耐久性和损伤容限分析软件MSC
MSC产品功能介绍
广泛的载荷和边界条件仿真
Displacements Forces Pressure Temperature Inertia Velocity & Accel Distributed Total Initial σ, ε, T
通过以下途径定义任何一种载荷和边界条件： n阶的多项式f(x,y,z) 空间变化的场 PCL语言
Advanced Nonlinear
MultiPhysics
Nastran
Stress/ Dynamics
Heat Transfer
Virtual Product Development
Dytran
Marc
MSC Confidential
3
Fatigue
MSC.Software多学科仿真产品体系
• Global process and knowledge management • Pedigree and traceability • Open for all enterprise simulation mgmt.
MSC Confidential
MSC Software: the Only Original Nastran Company
什么是MSC Nastran
CFD/FSI Pressure/ Aerodynamics Heat Transfer Coefficients Aeroelastic Gust Flow Generated Acoustics
JPEG, MPEG, BMP, PNG,
TIFF, VRML, Output
MSC Confidential
便捷地显示和评估设计
Agenda
FRANC3DV4微动疲劳、三维裂纹扩展和损伤容限分析软件
FRANC3D V7.4微动疲劳、三维裂纹扩展和损伤容限分析软件新一代FRANC3D（FRacture ANalysis Code for 3D）是美国FAC公司开发的新一代裂纹分析软件，用来计算微动疲劳裂纹萌生寿命（包括裂纹萌生位置和起裂方向）以及工程结构在任意复杂的几何形状、载荷条件和裂纹形态下的三维裂纹扩展和寿命。
FAC公司(Fracture Analysis Consultants, Inc.)成立于1988年，起源于国际权威的断裂力学研究机构-康奈尔大学断裂工作组，与美国军方和政府组织长期进行项目合作研究和软件联合开发。
FRANC3D是由FAC公司联合美国空军研究实验室（AFRL）、NASA马歇尔太空飞行中心、美国海军航空系统司令部(NAVAIR）及波音、普惠等公司开发的新一代裂纹分析软件，是目前全球最专业、最流行的任意三维裂纹扩展分析与损伤容限评估软件。
FRANC3D的工作流程FRANC3D采用有限元法计算断裂力学参数和任意三维裂纹扩展，与ANSYS、ABAQUS、NASTRAN 等有接口。
其工作流程如下图所示：FRANC3D的工作流程FRANC3D的功能及特点参数化裂纹库FRANC3D具备参数化裂纹库，可引入任意形状的初始裂纹：●零体积缺陷（裂纹）✓椭圆形/圆形裂纹（包括埋藏裂纹）✓穿透型单裂纹前缘裂纹✓穿透型双裂纹前缘裂纹✓长条形浅表裂纹✓圆形周向裂纹（内环、外环）✓跑道型裂纹✓用户自定义平面/近似平面内任意形状裂纹✓用户自定义空间非平面任意三维裂纹●空腔（模拟材料中的气孔、夹渣、缩孔、缩松等）●引入多重裂纹●从外部文件读入裂纹数据自适应网格划分FRANC3D采用自适应网格重新划分技术来引入和更新三维裂纹网格，并采用网格划分模板保证裂纹尖端高质量的网格，是公认的同类软件中计算精度最高的断裂力学软件。
裂纹尖端高质量的网格裂纹尖端使用1/4节点的奇异单元裂纹尖端局部网格对称来减少离散误差裂纹区域网格自动细化以保证足够的精度裂纹面划分粗大的网格以减少单元数量利用M-积分计算断裂力学参数FRANC3D默认采用M-积分来计算应力强度因子，分可分别计算出各向同性和各向异性材料中KI、KII、KIII的结果，能考虑温度、裂纹面接触、裂纹面牵引及残余应力等因素的影响。
LMS寿命预测软件帮助宝马集团优化车辆耐久性并减轻总重量
LMS寿命预测软件帮助宝马集团优化车辆耐久性并减轻总重量在20世纪90年代初期和中期，汽车公司通常仅提供少数基本模型。
而面临今天激烈的市场竞争，汽车制造商们必须能够提供多种类型的汽车和变型版本，才能满足广大消费者不断变化的品味和时尚追求。
与此同时，汽车制造商还要继续保持产品的高品质，并不断减轻车辆的总体重量。
新设计方案的不断增加已经使耐久性试验设备的使用达到了极限，这成为制约汽车制造商开发新设计的瓶颈。
为了解决这一问题，BMW集团已经在其核心开发进程中集成了LMS寿命预测软件。
