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所示的载荷谱总结向导
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,并修改其中的一些参数设置。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
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
。设置结果如
图 9所示。
Ze
on
P
DF
D
riv
er
T
ria
l
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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
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er
T
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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
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l
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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
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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
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
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T
ria
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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
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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
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