MSC_NASTRAN振动疲劳分析(Lec22_振动疲劳)
振动疲劳分析流程
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在开展振动疲劳分析之前，首先要明确项目的目标和需求。
典型结构件的振动疲劳分析
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典型结构件的振动疲劳分析
图清单
图 1.1 基础激励振动疲劳试验装置 ........................................................................................ 4 图 1.2 铝合金疲劳裂纹扩展曲线及实物图.............................................................................. 4 图 1.3 复合膜材料疲劳寿命曲线............................................................................................ 5 图 1.4 有机塑料的 S-N 曲线 ................................................................................................... 5 图 1.5 LY12CZ 铝合金动态疲劳 S-N 曲线.........................................................................频率，模型修正，频率变化，裂纹扩展
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典型结构件的振动疲劳分析
Abstract
At present, the conventional analytical methods of static fatigue has been formed a separate system, and in engineering applications are quite ripe. But in actual environment, the project structure is often working in the environment of the vibration loads, the principal loss of structure is caused by vibration. Only use the idea of static fatigue can not compeletly explain the vibration conditions of failure，because it omits the key role of the changes of frequency . As a result, we take the common typical structure of aircraft as analyzing objects. Futhermore, we use the finite element software of MSC.patran&nastran and fatigue as a platform building dynamic models to study its’dynamic features and fatigue life. This paper put forward a method which considers frequency as a main factor to predict the life of structure. All works of this paper includes: First, we choose unidirectional stiffened plate and linking slab which are widely used in aircraft as objects to complete the structural vibration fatigue experiments under resonant excitation, realizing band motivation of the incentive frequency tracking structure inherent frequency and studying structure life change rule and the dynamic change of natural frequency by the resonance conditions. Results show that structural dynamic characteristics have important influence on fatigue life and nature frequency with the fatigue process is drab degressive. Futhermore, all works Based on the MSC. Patran&nastran platform, establishing the typical structure finite element