12ncode软件在风电疲劳分析中的应用
ncode疲劳分析流程
ncode疲劳分析流程英文回答：nCode Fatigue Analysis Workflow.1. Data Acquisition.Collect experimental data, such as load histories, strain measurements, and material properties.Ensure data accuracy and completeness.2. Data Preprocessing.Filter and smooth data to remove noise and improve accuracy.Convert data into a suitable format for nCode analysis.3. Material Characterization.Determine the material's fatigue properties, including the S-N curve and fracture toughness.Use experimental tests or material databases to obtain these properties.4. Finite Element Analysis (FEA)。
Create a detailed FEA model of the component under investigation.Apply the load histories as boundary conditions.Solve the FEA equations to obtain stress and strain distributions.5. Fatigue Analysis.Import the FEA results into nCode.Select appropriate fatigue criteria, such as theSmith-Watson-Topper (SWT) or Goodman criterion.Analyze the results to identify critical areas and estimate fatigue life.6. Visualization and Reporting.Generate fatigue contour plots and othervisualizations to illustrate the results.Create reports summarizing the analysis findings and recommendations.7. Design Optimization.Use the fatigue analysis results to identify areas for design improvement.Modify the component geometry or materials to reduce fatigue stresses and extend fatigue life.8. Verification and Validation.Validate the FEA model and fatigue analysis results through experimental testing or alternative methods.Ensure the accuracy and reliability of the analysis.中文回答：nCode疲劳分析流程。
基于nCode的无人机金属机翼结构疲劳分析
基于nCode的无人机金属机翼结构疲劳分析
徐咏梅;乐文强
【期刊名称】《科技创新与应用》
【年(卷),期】2024(14)8
【摘要】近年来,无人机的发展受到越来越多的关注,其主要部件机翼结构的疲劳分析对无人机的安全飞行起到十分重要的影响。
该文通过对无人机机翼结构建模,然后采用流固耦合的方法在ANSYS Workbench中模拟计算出机翼正常飞行状态下的结构应力应变分布和形变情况,并使用应力疲劳分析理论,将机翼强度运算结果结合材料S-N曲线在nCode疲劳分析软件中计算分析该无人机机翼的损伤和疲劳寿命。
结果表明,该无人机机翼疲劳寿命的最小值和损伤的最大值都出现在主翼梁与机身连接的根部,为后续无人机机翼结构疲劳设计提供另一种参考方法。
【总页数】5页(P11-15)
【作者】徐咏梅;乐文强
【作者单位】广西安全工程职业技术学院;广西壮族自治区水利电力勘测设计研究院有限责任公司
【正文语种】中文
【中图分类】V241
【相关文献】
1.基于ANSYS/FE-SAFE的无人机复合材料机翼疲劳分析
2.基于ABAQUS的无人机机翼结构的强度及模态分析
3.基于Nastran的无人机机翼结构分析与优化
4.基
于nCode的压裂泵液力端疲劳寿命分析5.基于ANSYS与nCode的损伤钻杆疲劳寿命分析
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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CAE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Desig nLife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，指的是基于有限元分析结果的疲劳分析，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。
AnsysMechanical内嵌nCode疲劳仿真工具
AnsysMechanical内嵌nCode疲劳仿真工具疲劳分析是分析结构受到周期性载荷作用下，结构应力远小于强度极限情况，甚至结构应力比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏的情况。
Ansys nCode是国际著名的疲劳耐久性仿真分析软件，其多个版本以前已经可以和Ansys Mechanical进行无缝以进行联合分析。
而在最新版的Ansys Mechanical 2020R2中可以进一步将nCode进行内嵌，完成结构分析后即可进行疲劳仿真设置，从而提高疲劳仿真效率。
已安装完成nCode Embedded DesignLifeEmbedded nCode 疲劳分析模块内嵌系统分析流程树示意图Embedded nCode Designlife内嵌到Mechanical模块中，需要使用到以下插件MechanicalEmbeddedDesignLife.wbex，其操作方法参见附录。
下面是笔者实际工作中的一个疲劳仿真案例，说明如何在Ansys Mechanical中使用Embedded nCode分析工具。
如下图，为某空调压缩机模型，外壳通过三处安装柱以螺纹形式进行固定，皮带轮在外载荷作用下，带动内部压缩阀等部件转动，进而实现空气压缩。
由于压缩机工作过程为高速运转过程，同时其上的皮带轮所受到的外部载荷具有较大的波动性，因此容易造成压缩机壳体等部件在工作过程中发生疲劳失效，进而影响压缩机的正常工作，从而需要对压缩机壳体等部件进行疲劳仿真计算。
之前版本的Ansys Mechanical软件需要在完成结构分析后，在拖入nCode的相应模块进行疲劳仿真，如下图所示。
要进行疲劳仿真需要打开nCode界面，并在nCode模块中进行设置，此种方式的优势在于可以使用全面的nCode功能。
但是缺点在于需要在不同的界面进行切换以及数据传递更新。
新的Ansys Mechanical 2020R2 将nCode的部分功能内嵌到Mechanical，在完成结构分析或者调整后，可以直接在同一个界面下进行仿真计算。
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。
nCode培训 实用疲劳理论
实用疲劳理论
Quiz 1:
• How can you break a metal spoon?
