nCode 的功能特色
时间序列 恒幅载荷
时间步载荷
温度载荷 Hybird载荷 振动载荷 Duty Cycle
nCode分析-五框图
© 2015 ANSYS, Inc. 20
ANSYS nCode 的功能特色
ANSYS nCode DesignLife 具有全面 的疲劳分析能力
临界平面法计算平面应力和在几个径向平面进行重新求解
− 默认是每10度 (18 个平面)
− 雨流计数法在每个平面上计算疲劳损伤 − 准则平面是最大损伤的平面
© 2015 ANSYS, Inc.
Sm Sa 1 Su Se
Sa =应力幅 Sm = 平均应力 Su = 极限抗拉强度 Se = 疲劳极限
Sm 2 Se Sa 1 Su
Gerber平均应力修正理论假定一个抛物线
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理对疲劳的影响
− 表面因子用来调整材料s-n曲线
Ksur是三个用户定义因子的乘积
− Ksur = KTreatment * Kuser * Kroughness
从四个方面了解ANSYS nCode DesignLife高级疲劳寿命分析软件
文章来源：安世亚太官方订阅号（搜索：peraglobal）市场的激烈竞争，促使着企业不断降低产品的研发成本，不断缩短产品的研发时间，推动产品的创新以及可持续性设计。
在此基础上，对产品研发提出了另外一个非常重要的要求-延长产品寿命，确保产品疲劳耐久性。
大部分产品在经历了反复载荷作用下，出现疲劳现象，功能将会失效，产品的寿命将到期。
那么，如何延长产品的寿命呢？最有效的方法，就是通过仿真，优化计算产品的形状、大小和材料，从而延长产品寿命。
ANSYS nCode DesignLife就是这样一款软件。
产品介绍ANSYS nCode DesignLife是集成在ANSYS Workbench 平台上的高级疲劳分析模块，为客户提供先进的疲劳分析解决方案。
ANSYS nCode DesignLife由ANSYS公司与专注疲劳分析领域的HBM公司合作推出。
HBM的ncode是疲劳领域最优秀的软件之一，已有超过25年的历史。
ANSYS nCode DesignLife主要模块有：功能特色1、完全集成于ANSYS WorkBench平台以流程图形式建立分析任务；无缝读取ANSYS计算结果；与ANSYS共享材料数据库；在WorkBench平台上统一进行参数管理，可用DesignXplore软件进行优化。
2.Click & Drag操作方式，易学易用以“Drag”建立疲劳分析流程；以“Click”完成相关设置；疲劳分析流程可重复执行。
3.先进的疲劳分析技术高周疲劳的应力寿命（SN）计算；低周和高周疲劳的应变寿命（EN）计算；裂纹扩展；复杂加载条件下预测耐久极限、安全因子；焊点、焊缝的焊接疲劳计算；高级振动疲劳分析计算（PSD）；在多轴应力状态评估的基础上，自动选择计算方法。
4.构建任意复杂的载荷谱时间序列；恒幅载荷；时间步载荷；温度载荷；Hybrid载荷；振动载荷；Duty Cycle。
5.强大的疲劳结果输出功能云图、标记显示；输出自动鉴别疲劳关键区域和热点；疲劳分析结果表格输出；组件结果输出；输出指定位置的应力、应变历程；Studio Glyph自动报告生成。
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ANSYS nCode 的价值
1. 预先进行耐久性评估，减少物理 试验，避免设计和加工改变而导致 的重大损失 2. 通过模拟优化物理试验载荷谱， 大幅减少试验时间和成本
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4 用户案例
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目录
1 产品简介
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ANSYS nCode产品简介
ANSYS nCode DesignLife是 集成在ANSYS Workbench 平台上的高级疲劳分析模块， 为客户提供先进的疲劳分析 解决方案。
完全集成于ANSYS WorkBench平台
Click & Drag操作方式，易学易用
先进的疲劳分析技术 构建任意复杂的载荷谱
强大的疲劳结果输出功能
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完全集成于ANSYS WorkBench平台
支持常幅值、单时间历程、多时间历程载荷
客户定制流程开发
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目录
2 功能特色
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ANSYS nCode功能特色
焊点、焊缝的焊接疲劳计算； 高级振动疲劳分析计算（PSD）； 在多轴应力状态评估的基础上， 自动选择计算方法；
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构建任意复杂的载荷谱
时间序列
恒幅载荷
时间步载荷 温度载荷
Hybird载荷
试验模块
ANSYS nCode DesignLife 焊接
分析模块
ANSYS nCode DesignLife 并行
求解模块
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ANSYS nCode 的主要功能
ANSYS nCode DesignLife 具有全面的疲劳分析能力
振动载荷 Duty Cycle
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强大的疲劳结果输出功能
云图、标记显示
输出自动鉴别疲劳关键区域和热点；
疲劳分析结果表格输出； 组件结果输出；
输出指定位置的应力、应变历程；
Studio Glyph自动报告生成
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ANSYS nCode 的技术背景
ANSYS公司与专注疲劳分析领域的HBM公司合作推出， HBM的Ncode是疲劳领域最优秀的软件之一，超过25年的历史
集成于Workbench 平台 与HBM nCode OEM 合
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目录
3 应用价值
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ANSYS nCode 的价值
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ANSYS nCode Designlife 高级疲劳寿命oration Ltd. All rights reserved.
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目录
1 产品简介 2 功能特色 3 应用价值
作产品
是CAE结构仿真体系的 重要组成单元（疲劳）
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ANSYS nCode 主要模块
软件包
ANSYS nCode DesignLife 标准
描述
基本包，包括应力寿命，应变寿命和Dang Van 求解器。
包
ANSYS nCode DesignLife 附加模块
ANSYS nCode DesignLife 振动
疲劳分析模块
ANSYS nCode DesignLife 加速
进行振动疲劳分析，有效计入共振影响，模拟正弦 扫频和PSD振动寿命分析。 信号处理包，进行振动试验信号处理，设计加速的 虚拟和实际振动测试。 焊缝和点焊的疲劳寿命预测。 多线程并行计算，提升疲劳分析求解效率。
以流程图形式建立分析任务；
无缝读取ANSYS计算结果；
与ANSYS共享材料数据库； 在WB平台上统一进行参数管 理，可用DX进行优化。
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Click & Drag操作方式，易学易用
以“Drag”建立疲劳分析流程；
以“Click”完成相关设置；
疲劳分析流程可重复执行；
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先进的疲劳分析技术
高周疲劳的应力寿命（SN）计算；
低周和高周疲劳的应变寿命（EN） 计算；
裂纹扩展；
复杂加载条件下预测耐久极限、 安全因子；
应力疲劳 (单一，多曲线，Haigh图) 应变疲劳(自动多轴修正) 多轴安全系数分析(Dang Van) 焊缝和点焊疲劳分析 高温疲劳分析 振动疲劳(振动台模拟) 支持航空载荷谱输入 丰富的材料疲劳性能数据库 Studio Glyph自动报告生成 支持的有限元结果： 静态分析(线性/非线性) 瞬态分析 模态分析 频谱响应 能够读取ANSYS、Abaqus、 Nastran等软件的有限元计算结果