dynamic model to complete the modal analysis and validate the finite element model is correct. And we use the amended model to analysis structure dynamic response, so as to realize the fatigue life calculation. Moreover, considering frequency variation of structure damage effect, this paper puts forward the frequency as the main parameters of resonance fatigue longevity methods. Through reasonable simplification and assumptions, using the finite element software of ABAQUS to simulate the dynamic structure crack propagation (named frequency of dynamic decreasing process), dynamic analysis is studied on each stages. SN method and damage tolerance are picked to simulate the progress of Adopt SN method, damage tolerance is done by the way under the condition of simulation timely resonance fatigue life. The example shows that the method is simple and reasonable and provides reference for vibration fatigue analysis. Key words : vibration fatigue; typical structure; natural frequency; model modification; frequency change; crack propagation
运载火箭结构振动疲劳损伤的工程分析方法
运载火箭结构振动疲劳损伤的工程分析方法随着太空技术的发展，运载火箭发射在国家战略安全和空间科学研究方面的重要作用日益凸显，为了确保发射的安全性和可靠性，对运载火箭结构的振动疲劳损伤进行综合分析和深入研究以确保运载火箭发射安全是十分必要的。
运载火箭是一种具有复杂结构的复合重型发动机，通过发动机推力将运载火箭从地面发射到太空的各个阶段，受到多种外界因素的施加，其结构会产生振动，如果振动中有疲劳损伤，将对航天器的安全性造成威胁。
因此，对运载火箭结构的振动疲劳损伤的研究则显得十分重要。
振动疲劳损伤发生的详细过程是，小弹性变形会引起结构材料的损伤，当处于低频非线性振动幅度限制下时，损伤会加剧，如果在结构混凝土光秃秃的区域聚集大量液态，有可能会损坏空间站及其他高科技结构。
为了确保安全，应该采用功能性结构，使其具有抗变形，抗冲击和抗振动等性能，加强结构材料的综合性能，提高结构的承受能力。
在振动疲劳损伤的工程分析领域中，分析方法也在不断完善，以确保结构的安全性和可靠性。
根据受力状况和技术性能的不同，分析方法主要包括结构物理方法、有限元分析方法、离散元分析方法、固体力学方法等，有效分析结构振动疲劳损伤的原因，为运载火箭发射提供科学依据。
首先，要充分了解复杂结构组件的结构特性，对复合重型火箭结构体系进行计算分析，全面探测发射过程中的振动疲劳损伤位置，为结构损伤的预防和实施提供有效的科学数据支持;再次，要深入分析各结构振动疲劳损伤件，以确定各类结构材料及其联合结构振动疲劳损伤的可靠性水平，以确保发射过程中结构的安全可靠性;最后，如果有必要，可以采用结构健康监测技术，圆满完成运载火箭结构健康状况的监测管理，以此来达到结构安全可靠的目的。
综上所述，为了确保运载火箭发射的安全，在振动疲劳损伤的工程分析方面应采取一系列措施，充分利用结构物理方法、有限元分析方法、离散元分析方法等，从复杂结构模型识别其本质特征，准确计算出发射过程中的振动疲劳损伤位置，加强结构材料的综合性能，提高结构的承受能力，达到确保发射的安全性和可靠性的目的。
Ncode案例
虚拟疲劳分析软件Desig nLife 应用案例传统的汽车整车和零部件开发通常都通过产品在试验室中的台架耐久性试验，或试车场道路试验，以验证产品是否满足其设计目标，这一过程周期很长，成本很高，发现问题较晚。
在当今的产品开发中，汽车企业越来越多地应用虚拟模拟分析技术，在实物样机出来之前就对其进行疲劳耐久性预测，在设计的早期消除不合格的设计，并通过设计比较，挑选出好的设计。
实践证明，进行虚拟寿命分析，能大大加快产品的开发，减少试验的工作量，节省成本。
新一代疲劳分析软件ICE-flow DesignLife 是nCode公司的旗舰产品之一。
它不仅继承了已经在工程上得到广泛应用的FE-Fatigue的功能特点，而且在软件的使用方便性方面也有了极大的改进。
本文首先介绍虚拟寿命分析的一般步骤，然后将重点介绍在汽车零部件疲劳分析中应用DesignLife的几个案例，以帮助读者深入了解并把握虚拟疲劳分析中的一些要点和难点。