实用疲劳理论
• 材料的物理性能 • 疲劳载荷 • 应力寿命（S-N）法 • 局部应变法（e-N）
1
© 2007 nCode
Quiz 2:
• How can you break a ceramic spoon?
火车出轨
什么是金属疲劳？
Quiz 4: • Can you name a metal
fatigue failure you experienced?
汽车零部件失效
• Truck frame • Manifold • Bracket • Crankshaft • Brake • Exhaust pipe • Wheel •…
43
Note that: 6.895 x ksi = MPa
© 2007 nCode
Load, P Engineering Stress, S
Monotonic Loading
Load Time Curve
Engineering Stress – Strain Curve
Time, t
Engine er ing Stress S = P A0
发展了旋转弯曲疲劳试验 ，S-N曲线及疲劳极限概念 • 1886年，Bauschinger 首先确证了应力-应变滞回线 • 1903年，Ewing 和 Humphrey 证明结晶理论是不正确的，
指出疲劳是由于塑性变形所引起 • 1910年，Bairstow 调查了应变循环中的应力-应变响应，
提出了循环硬化和循环软化概念 • 1920年，Griffith 研究了玻璃中的裂纹，由此诞生了断裂力学
nCode_S-N疲劳理论
ncode 回疲劳分析基础及S-N分析法2012年HBM内容nCode.·疲劳失效·怎样预测疲劳寿命·S-N疲劳寿命分析基础HEMnCode/T 什么是金属疲劳?HEM什么是金属疲劳?nCode//·疲劳是一种机械损伤过程，在这一过程中即使名文应力低于材料的屈服强度，载荷的反复变化也将引起失效·疲劳一般包含裂纹萌生和随后的裂纹扩展两个过程，循环里性变形是金属产生疲劳的主要原因HBM恩·内因：金属中有位错金属疲劳失效的原因是什么?·外因：载荷的变化nCode/D桥梁坍塌nCode/@7Minneapolis'l-35Bndge Colapse;is stuctural Failure or Metal Fatigue to Blame?Cmg -品s1131,域Ccl ?ehR3l p ertd net,togtctrtsniaiirpcrfon teuhient ,nlinescm8 and pskt nih sanfeem疲劳失效·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).·中国机械工程手册在第6章“结构疲劳强度设计"中指出：机械零构件80%以上为疲劳破坏，因此对于承受循环载荷的零构件都应进行疲劳强度设计。
疲劳失效所涉及的领域nCode/M·汽车、航天、航空、航海、能源、国防、铁路、海洋工程及一般的机器制造等工业领域赣车农用车辆工程车辆国防航空航天铁路能源机器隔A 汽车零部件失效·车架·歧管·支架·曲轴·刹车·排气管·车轮HBM火车出轨(英国Hatfield)bed疲劳寿命定义·裂纹起始寿命·裂纹扩展寿命·总寿命nCode/mZ二)□gd疲劳发展简史(1/2)nCode/@7·1839年，Poncelet首先使用“疲劳”一词。
ANSYS nCode DesignLife 疲劳仿真
应力-寿命方法
⚫ 应力-寿命（SN）疲劳方法假设疲劳损伤是由波动的应力产生的 • 仅适用于弹性应力，因此限于低应力/高循环应用 ✓ 通常对于韧性金属来说，疲劳失效需要超过100,000个循环 • 疲劳寿命基于交变应力范围和Wöhler疲劳曲线（S-N曲线） • 原始的数值疲劳方法 • 丰富的行业经验 • 简单的技术 • 通常可以通过手工计算进行验证
阶段 II 裂纹
⚫ 微裂纹穿过 2-3 个晶粒边界后，发展成疲劳裂纹（阶段 II 裂纹） ✓ 相对于材料的微观结构，疲劳裂纹较大 ✓ 裂纹本身在物理上中断了应力的流动
⚫ 应力集中导致裂纹尖端出现塑性应力 ✓ 局部塑性应力导致裂纹改变方向
⚫ 裂纹的生长现在由裂纹尖端的循环塑性应力驱动 ⚫ 裂纹方向垂直于最大主应力
疲劳破坏
•如果存在足够的能量，阶段 II 裂纹会继续生长，直到发生拉伸破坏 • 大多数裂纹缺乏足够的能量穿越晶粒边界 • 裂纹“停滞”
滑移带
微裂纹
疲劳裂纹
拉伸破坏
初始裂纹
疲劳损伤 产生条纹 （又称“海滩标记”）
快速最终断裂由于拉伸破坏 - 无条纹
CAE疲劳分析
•CAE可以在虚拟环境中预测疲劳损伤 ✓ 评估可以在设计阶段进行 ✓ 可以评估由多个载荷引起的累积损伤
⚫ 疲劳方法 • 使用计算出的应力/应变和材料疲劳曲线来预测失效的周期数（寿命） •两种基本的疲劳分析方法
• 应力-寿命（SN） ✓ 使用弹性应力
• 应变-寿命（EN） ✓ 使用弹性-塑性应变
CAE疲劳方法
⚫ 应力-寿命（SN）方法使用弹性计算的应力和应力与循环疲劳失效曲线（S-N曲线） • 假设应力驱动疲劳 • 仅适用于高循环疲劳 • 对于韧性金属来说，通常指超过100,000个循环
