MSC一体化疲劳寿命预测系统

为何需要疲劳分析？

-机械零部件80-90%的失效形式是疲劳；

-应力分析只是结构寿命和可靠性分析的一部分，而不是全部。评定结构寿命和提高产品的可靠性需要分析疲劳失效；

-在设计早期减少原型制作，降低开发成本；

-在设计阶段估计产品寿命，加快产品投放市场时间；

-采用系统化方法评估产品寿命，增强耐久性，质量和性能。提高产品的市场竞争力。

MSC.Fatigue

一体化疲劳寿命预测系统

在产品设计阶段使用MSC Fatigue，可在设计制造过程之前进行疲劳分析，并为集成的寿命管理创造一个MCAE环境，真实地预测产品的寿命，极大地降低生产原型机和进行疲劳寿命测试所带来的巨额开销。

MSC.Fatigue已经使世界众多的知名公司和企业从中获得巨大的经济效益，涉及从空间站、飞机发动机到汽车、铁路，从空调、洗衣机等家电产品到电子通讯系统，从舰船到石油化工，从内燃机、核能、电站设备到通用机械制造等各个领域。早期疲劳分析可提高产品的可靠性，增强客户对产品性能的信心，同时也可减少售后保修维护等费用，避免产品招回等难以预计的严重后果。

MSC.Fatigue功能

全寿命分析 (S-N)

全寿命法，即通常所说的应力～寿命法或S-N方法，该方法并不严格区分裂纹产生和裂纹扩展，而是给出结构发生突然失效前的全寿命估计。

特色：雨流循环计数；名义应力修正；焊接结构；统计置信参数；Palmgren-Miner 线性损伤；用户自定义循环；材料和部件的 S-N；表面条件；安全系数分析；多轴状态指示。

应变 (萌生) 寿命（E-N）

也叫初始裂纹寿命，采用先进的初始裂纹模型或应变～寿命（ε-N）模型，预测产品从初始工作状态到产生初始裂纹时的疲劳。

特色：循环应力－应变模型；SWT & Morrow 平均应力修正；Neuber等弹－塑性修正；疲劳失效概率（统计置信参数）；考虑温度修正；疲劳安全系数分析；表面条件；用户自定义的疲劳单位；双轴修正；Palmgren-Miner 线性损伤。

裂纹扩展

裂纹扩展寿命要根据有限元模型提供的结构应力分布，结构载荷的变化以及材料的疲劳特性等条件，预测裂纹的扩展速率和时间。研究裂纹扩展常采用传统的线弹性断裂力学（LEFM）。

特色：逐个循环地模拟；按时间顺序的雨流循环计数；多环境材料性质；Kitagawa 最小裂纹尺寸；门槛模拟；裂纹闭合和延迟；用户定义的循环；断裂韧性失效准则；表面和埋藏裂纹；修正的 Paris 定律。

虚拟应变片

提取有限元结果，结合载荷随时间变化历程，为应变片创建响应时间历程，支持多种形式的应变片（花）——单轴, T, Delta和直角；叠层式片和平面片；用户自定义应变片。

价值：简化了有限元模型和物理模型的验证过程；便于获取难以测量位置处的信息，补充缺失数据和获得新数据；降低验证成本；测试数据用于疲劳分析。

多轴疲劳

预测结构在多轴应力状态下的疲劳寿命。与常用的单轴或比例载荷情况不同，多轴疲劳方法采用了非比例、多轴应力状态假设，并通过裂纹扩展法预估结构寿命，分析结构的安全系数。

多轴疲劳强调在非比例加载下的多轴应力应变状态：

-多轴应力状态下的塑性建模

-四种临界面模型（Fatemi-Socie 等）

-使用多轴雨流计数的Wang-Brown方法

-多轴安全系数分析 - Dang Van & McDiarmid 方法

-损伤、寿命云纹图

-损伤极坐标图

多轴疲劳分析实例

焊接疲劳

焊接疲劳基于有限元分析结果，可预测两块金属板在焊接连接处的疲劳寿命。焊接方式包括点焊和缝焊。计算中将结构的点焊看作是连接两块金属板的刚性杆，或者用CWELD单元来模拟点焊，缝焊用壳单元或者CSEAM单元来模拟，而金属板用薄壳单元描述。该方法利用杆单元横截面所受的力和力矩来计算焊接处的应力，然后采用S-N方法，完成结构的全寿命疲劳分析。