典型步骤疲劳分析是一项较为复杂的工作，通常需要分析者对所分析的问题，以及需要从分析中获得什么样的结果有一个深刻的理解。
通常所说的虚拟疲劳分析，指的是基于结果的疲劳分析，就是将有限元分析结果，通常是应力应变结果，作为疲劳分析的一个主要输入。
通过一个疲劳分析模型，计算出零部件或结构表面的疲劳寿命分布，以帮助判断设计寿命是否达到，或进行寿命优化设计。
步骤如下：1. 选择一个合适的疲劳分析模型汽车疲劳分析中常用的分析模型有局部应力法、局部应变法、焊点疲劳分析法和焊缝疲劳分析法，另外还有较为复杂的Dang Van多轴安全因子法、振动疲劳分析和高温疲劳分析等。
不同的分析方法需要不同的有限元分析结果和材料性能输入。
2. 准备有限元分析结果一旦疲劳分析模型已经选择，那么需要什么有限兀分析结果也将明确。
比如，局部应力或应变法通常需要应力结果，而焊点分析法则需要焊点单元的力和力矩。
有限元分析通常对每一个作用在零部件或结构中的力和力矩做单位静力线性计算，应力输出结果可以是未平均的，或已平均的节点值，或者单元值。
CSR散货船底边舱折角处结构疲劳设计
CSR散货船底边舱折角处结构疲劳设计林文平;宋大伟;徐超友【摘要】以82 000吨级CSR散货船为例,利用大型通用有限元软件MSC/Patran&Nastran,以及英国劳氏船级社ShipRight SDA软件为平台,根据不同结构形式在三舱段有限元分析下不同的响应结果,对船舶内底板和底边舱斜板折角处的热点进行疲劳强度分析.根据几种方案下计算结果的对比,优化设计方案并对该处疲劳强度设计方案提出合理建议.【期刊名称】《船舶》【年(卷),期】2013(024)001【总页数】6页(P49-54)【关键词】疲劳;热点应力;优化设计【作者】林文平;宋大伟;徐超友【作者单位】青岛北海船舶重工有限公司船舶与海洋工程设计研究所青岛266520;青岛北海船舶重工有限公司船舶与海洋工程设计研究所青岛266520;青岛北海船舶重工有限公司船舶与海洋工程设计研究所青岛266520【正文语种】中文【中图分类】U663.830 引言众所周知，船舶在海上航行时，船体结构一直受到波浪力和船舶运动产生的各种惯性力的作用。
而波交变应力、长期的交变应力作用将会使结构产生疲劳损伤。
疲劳破坏是船舶与海洋工程结构物的主要破坏形式之一。
对于大型、超大型船舶而言，疲劳问题更应引起重视。
据统计，船长大于200 m的中大型船舶，总损伤数的70%属于疲劳损伤；船长小于200 m的船舶，疲劳裂纹损伤约占总损伤数的20%。
而今，船舶在整个生命周期的疲劳安全越来越受到人们的关注。
1 船体主要参数2 疲劳损伤计算基本原理国际标准化组织（ISO）在1964年发表的报告《金属疲劳试验的一般原理》中对疲劳做的定义是：“金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化”。
本次疲劳评估依据“IACS-Common Struc tral Rules for Bulk Carrier”规范进行。
疲劳强度评估采用线性累积损伤方法，评估基于等效切口应力范围，等效切口应力范围由热点应力范围乘以疲劳切口因子得到。
散货船体总振动固有频率预报
散货船体总振动固有频率预报作者：顾俊唐尧王凡超来源：《CAD/CAM与制造业信息化》2013年第05期一、引言船舶是一个弹性体，船舶航行时由于主机、螺旋桨等各种激励的作用会受到不同程度的振动。
轻微的振动是允许的，如果激振频率和系统的固有频率相等，或者激励幅值过大，都会引起共振或者剧烈的强迫振动，影响船舶的正常航行，因此进行全船的振动分析是很有必要的。
早期人们采用经验公式进行四节点以下的全船振动分析，往往是满足实际情况的，但是对四节点以上的振动还有很大误差。
本文采用有限元法进行全船的振动分析，它是目前较为准确的计算方法，能准确计算出船体的固有频率，但是耗费的时间和精力比较多。
利用MSC.PATRAN/NASTRAN对某散货船进行全船的建模及后处理分析，采用有限元方法对两种典型工况（满载离港、压载到港）进行全船振动分析，计算合理，对该船舶建造后船舶性能评定有重要参考指导意义。
依据82 000D WT散货船总布置图、装载手册和结构设计图样，采用全船有限元分析方法，选取船舶营运期间可能出现的均质装载出港（HOMOS_D）、隔舱装载出港（ALT_ORE_D）和轻压载到港（N B_A）三种典型装载状态，分别进行了全船自由振动计算和分析；并与船体主要激励源：波浪激振频率、主机2阶频率、螺旋桨激振频率等进行详细的比较和分析；主要是通过研究全船结构的自由振动特性，避免主要激励源与船体自身结构的共振破坏。
最后进行了尾部上层建筑、烟囱结构自由振动计算与分析，并与螺旋桨激振频率进行比较，避免局部所关心结构与主要激励源的共振破坏。
二、船体自由振动计算1.全船有限元模型82 000D W T散货船全船及局部结构的自由振动分析均采用有限元方法，借助大型通用软件MSC/PATRAN&NASTRAN完成。
船体梁自由振动有限元模型依据各专业相关设计图样建立，结构建模和载荷施加过程中采用牛、米、秒的国际单位制；模型的总体坐标系采用右手笛卡尔坐标系：X 方向为船长方向，指向船艏；Y 方向为船宽方向，自中纵剖面指向左舷；Z 方向为型深方向，自基线指向甲板。
MSC.Nastran软件介绍(详尽版)
作为世界CAE工业标准及最流行的大型通用结构有限元分析软件, MSC.NASTRAN的分析功能覆盖了绝大多数工程应用领域,并为用户提供了方便的模块化功能选项,MSC.NASTRAN的主要功能模块有:基本分析模块(含静力、模态、屈曲、热应力、流固耦合及数据库管理等)。
