载荷谱块的创建与疲劳寿命计算

第 9章 载荷谱块的创建与疲劳寿命计算 9.1学习目标 本练习中，我们已知某构件的 S-N曲线为 102 1052  .NS ，若其一年内所承受的典型 应力谱如表中前两栏所所，试估计其疲劳寿命。目的在于学会如何运用载荷谱块进行疲劳寿 命。 典型块谱及疲劳损伤计算 Si/MPa ni/10 6 Ni/10 6 ni/Ni 150 0.01 1.111 0.009 120 0.05 1.736 0.029 90 0.10 3.086 0.033 60 0.35 6.944 0.050 9.2创建载荷谱块 9.2.1启动信号创建模块，指定载荷谱文件名 从 nSoft 按钮，选择 Data creationg|Wave Form Generator，在弹出的对话框选择 Block program，如图 1所示。 图 1 信号创建选项 然后点击 OK，选择 Amplitude，弹出图 2所示对话框,按如图 2所示进行填写。 Output Filename: load 指定载荷谱的文件名 Sample Rate:1 指定采样频率（由于在计算过程中不考虑动力学效应，可以任 意给定） Ze on P DF D riv er T ria l ww w. ze on .co m. tw 图 2 载荷谱块创建向导 9.2.2定义第一个载荷谱块 然后点击 OK，进行下一个向导。如图 3所示。 Block Number(blank to end)：1 载荷谱块的编号设为 1 Cycle Amplitude：150 定义载荷幅值 Cycle Mean：0 定义载荷均值 Number of Cycles：10000 定义循环次数 N=0.01*106 All Done：No 是否定义完毕，选择 No 图 3 载荷谱块的设置 9.2.3定义其它谱块 重复上述步骤，分别定义第 2、3、4个谱块。设置分别如下： Block Number(blank to end)：2 Cycle Amplitude：120 Cycle Mean：0 Ze on P DF D riv er T ria l ww w. ze on .co m. tw Number of Cycles：50000 All Done：No Block Number(blank to end)：3 Cycle Amplitude：90 Cycle Mean：0 Number of Cycles：100000 All Done：No Block Number(blank to end)：4 Cycle Amplitude：60 Cycle Mean：0 Number of Cycles：350000 All Done：No Block Number(blank to end)：5 Cycle Amplitude： Cycle Mean： Number of Cycles： All Done：Yes 由于不存在第 5个谱块，所以载 荷谱的幅值、均值和循环次数保 留为空。 最后点击 OK，弹出如图 4所示的载荷谱向导 1.1.4显示整个目标载荷谱 从图 4 中可以看出，共建立了 4 个谱块，合计 510000 次循环，这与 (0.01+0.05+0.10+0.35)*106的结果是一致的。 图 4 载荷谱总结向导 在图 4上点击 Display，自动弹出 QLD(quick look display)对话框，以显示整个载荷谱。 Ze on P DF D riv er T ria l ww w. ze on .co m. tw 图 5 快速显示目标载荷谱 然后点击 按钮，可以显示更清晰地显示整个载荷谱，如图 6所示。 图 6 目标载荷谱的全部显示 从图 6中可以看出，载荷谱明显地分为四块，幅值越高，频次越少；相反，幅值越低， 频次越高，这也是一般目标载荷谱的共同特征。点击 File|eXit结束显示。 1.1.5疲劳寿命的计算 1.2.1创建疲劳分析文件 从 nSoft按钮，选择 Fatigue Analysers | Stress-Life Fatigue Analysis.第 1个向导窗体如图 7所 示。 Ze on P DF D riv er T ria l ww w. ze on .co m. tw 图 7 SN分析向导 创建一个疲劳分析工作文件，如上图所示，文件名为spectrum.fjb，扩展名可以不加，软 件在保存该文件时会自动加上。JOB文件是可以选择和修改的，这一点对用户非常有用。因 为你可以选择旧的文件进行分析，并修改其中的一些设置。JOB文件中包含了你使用过 的所有信息。 9.3.2指定载荷谱 点击OK按钮，进入载荷信息向导如图8所示。输入下面的参数： 1. Internal Units =MPa stress 2. Filename =LOAD.DAC 其它选项采用默认设置。 图 8 载荷信息窗体 9.3定义疲劳分析选项 点击 OK，进入下一向导，如图 9所示。在本题中，由于没有给出 P-S-N曲线，给出的 仅仅是 S-N曲线，所以存活率%Certainty of Survival选择 50%，S-N曲线选择零件的 s-N 曲线，Component S-N，Miner常数取为 1，损伤分析选择 Standard方法。设置结果如 图 9所示。 