nCode高温SN疲劳分析案例分析
8
© 2011 ANSYS, Inc.
November 2,
2019
High-temperature SN Fatigue Analysis
Fig. 12-4 波纹管承受压力脉冲的表面
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© 2011 ANSYS, Inc.
November 2,
2019
High-temperature SN Fatigue Analysis
将这些文件复制到工作文件夹中。
12.2 目标
您将学习SN分析引擎如何使用各种加载配置来执行由温度变化 引起的疲劳分析。这些加载由混合负载映射器定义。
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© 2011 ANSYS, Inc.
Novembere SN Fatigue Analysis
我们将学习这种负载的应用，以及随温度变化的疲劳性能的定 义。
Fig. 12-1 施加到波纹管内径的温度载荷
5
© 2011 ANSYS, Inc.
November 2,
2019
High-temperature SN Fatigue Analysis
Fig. 12-2 施加在波纹管外径的温度载荷
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© 2011 ANSYS, Inc.
November 2,
2019
演示算例为不锈钢波纹管，内孔施加一个温度时间序列（图121），另一个温度时间序列施加到外圆（图12-2）。温度循环图 如图12-3所示，整个时间持续6000秒。并在相同时间内产生一个 热应力循环，该例中温度默认单位是摄氏度。
4
© 2011 ANSYS, Inc.
November 2,
2019
High-temperature SN Fatigue Analysis
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。
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焊缝钢结构S-N曲线
焊接钢结构设计用S-N曲线 25
DesignLife中进行结构应力提取
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焊缝结构疲劳计算
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焊缝结构结构应力法（nCode DesignLife 12.1版本）
• 使用实体单元焊缝配置文件 • 支持IIW标准中的厚度比例方法和距
离方法 • 处理线性插值和或者抛物线插值 • 网格密度关联 • 允许用户自定输入比例或者距离
Energy Spectrum (m/2s)
4 day
SemiDiurnal
5 min
1 min
5 sec
1000
100
10 5
2 1 0.5 0.2 0.1 0.05 0.02 0.01 0.005 0.002 0.001
Period of fluctuations (h.cyc)
Macro-Meteorological Range
Spectral Gap
Micro-Meteorological Range
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定义载荷
MZB MXB
MYB FYB
FZB ZB
YB
XB
FXB
XB in direction of the rotor axis ZB radially YB so that XB, YB, ZB rotate clockwise
12
6
多R的S-N曲线
球墨铸铁材料的多R值S-N曲线
13
疲劳分析
载荷数据
载荷谱编制
有限元 模型
基本材料 性能数据
单位载荷有限元 静力分析
按规范计算S-N设 计曲线
设计载荷 数据
有限元应力 结果
多平均应力 S-N曲线
全场S-N疲劳分析
（DesignLife） 绝对值最大主应力
全场疲劳分 析结果
关键点S-N疲劳分析
State idling power production power production power production power production power production power production power production power production power production power production power production idling
设计用疲劳载荷工况定义
DLC1.2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Wind 2 m/s 5 m/s 7 m/s 9 m/s 11 m/s 13 m/s 15 m/s 17 m/s 19 m/s 21 m/s 23 m/s 25 m/s 28 m/s