动力学分析模块、热传导模块、非线性分析模块、设计灵敏度分析及优化模块、超单元分析模块、气动弹性分析模块、 DMAP用户开发工具模块及高级对称分析模块。
除模块化外, MSC.NASTRAN还按解题规模分成10,000节点到无限节点,用户引进时可根据自身的经费状况和功能需求灵活地选择不同的模块和不同的解题规模, 以最小的经济投入取得最大效益。
MSC.NASTRAN及MSC的相关产品拥有统一的数据库管理,一旦用户需要可方便地进行模块或解题规模扩充, 不必有任何其它的担心。
MSC.NASTRAN以每年一个小版本, 每两年一个大版本的速度更新, 用户可不断获得当今CAE发展的最新技术用于其产品设计。
目前MSC.NASTRAN的最新版本是1999年发布的V70.5版。
新版本中无论在设计优化、 P单元、热传导、非线性还是在数值算法、性能、文档手册等方面均有大幅度的改进或突出的新增功能。
以下将就MSC.NASTRAN不同的分析方法、加载方式、数据类型或新增的一些功能做进一步的介绍:⒈静力分析静力分析是工程结构设计人员使用最为频繁的分析手段, 主要用来求解结构在与时间无关或时间作用效果可忽略的静力载荷(如集中/分布静力、温度载荷、强制位移、惯性力等)作用下的响应, 并得出所需的节点位移、节点力、约束(反)力、单元内力、单元应力和应变能等。
该分析同时还提供结构的重量和重心数据。
MSC.NASTRAN支持全范围的材料模式,包括: 均质各项同性材料,正交各项异性材料, 各项异性材料,随温度变化的材料。
方便的载荷与工况组合单元上的点、线和面载荷、,热载荷、强迫位移,各种载荷的加权组合，在前后处理程序MSC.PATRAN中定义时可把载荷直接施加于几何体上。
MSC Nastran 2013突破地集成了疲劳分析可对重量及耐久性进行优化设计
MSC Nastran 2013突破地集成了疲劳分析可对重量及耐久性进行优化设计源于：CAE学术网原先的 NASTRAN 求解器还扩展了声学、非线性及显式求解能力，同时提升了高性能计算机的能力加速产品创新的多学科仿真解决方案领导者 MSC 软件公司日前宣布发布新版的 MSC Nastran 2013。
MSC Nastran 2013 的新特性提供了用户定制及更广泛的求解能力，可大大节约汽车和航空航天行业仿真工作流程的周期。
版本特点：嵌入式疲劳分析新版本在 MSC Nastran 中集成了业内领先的疲劳分析工具。
工程师们如今可使用 MSC Nastran 求解器来计算疲劳损伤和寿命，无需将结果导出到单独的疲劳求解器中。
疲劳分析曾经是一个后期处理作业，如今已成为分析处理不可或缺的部分，具有多种优势，其中之一就是既能对重量进行优化，又能约束疲劳寿命。
∙规避了耐久性计算中的顺序处理步骤，从而极大地节约了时间。
这不仅缩短了计算时间（在某个例子中，传统上一次疲劳分析需要耗时 8 小时，如今只需38 分钟），而且还大幅提高了易用性（待处理的文件由 200个减少为 2 个）∙用户现在可以同时进行设计优化和疲劳分析，从而实现性能更佳、使用时间更长的设计。
一个例子显示，质量可减轻24%，同时疲劳寿命提高了 14%多孔材料建模在汽车和飞机中广泛采用内饰件来吸收振动并改善乘坐者的舱内舒适性。
新版本支持此类内饰件的孔隙表现，通过对流固界面的复杂多物理场进行建模，从而对交通工具的振动声学性能进行分析，以提高仿真精度。
高级非线性新版本增加了创建模型的灵活性和提高系统分析精度的功能。
∙改进了用户定义的材料子程序，能让工程师们定义新状态变量，并可传递其他的内部变量∙改进了强迫相对运动的功能，以便对结构进行更好的非线性动力学分析∙Adams 使用的 MNF 文件可用于柔性体模拟变形，现在也可在变形设置中输出显式非线性本版本中已实现了若干种新功能，用以改进计算密集型爆炸和常规流固耦合相互作用（FSI）的功能。
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S22-15
模态叠加瞬态分析的优点
• 使得结构动力响应计算不需要存储每一节点/单元的 响应. • 考虑共振影响 • 这个方法类似于准静态方法，模态参与因子关联模 态应力 • 结合多体动力求解允许对整个装配体进行有效的瞬 态分析
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● 模态(叠加)瞬态方法
● 系统的动力学特性和自由度被缩减到一组模态，因此求 解速度比直接法快.
● 需要选择一组合适的模态. ● 限于线性问题(一般采用这个)
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frequency
Hale Waihona Puke 准静态分析➢ 确定静态有限元分析载荷和约束,以模拟工作环境 ➢ 测量或者预测载荷时间历程Pk( t ) ➢ 弹性应力历程是通过线性叠加方法进行计算:
ij,e (t)
k
Pk
(t
)
ij,e,k Pk,f ea
where k = loadcase ID.
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S22-7
A
静态分析
● 优点:
● 有限元计算代价低. ● 硬盘空间要求少. ● 可以使同样的应力数据用于不同载荷事件的疲劳分析. (也就是多
事件) ● 自动排除可以用于在疲劳分析前选择实体以加速分析。
● 缺点:
● 静态有限元分析要求的某些约束可能不理想. ● 当系统固有频率接近外载频率时候精度不够.