尽管面临着产品种类不断增加的实际问题，但BM W集团的物理样机数量并没有增加。
系统级耐久性仿真技术结合专门的分析和可视化功能为BMW集团工程师、设计团队和主要供应商之间构建了一个有效的交流合作平台。
这样，BMW集团的汽车开发周期明显缩短，特别是对变型产品。
消除试验瓶颈具有良好的耐久性对于激烈的汽车市场竞争来说是极为重要的。
与安全相关的部件绝对不能出现问题，当然，部件的整体疲劳寿命必须能让客户满意，并能保证对客户的承诺。
工程师设计的部件和系统，必须能够承受指定的工作载荷，预定的工作周期以及某些错误使用。
另一方面，车辆设计还要重量轻以降低制造成本，同时具有经济型燃油消耗，并满足排放标准。
决定性疲劳寿命设计，由于其复杂性和需求之间的相互冲突，并主要依赖于无数的物理样机试验和模拟试验，因此常常是非常耗时和高成本的流程。
由于试验结果不满意而修改的设计最终将导致设计新的物理样机，重新进行试验。
整个过程重复进行直到符合所需求的疲劳寿命。
薄弱焊点和正确设计的确定必须经过多次的构建-试验-重设计这样的循环过程。
通常情况下，有很多排气系统的试验，特别是进行整个系统评估时，例如轴装配，悬架系统，刹车装配或者动力总成系统。
BMW集团目前提供的车模型数量是15年前的两倍，还有很多变型版本。
例如，宝马3系列车型具有汽油或柴油发动机，自动和手动传动系统，后轮和四轮驱动，以及像敞篷车或旅行车等不同的车体设计。
Zencrack功能介绍
F.E. CODE Analysis
ZENCRACK Evaluates crack growth
ZENCRACK Updates f.e. model
STOP
no
ZENCRACK Next f.e. analysis?
yes
Zencrack 7.4 : Introduction
在新网格中，裂纹前缘附近的边界条 件和压力载荷将被更新。
在新网格中计算J积分和COD。
USER INPUT An existing f.e. mesh
of an uncracked component
USER INPUT Additional data e.g. crack location, size & crack growth data
ZENCRACK Updates f.e. model
STOP
no
ZENCRACK Next f.e. analysis?
yes
Zencrack 7.4 : Introduction
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How does Zencrack work ?
3. 生成包含初始裂纹的网格
Zencrack的第一步就是生成包含初 始裂纹的网格。
Zencrack 7.4 : Introduction
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引入裂纹，重新生成裂纹前缘附近的网格
Zencrack 7.4 : Introduction
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裂纹扩展
Zencrack 7.4 : Introduction
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Zencrack 7.4 : Introduction
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MSC系列软件介绍
基于有限元技术的 CAE 软件，无论在数量、规模上，还是应用范围上都处于主要 地位，作为 20 世纪中期兴起的技术手段，有限元技术随着计算机技术的迅猛发展，得 到了飞速发展和广泛的应用。
目前，CAE 软件主要应用于汽车、航空、航天、电子、土木工程、通用机械、兵器、 核能、医疗器械、铁道、石油和化工等行业。在国外，汽车行业是有限元软件的主要应 用行业，其所涉及的专业领域相当广泛，并且应用历史长、应用成熟度高。
2.1 MSC 公司介绍
MSC.Software Corporation 创建于 19863 年，总部设在美国洛杉矶，是享誉全球最 大的工程校验、有限元分析和计算机仿真预测应用软件(CAE，computer aided computer) 供 应 商 ， 其 最 早 最 著 名 的 产 品 是 大 型 通 用 结 构 有 限 元 分 析 软 件 MSC.Nastran 。 MSC.Nastran 软件始终作为美国联邦航空管理局(FAA)飞行器适航证领取的唯一验证软 件。