Turbulence 57.0% 30.0% 24.9% 22.0% 20.2% 18.9% 18.0% 17.3% 16.7% 16.3% 15.9% 15.6% 15.2%
15
准静态应力叠加
16
8
关键位置疲劳分析
17
塔架焊缝疲劳分析流程
载荷数据
载荷谱编制
有限元 模型
单位载荷有限元静 力分析
焊缝 基本信息
从焊缝评估标准选 取S-N设计曲线
设计载荷 数据
有限元应力 结果
全场S-N疲劳分析
(DesignLife S-N)
焊缝设计 S-N曲线
疲劳热点 位置
获取焊缝热点应力
（DesignLife虚拟应变计工具）
– 长度-m – 力-N – 应力-Pa (N/m^2) – 力矩-Nm
19
20
10
焊接结构应力评估标准
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插值计算结构应力
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11
插值计算结构应力
虚拟应变片
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焊缝结构应力法S-N曲线定义
• 按照焊缝等级选取S-N曲线需要考虑的因素
– 焊接的几何类型 – 载荷方向和模式 – 失效位置 – 焊接类型
基本材料 性能数据
单位载荷有限元 静力分析
按规范计算S-N设 计曲线
设计载荷 数据
有限元应力 结果
多平均应力 S-N曲线
全场S-N疲劳分析
（DesignLife） 绝对值最大主应力
全场疲劳分 析结果
关键点S-N疲劳分析
（DesignLife） 比较不同计算参数
关键点疲劳 分析结果
6
3
风场的风速和风向
8
4
典型的疲劳设计载荷工况
Wind: 4.00 m/s, Yaw: -10.00NTM
轮毂有限元计算结果
• 实体单元： • 单元总数：>90000 • 节点总数：>450000 • 载荷步：15 • 单位：
– 长度-mm – 力-N – 应力-MPa (N/mm^2) – 力矩-Nmm
9
10
5
标准中S-N曲线定义
total stress
structural stress
F
hot spot reference points
28
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（DesignLife） 比较不同计算参数
关键点疲劳 分析结果
14
7
疲劳寿命设计修改
全场
根据疲劳寿命分布图， 鉴别寿命危险点
关键位置
通过各种参量的敏感性 分析，获取最佳的设计 或修改方案
• 选择不同的材料 • 比较不同的表面加工处理对
寿命的影响 • 不同的应力集中系数
(通过修改几何) • 不同的载荷水平 • 不同的成活率 • 各种不同的组合
合成S-N曲线应 力幅值 (MPa) 763.20 763.20 763.20 763.20 722.97 561.81 436.58 339.26 306.20 282.88 247.53 216.60 189.53 165.85 145.13 126.99 49.89 R=-1
设计S-N曲线应 力幅值 (MPa) 586.68 455.90 354.28 290.62 275.30 213.94 166.25 129.19 116.60 107.72 94.26 82.48 72.17 63.16 55.26 48.36 19.00
基于 Guideline for the Certification of Wind Turbines
11
DesignLife中生成S-N曲线
合成S-N曲线和设计用S-N曲线
球墨铸铁
寿命(cycle)
1 10 100 610 1000 1.00E+04 1.00E+05 1.00E+06 2.55E+06 1.00E+07 1.00E+08 1.00E+09 1.00E+10 1.00E+11 1.00E+12 1.00E+13 1.00E+20
上海山外山机电工程科技有限公司 2017.4
风机尺寸和发电功率大型化
发电额定功率快速增长 风机尺寸快速增长
2
1
风机载荷等级
摇摆和俯仰力矩相当于
纵向推力相当于
扭矩相当于
3
DesignLife软件获得GL认证
4
2
nCode软件在风电疲劳分析中的应用
5
轮毂疲劳分析方法介绍
载荷数据
载荷谱编制
有限元 模型
热点应力 雨流结果
热点S-N疲劳分析
（GlyphWorks S-N）
焊缝关键位 置疲劳寿命
18
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塔架输入载荷
塔架Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz的6个方向载荷，风速4m/s
塔架门段有限元计算结果
• 实体单元：SOLID186 • 单元总数：>35000 • 节点总数：>175000 • 载荷个数：6 • 单位：