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S22-8
瞬态分析 (时域)
载荷时间历程
局部应力历程
L1
A
L1
L2
L2
对于组合载荷的应力是通过有限 元一点一点计算的.
对于长的时间历程,问题是求解时间和硬盘空
S22-11
用模态叠加法计算瞬态分析
模态响应
r1
r2
- repeat for each node/element
f1A* r1(t) + f2A* r2(t) + ... = A(t)
模态 1
局部应力历程
模态应力 PAT318, Section 22, September 2008
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S22-10
模态叠加的概念
模态振型 模态坐标
Mode 1 × 1.5
Mode 1
Mode 2 × 1.0
+
Mode 2
Mode 3 × 2.0
+
Mode 3
响应
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S22-3
分析域的选择
时域: 静态方法 (带或者不带惯性释放) 瞬态方法 (直接法或者模态法)
频率域: 频率响应分析(传递函数) 随机振动分析
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S22-2
动力载荷疲劳
● 所有的疲劳分析都要求确定应力/应变循环. ● 幸运的是这并不一定要求是瞬态动力分析. ● 疲劳分析选项:
● 静态 (或者准静态) ● 疲劳分析通过时间历程来对静态应力或者应变进行比例缩放
● 瞬态 (直接法或者模态法) ● 疲劳分析直接使用有限元分析的应力或者应变结果
● 随机振动(频域应力PSD) ● 疲劳分析转换PSD到期望的应力循环
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S22-21
Frequency (Hz)
频域
随机振动 (PSD 应力)
载荷 PSD输入
g^2/Hz
L1
g^2/Hz
L2
局部应力 PSD
^2/Hz
概率密度 (Dirlik or Narrow Band)
组合PSD载荷下的应力PSD响应是通 过对每一感兴趣的频率进行有限元计
S22-20
时间瞬态或者频域?
频域分析可以考虑动力共振效果
时域
5
10
15
Time in seconds
快速傅立叶变换 (FFT) (丢掉相位)
20
Response2
Hertz
Response variation Power Spectrum
傅立叶逆变换 (IFT) PAT318, Section 22, September 2008 (创建随机相位)
第22章 振动疲劳分析
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S22-1
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S22-16
模态叠加瞬态分析缺点
• 需要明智地选择模态分析中模态数量，在Nastran中 推荐用残余向量选项
•需要将模态响应转换为时间历程形式。当前Nastran 支持使用Punch文件中的SDISP
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Narrow Band solutions
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S22-23
随机振动 (PSD 应力)
● 优点 ● 适合可以用PSD描述的载荷(随机,稳态和高斯载荷)，比如风载和 海洋载荷，也可以仿真PSD激振测试 ● 包括动力和共振影响 ● 比用一个很长的时间历程计算瞬态分析更有效
4
S22-27
BLACK BOX
FATIGUE LIFE
FFT可以告诉我们什么?
FFT的幅值
时间历程
A j
FFT
time
单个正弦波的角频率w,幅值A 和初始相位j
S22-4
动力响应计算是必须的吗?
是,如果最高加载频率大于第一阶固有频率的三分之一
传递函数
FL < 1/3 FN
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FL
最高加载频 率
S22-5
Fn
第一阶固有 频率
S22-6
准静态方法 (线性叠加)
载荷历程
L1
L2
-对于每个单元/ 节点重复
1A* L1(t) + 2A* L2(t) + ... = A(t)
L1=1
局部应力历程
L2=1
单位载荷下的应力
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间要求
S22-9
疲劳分析
瞬态分析的类型
● 直接(积分)瞬态
● 整个系统的运动方程通过每一个时间步积分 ● 代价大 (CPU时间和硬盘空间) ● 可以计算非线性动力问题
困难
困难?
实际约束,没有动 力影响 模态选择
MBD模态叠加
中等
振动(PSD)
中等
中等 中等
可以 困难
模态缩减
稳态随机载荷假 定
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S22-25
如今计算损伤?
● 缺点:
● 瞬态分析计算强度比静态大. ● 需要很大的硬盘空间去储存每一时间步的应力状态. ● 每一载荷事件需要分别计算. ● 在疲劳分析前,不容易定位关键单元.
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载荷
(PSD)
材料
(S-N 分析)
几何 (FE 分析)
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疲劳分析
(振动疲劳)
后处理
S22-26
优化和 测试
如何计算损伤?
时域
稳态 or
时间历程
瞬态分析
频域
模态 2
A
S22-12
模态叠加
Calculate Modal Stresses (using Nastran SOL 103)