Ze on P DF D riv er T ria l ww w. ze on .co m. tw 图 9 疲劳分析选项向导 点击 OK，弹出图 10所示对话框，进入 S-N曲线的具体定义。 9.3定义 S-N曲线 在图 10所示窗体，进行如下设置 Entry Method：Enter 进行自定义 S-N曲线 图 10 S-N曲线定义向导 然后点击 OK，弹出如图 11所示对话框， Ze on P DF D riv er T ria l ww w. ze on .co m. tw 图 11 S-N 曲线定义对话框 从图 11 可以看出，S-N 曲线的定义需要九个参数，需要引起读者注意，这与我国疲劳 分析行业对 S-N曲线的常用表达方式有所不同，下面对其各个参数进行详细解释。在 nSoft 中，把疲劳特性曲线分为三段来描述，第一段一般定义在(0，103)，第二段一般取(103，106)， 第三段定义在(106, )，第一段是水平直线，认为疲劳应力不能超过 S1，第二段的斜率要 大于 b2< b1。 S NN2N1 S1 S2 b1 1 1 b2Ze on P DF D riv er T ria l ww w. ze on .co m. tw 对于本题给出的 SN方程 102 1052  .NS ，需要先求出(S1，N1)和(S2，N2)两个点。 把 N1=1000代入 SN方程 可得 5000 1000 1052 10 1   .S MPa；所以，图 11中的第 1个点的参数进行如下设置 First Life Point N1：1000 Stress Amplitude at N1,S1:5000MPa 把 N2=1000代入 SN方程 可得 11388158 10 1052 6 10 2 . . S  MPa。 对 SN公式取对数，可得 ).log()Nlog()Slog( 52102  所以，图 11中的第 2个点的参数进行如下设置 Second Life Point N2：1000 Stress Amplitude at N2,S2:158.1138MPa 所以 ).log()Nlog(.)Slog( 521050  这里我们将 S-N曲线的用一段直线来描述，所以 b1=b2=-0.5。在图 11中进行如下设置： slop after N2，SLOP：-0.5 由于题中只是给出 S-N 曲线的公式，并未给出应力比，我们认为给出的 S-N 曲线是在 对称载荷下试验得到的，所以 R-Ratio of test，R：-1 在这里，由前面对于载荷的定义可以看出，最大疲劳载荷的幅值是 150 MPa，我们认为 其小于断裂极限，所以断裂强度的设置只要大于 150MPa即可，只要设置在大于 150MPa范 围内，对计算结果就不会产生影响，因而这里设置为 Ultimate Tensile Strength，UTS：4000MPa 点击 OK，完成 S-N曲线设置，这时弹出疲劳系数修正，如图 12所示。 9.4疲劳系数修正 由于本例只进行简单的名义应力疲劳分析，不考虑疲劳系数，所以将其设为 1。 Kf：1.0 Ze on P DF D riv er T ria l ww w. ze on .co m. tw 图 12 疲劳系数修正对话框 点击 OK，进入结构设置选项。 9.5结果设置及显示 结果设置向导如图 13所示。这里最需要引起关注的是 No of bins选项，它是指在雨流 计数过程中，将载荷时间历程划分的区间数目，其大小直接影响到疲劳损伤的计算精度，由 于本题的结果是计数之后得到的，为提高计算精度，所以应该设置的大一些，这里取允许的 最大值。 No of bins：100 疲劳损伤按实际损伤进行计算，并要求创建计数结果文件和损伤时间历程文件，载荷直 方图采用默认选项，所以进行如下设置。 Damage：Actual Cycles file：Yes Damage-time file：Yes Histogram：Auto Ze on P DF D riv er T ria l ww w. ze on .co m. tw 图 13 结果设置向导 点击 OK，开始疲劳计算，计算完毕后，弹出如图 14所示的结果总结对话框。 图 14 结果总结 从图上可以看出，疲劳损伤 Damage为 0.11967，疲劳寿命 Estimated Life为 8.4Repeats， 为疲劳损伤的倒数，即为 8.4年。 高级提示：  实际上除了上述得到的疲劳分析结果，读者可以通过 Display Results 选项调出疲劳 计数结果，以及疲劳损伤随时间的变化结果。  由于本例比较简单，上述结果可以用手算得到。 将表中 Si的结果代入到 SN 方程，可以得到 Ni，填入表中第三列，然后采用 Miner 法 则计算累积疲劳损伤，即 1210.N/nD ii  ，疲劳寿命 2781 .Dn  年，与 nSoft 的 Ze on P DF D riv er T ria l ww w. ze on .co m. tw 计算结果相比 8.4年相差很小。读者可以考虑一下，产生上述误差的原因是什么？其实主要 原因是软件对疲劳载荷进行了重新计数，划分成 100个 bins，这是载荷时间历程离散后引起 的误差。 Ze on P DF D riv er T ria l ww w. ze on .co m. tw