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所有这些都是可以实现的。 VPD 建立在企业现有的投资基础上，包括设计和分析/仿真软件、计算机硬件、样
3D裂纹扩展分析技术及其在航空领域的应用
3D裂纹扩展分析技术及其在航空领域的应用现代CAE技术的发展极大地提高了航空领域复杂结构的设计的效率和技术水平。
针对适航性要求和复杂工况下飞机结构安全保障的迫切要求，损伤容限设计和耐久性设计已经需要我们在日常设计中贯彻和实施；对飞机结构进行高可靠度的3D裂纹扩展分析，显著提高飞机结构的数字化虚拟试验能力，拓展全机实验效用, 缩短型号研制周期；对在役飞机进行科学的寿命评估，定寿延寿和确定合理的检修周期等已经是我们面临的迫切问题。
本文系统地介绍了ZenCrack软件做为目前市面上唯一商用的3D裂纹扩展分析软件在上述研究方向的应用和实践效果。
1 航空领域损伤容限设计和耐久性设计现状和挑战航空工业是国家的技术前沿和骨干行业，其产品开发和制造技术水平，不仅是质量和效率的保障，更是国家实力和形象的象征。
同时，航空工业作为技术密集、知识密集的高技术产业，集材料、机械、发动机、空气动力、电子、超密集加工、特种工艺等各种前沿技术之大成。
当前，数字化技术已经成为全球航空工业产品开发和生产的最有力手段和企业的核心竞争能力。
以CAE/CAD/CAM为核心的虚拟化仿真设计制造技术是现代航空数字化产品研制以及航空工业信息化的基石，也是高技术竞争的具体体现。
其中，CAE对航空产品的技术贡献尤其关键，国外已有许多成熟的CAE软件可对各种产品进行设计和多种性能的虚拟仿真，如结构力学分析(FEA)、流体力学分析(FEA)、计算流体力学分析(CFD)和计算电磁学分析(CEM)等在航空产品设计中获得了广泛的应用。
其中，和损伤容限设计和耐久性设计相关的三维裂纹扩展分析，已经在国际航空发达国家逐步实施，并且已经成为了国际适航性条例要求。
然而，国内对飞机结构三维裂纹扩展分析还存在着很大的局限性，主要表现在以下几个方面：1)目前的结构损伤容限分析和寿命预测的CAE技术仍然基于几十年前发展起来的二维断裂理论和经验方法的框架;2)缺陷常发生在几何上处理困难的部位;3)对初始裂纹的尺寸、构型和位置的准确描述;4)裂纹在扩展的动态过程中的非平面扩展; 5)数值计算需要裂纹前缘的详细描述。
MSC相关软件简介
Patran在Patran中能进行有限元分析的预处理和后处理(添加材料、边界等)，并能够提供实体建模、网格划分等，以及为Nastran、Dytran、Marc、LS-DYNA、Abaqus、ANSYS等提供分析设置，并直接选择相应的求解器进行分析计算。
Marc(高级非线性有限元分析软件)MSC. Marc 是高级非线性有限元分析模块，MENTAT是MARC 的前后处理图形对话界面。
MENTAT 是新一代非线性有限元分析的前后处理图形交互界面，与MARC求解器无缝连接。
线性/非线性静力分析、模态分析、简谐响应分析、频谱分析、随机振动分析、动力响应分析、自动的静/动力接触、屈曲/失稳、失效和破坏分析等。
它提供了丰富的结构单元、连续单元和特殊单元的单元库，几乎每种单元都具有处理大变形几何非线性,材料非线性和包括接触在内的边界条件非线性以及组合的高度非线性的超强能力。
MARC的结构分析材料库提供了模拟金属、非金属、聚合物、岩土、复合材料等多种线性和非线复杂材料行为的材料模型。
Nastran动力学分析特征模态分析、直接复特征值分析、直接瞬态响应分析、模态瞬态响应分析、响应谱分析、模态复特征值分析、直接频率响应分析、模态频率响应分析、非线性瞬态分析、模态综合、动力灵敏度分析等。
非线性分析很多材料达到初始屈服极限时往往还有很大的潜力可挖，通过非线性分析可以充分利用材料的塑形和韧性。
能够分析大位移、大变形、接触分析，需要材料的应力应变曲线；其中非线性包括几何非线性、材料非线性、接触分析中的非线性以及非线性瞬态分析等等。
热传导、流固耦合分析Dytran(高速瞬态非线性动力学问题、瞬态流固耦合问题)采用MSC. Dytran的输入数据格式, 可用于分析各种非线性瞬态响应, 如高速撞击、接触摩擦、冲压成型等。
2003年MSC.Software 公司与LSTC公司达成全球战略合作协议，将LS-DYNA程序完全集成入MSC Dytran。
MSC Software体化疲劳寿命预测解决方案
MSC Software体化疲劳寿命预测解决方案MSC Software - 一体化疲劳寿命预测解决方案在市场竞争日益激烈的今天，各公司都在寻求既提高产品质量、性能以及耐久性，还能缩短产品开发周期的方法。
现代产品的复杂性要求使用计算机工程分析来优化产品设计，从而提高其市场竞争力。