采用Spot Weld，可准确预测点焊的疲劳寿命，优化点焊的数量和大小，从而降低制造成本，增加产品可靠性。

价值：预测薄壁结构的疲劳寿命，例如包括很多点焊和缝焊的车身；利用MD Nastran和 MSC.ADAMS静力和动力结果；自动提取点焊组和焊缝线相邻的壳单元组。

成功案例: 减少点焊数目

客户： 卡车供应商

挑战： 将点焊数量减少10%，提高驾驶室的生产效率，降低成本。

解决方案： 对客车驾驶室进行疲劳寿命计算, 删除疲劳寿命最长的点焊，重新继续疲劳计算。

价值： 在确保当前结构耐久性不变的条件下，删除400个点焊。每个驾驶室在装配线上节约30分钟。

振动疲劳

预测结构在随机振动载荷下的疲劳寿命；在频域进行仿真计算（输入载荷在频域中描述，损伤分析）；可使用频响结果或随机振动分析的结果；求解方法DIRLIK，具有通用性。

仿真的灵活性

轮毂疲劳

可以对车轮或其它旋转体进行疲劳分析，这些结构的特点为承受的载荷是沿着旋转体的外围传播的。通过载荷施加到车轮连续扇区上而完成仿真分析。

在MSC Fatigue中，可以在损伤最严重的表面角度为每一个节点绘出疲劳寿命和疲劳损伤云图。MSC.Fatigue Wheels应用领域：所有类型的车轮或带轮的交通工具；在循环载荷作用下的旋转机械。

成功案例：BF Goodrich

客户： 飞机轮毂制造商

挑战： 尽量减少物理实验

解决方案： 采用MSC.Fatigue，预测一系列的载荷工况下轮毂的寿命。

价值： 缩短项目倒入时间，提高设计能力，为产品定型提供参考数据。

工程应用实例

电机转轴应力强度和疲劳分析

电机轴有限元模型及约束

载荷

驱动扭矩时间图

转轴应力时间图

转轴应力冲击曲线

疲劳寿命计算

转轴的疲劳寿命：

材料 45#钢，E=2.1e5MPa， UTS = 333MPa。材料的疲劳曲线如下：

疲劳计算结果

疲劳寿命计算结果：最低寿命3.34e5。最低寿命点即：2783.3小时

机车转向架疲劳寿命分析

载荷工况：动力学计算得到的载荷谱

分析软件：MSC.Adams，MSC.Nastran，MSC.Fatigue

用虚拟疲劳样机技术预测机车转向架侧架的疲劳寿命

机车转向架侧架的疲劳寿命

-转向架侧架模型：节点数：24万，单元数19万（10节点）

-典型的载荷工况：垂向载荷，横向载荷，随机载荷谱

-分析软件：MSC.Nastran，MSC.Fatigue

轮毂疲劳分析

转向节有限元疲劳寿命分析

轿车底盘转向节模型：节点数96312，单元数77341（10节点）

典型的载荷工况：重复转向载荷，转弯载荷，制动载荷

分析软件：MSC.Nastran，MSC.Fatigue

后桥壳虚拟疲劳分析

风力发电机组轮毂分析及优化

水泥输送泵车结构疲劳寿命分析

门式吊装机构多学科一体化仿真

门式吊装机构一体化仿真是一个典型的多学科集成问题，涉及：

-吊装机构运动学动力学分析，分析机构各构件运动关系及受力关系；

-吊装机构重要部件的结构强度计算，分析部件在具体工况中的应力、应变和变形，在运动学动力学分析中引入有限元弹性因素，进行刚弹耦合分析，可以在动力学分析中考虑部件弹性的影响，同时可以在动力学分析过程中考察动态应力和变形；

-吊装机构重要部件的疲劳寿命计算；

-吊装机构驱动控制系统与机械系统的机电一体化协同分析，研究机械系统在驱动控制作用下的响应特性。

仿真分析流程

-在Adams中建立吊装机构的动力学分析模型，进行机构运动学动力学分析

-使用Nastran对关键承载部件进行有限元分析，得到模态中性文件

-将Adams中的相应部件替换为弹性体，进行刚柔耦合动力学计算，在动力学计算中考察弹性部件变形及应力，或者输出弹性体的受力信息，在Nastran中进行详细的结构有限元计算

-计算弹性部件的的载荷时间历程，通过Adams与Fatigue接口，将相关信息导入进行关键部件的疲劳寿命计算

-进一步的仿真需求，在Easy5中建立吊装机构驱动控制系统，定义Easy5控制系统模型与Adams机械系统模型之间参数传输关系，通过Adams/Controls进行机电一体化联合仿真

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