HyperWorks疲劳分析功能简介

HyperWorks是Altair公司为各行各业提供的一个完整的、功能强大的、创新的、架构开放的CAE技术平台，该平台包含了通用的前后处理器，如HyperMesh、HyperView、HyperGraph等，包含了各个领域的求解软件， 如结构分析及优化软件OptiStruct、碰撞分析软件RADIOSS、多体动力学软件MotionSolve、流体动力学分析软件AcuSolve等。

疲劳分析是结构分析软件OptiStruct中的一个模块，提供了丰富的疲劳分析算法，涵盖了低周疲劳、高周疲劳、无限寿命疲劳，针对连接件提供了焊点、焊缝疲劳，针对随机载荷，开发了随机振动疲劳。

1.1 低周疲劳

循环应力较高，循环次数低于10⁴时，称为低周疲劳。低周疲劳的载荷相对较大，构件的局部区域进入塑形变形，通常采用应变来评估疲劳寿命。根据加载方式的不同，低周疲劳又可分为单轴疲劳和多轴疲劳。在单轴或比例加载中，应力、应变主向不会发生变化，疲劳评估相对简单。在多轴疲劳分析中，应力、应变主向会发生变化，疲劳评估相对较难。OptiStruct支持两种形式的疲劳分析。

平均应力在疲劳分析中起到重要的作用，在受拉平均应力作用下，疲劳裂纹张开，不利于疲劳寿命；在受压平均应力作用下，疲劳裂纹闭合，有利于疲劳寿命。OptiStruct可以考虑平均应力对疲劳寿命的影响，支持流行的MORROW，SWT等算法

疲劳裂纹往往萌生于构件的表面，构件的表面光洁度、表面处理对疲劳寿命有较大的影响，OptiStruct支持抛光、热轧、锻造、渗氮、冷轧、喷丸等表面处理方式。

针对不同的材料，需要采用不用的评估方法，如脆性材料、延性材料。对脆性材料，支持带绝对值的第一主应变；对延性材料支持带符号的8面体等效应变。

对多轴疲劳，软件自动检测是否为多轴加载，并智能选择单轴或多轴疲劳算法。对多轴加载，采用临界平面法评估所有可能破坏的临界面，以最大损伤面代表该点的破坏面。OptiStruct支持SWT、FS等方法，SWT应用与受拉裂纹，FS应用于受剪裂纹。

1.2 高周疲劳

当循环应力较低，循环至破坏的次数较高时（>10⁴），称为高周疲劳。高周疲劳应力载荷一般在弹性范围内，通常采用循环应力来评估疲劳寿命。根据加载形式的不同，又分为单轴高周疲劳、多轴高周疲劳。

平均应力在疲劳分析中起到重要的作用， OptiStruct可以考虑平均应力对疲劳寿命的影响，支持流行的Goodman，Gerber、Soderbe等算法

疲劳裂纹往往萌生于构件的表面，构件的表面光洁度、表面处理对疲劳寿命有较大的影响，OptiStruct支持抛光、热轧、锻造、渗氮、冷轧、喷丸等表面处理方式。

针对不同的材料，需要采用不用的评估方法，如脆性材料、延性材料。对脆性材料，支持带绝对值的第一主应力；对延性材料支持带符号的8面体等效应力。

对多轴疲劳，软件自动检测是否为多轴加载，并智能选择单轴或多轴疲劳算法。对多轴加载，采用临界平面法评估所有可能破坏的临界面，以最大损伤面代表该点的破坏面。多轴疲劳分析Goodman、Finderley方法，前者应用于受拉裂纹，后者应用于受剪裂纹。

1.3 无限寿命疲劳

发动机叶片、曲轴类构件往往经历10⁸甚至更多次的疲劳寿命，这意味着如果某一个循环内导致疲劳损伤的产生，在经过足够长的时间内，该构件都有可能经历足够长的时候最终破坏。OptiStruct提供了DanVan无限寿命算法，将宏观应力映射到微观应力，如果在微观尺度不会产生塑形应变，则认为所有循环不会产生损伤，构件可以经历无限寿命，否则不能经历无限寿命。

1.4 焊点疲劳

在焊点位置，由于几何突变、异材结合，焊点附近存在应力集中。在工程应用中，焊点无法精确建模，一般采用梁、或实体单元加RBE3，数值仿真无法捕捉该点的应力集中。应力集中与网格尺寸有一定的关系，即使建立精细的模型，应力也不稳定，直接采用有限元分析得到的应力进行疲劳评估存在一定的难度。OptiStruct引入了Rupp结构应力的方法，对焊点建模时采用梁单元、实体单元加RBE3、CWELD单元，对于一维单元可直接得到单元轴力、弯矩、剪力，对于HEXA实体单元首先得到等效的轴力、弯矩、剪力。然后由轴力、弯矩、剪力采用应力恢复算法，计算焊核、上下板连接处的结构应力。由于轴力、弯矩、剪力对网格不敏感，采用这种方法计算得到的应力相对稳定。最后用恢复的应力评估焊点在3个位置的疲劳寿命，最短寿命值决定了该点的最终寿命。

焊点疲劳的SN曲线一般是在指定厚度下得到的，但是工程实际中板件的厚度会发生变化，OptiStruct焊点疲劳分析功能支持厚度修正。

焊点疲劳的本质是疲劳裂纹的萌生、扩展，平均应力对疲劳裂纹有显著的影响，OptiStruct焊点疲劳支持平均应力修正。

1.5 焊缝疲劳

焊缝疲劳同焊点疲劳，在焊缝位置存在几何突变、异材结合，导致了此处的应力集中，通过有限元方法直接求取焊缝位置的应力进行疲劳分析存在一定的难度。OptiStruct焊缝疲劳采用Volvo算法，首先得到焊趾位置单元节点力、弯矩，然后通过单元节点力、弯矩恢复焊缝位置的应力，通过恢复的应力来评估焊缝疲劳。

OptiStruct焊缝疲劳支持多种焊缝类型，对于不同的的焊缝类型，评估特定位置的疲劳寿命。

OptiStruct焊缝疲劳支持FKM平均应力修正，支持厚度修正。

1.6 随机振动疲劳

在工程应用中广泛存在随机载荷，之前的疲劳分析方法都是针对的确定性载荷，无法适用于随机载荷，针对随机载荷必须要相应的随机振动疲劳算法。OptiStruct提供了随机振动疲劳分析功能，其分析流程为

1) 通过随机振动分析得到应力PSD功率谱密度曲线

2) 由应力PSD曲线构造应力幅值概率密度PDF曲线

3) 由峰值穿越数得到所有应力幅的总循环数

4) 由概率密度函数及总循环数得到任意应力幅循环数

5) 由应力幅及循环数带入SN曲线求损伤

6) 累积不同应力幅下的损伤得到总损伤

OptiStruct随机振动疲劳提供了4种算法，Dirlik、Lalanne、NB、Steinberg’s 3 band。支持平均应力修正，支持基于Mises应力和第一主应力的评估方法，支持壳体、实体单元单轴疲劳、焊点、焊缝疲劳。