通过在计算机里快速有效地改变结构的设计参数，而不用建造试验模型，这样的分析大大降低了产品的开发成本。
对于目标是预测应力或应变的结构分析，这些典型参数包括几何外形的改变、外载、材料的选择。
然而，应力的预测仅仅是产品结构优化设计的一部分。
在产品设计过程中，计算机工程分析的另一主要需求是估算产品的使用寿命。
因此，通过分析法来预测疲劳寿命是一重要工具。
在方案设计阶段，设计者和工程师们经常使用简单手册的计算结果来评价产品的耐久性。
然而，经常在开发周期的测试阶段或生产出试验模型后，才能详细地检验产品的耐久性。
而且，成本相当可观。
仅靠测试手段不能评估一切设计参数。
而且只有当产品服役了一段时间才能发现其疲劳失效。
在这个阶段，疲劳问题将要产生极其恶劣的后果，包括大大地损坏了产品的声誉，更不用说使用寿命的降低。
在美国已经得到确认，由于产品的疲劳问题所引起的损失占国民生产总值的4％左右(约1200 亿美元)，疲劳所涉及的领域有汽车，航空航天，机械，船舶，铁路，国防，军工，海洋工程等等。
随着科技日新月异和用户对产品的要求越来越苛刻，企业面临的挑战越来越大，要缩短产品上市时间，疲劳问题要走在设计的前面等。
在产品的早期设计阶段，评估疲劳相关的问题和进行耐久性分析从而预测产品的寿命能给公司在缩减开发和测试成本、缩短投放市场的时间、提高产品使用寿命等方面带来很大的收益。
MSC.Software公司针对企业这一需求,提供了完美的一体化寿命预测解决方案，该方案是MSC仿真工具集的一个重要组成，也是实现虚拟产品开发（VPD）的一个重要环节，它主要由MSC.SimOffice中的四个软件组成：MSC.Patran，MSC.Nastran，MSC.Fatigue，MSC.ADAMS。
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耐久性和损伤容限分析软件MSC.Fatigue介绍
耐久性和损伤容限分析软件MSC.Fatigue介绍
在操作中失败的机械系统引起包括在其中的各个部件的严重问题。
制造商面临高额的保证花费和负担，而更重要的是操纵有缺陷的小汽车、卡车、飞行器或机械设备的人的安全性可能是冒险的。
为减少产品可能过早疲劳破坏或预料不到破坏的这些风险，制造商可能：
-使用更高的安全系数保守设计部件，结果是增加了重量和费用。
-依赖于繁重的物理疲劳试验，预测疲劳情况和寿命期望。
这将导致费用增加和推向市场的时间加长。
同时也限制了能进行试验工况数量和操作环境。
作为用户“产品虚拟开发（VPD）”过程的一个关键环节，MSC.Fatigue可以帮助用户快速而准确地预测产品在任何与时间相关和频率相关的载荷工况作用下的寿命，并优化产品的重量和形状。
MSC.Fatigue产品家族软件提供了可以由用户根据需求而定一系列集成的产品：
核心产品：例如：Basic, Pre&Post, Strain Gauge, and Utilities。
提供建模、测试、功能、评估和从耐久性观点对产品性能的提高等基本的功能。
可选产品：例如Fracture, Multiaxial,和Vibration ，扩展核心产品的能力。
工业领域专业产品：例如Spot Weld和 Wheels。
为特定的工业或应用领域提供的疲劳计算。
MSC.Fatigue是MSC与MSC在疲劳和耐久性分析领域的合作伙伴nCode合作开发的。
我们推荐MSC.Patran 作为MSC.Fatigue分析的前后处理软件工具。
可以从其它MSC的软件产品中获得MSC.Fatigue需要的几何和有限元结果，例如MSC.Nastran, MSC.Marc和MSC.Dytran。
载荷工况可以从MSC.ADAMS或物理试验中获得。
需要的材料信息可以从MSC.Fatigue的标准库中获得，从MSC.EnterpriseMvision材料数据库中获得，或者由用户自己提供。
获益:
-通过识别需要时间处理的部件的薄弱环节，加速创新。
-所有的可能的载荷工况情况下，对产品进行虚拟试验，增加产品最终设计时的信心。
-使新设计快速走向市场，避免沉长的物理上“装与拆”的循环，而它需要数周或数月才能充分地达到正常的循环寿命时间。
-最大限度地减少产之间品数据传递的时间，而此产品与MSC公司的其它仿真工具有很好的集成。
最大限度地减少部件保守设计而节省费用。
-通过将此产品作为MSC校园Licensing系统的一部分，节省在仿真技术方面的投资。
应用:
-承受低循环或随机振动载荷的飞行器。
-汽车悬架系统和刹车系统。
-非高速路行驶的车辆，具有相对粗糙的操作环境。
-发动机噪声，风力涡轮机和有随机振动的海洋钻井平台。