FE-SAFE疲劳计算软件（16章）

第一章：FE SAFE概述

FE SAFE是一专用疲劳计算处理器，采用先进的单/双轴疲劳算法，允许计算弹性或弹塑性载荷历程，综合多种影响因素（如平均应力、应力集中、缺口敏感性、初始应力、表面光洁度、表面加工性质等），按照累积损伤理论和雨流计数，根据各种应力或应变进行疲劳寿命和耐久性分析，广泛用于各类金属、非金属以及合金材料。

FE SAFE具有丰富的材料数据库，可进行载荷的组合，高级多轴疲劳分析。可快速研究温度效应、表面打磨影响、切口敏感性、几何变化效应、材料特性变化效应和不同载荷组合历史的影响。

 

第二章：FE SAFE应用方法

利用应力—寿命曲线进行单轴分析—Goodman、Gerber平均应力修正；

利用应变—寿命曲线进行单轴分析—Morrow、Smith-Watson-Topper平均应力修正；

利用局部应力—应变法进行多轴疲劳分析，可分别考虑最大剪应变（适用于延展性好的材料）、最大正应变（适用于脆性材料）、Brown-Miller组合剪应变及法向应变（适用于绝大多数金属材料），多轴Neuber准则计算循环中构件产生屈服引起的弹塑性应力应变，使用Miner累积损伤理论计算疲劳寿命；

利用BS7608标准的应力—寿命数据进行焊接结构疲劳分析；

还提供对铸铁专门疲劳分析；

 

第三章：载荷的定义

1、载荷的组合方式

（1）载荷的一个时间历程可以应用于一组FEA应力。它能有效地处理弹性应力结果和弹塑性应力结果。可以迭加多轴加载的时间历程，从而在模型每个位置产生一个应力张量复杂的时间历程；

（2）一系列FEA应力，如一般的瞬态分析结果等；

（3）上述两项的组合；

（4）常幅值循环块组成的块数据载荷的分析。

2、载荷数据文件格式

支持的数据文件格式：

标准的二进制DAC文件（*.dac）；

多通道AMC文件（*.amc）；

ASCII单、多通道数据文件（*.txt，*.asc）；

3、载荷历程

在疲劳分析中，应用较多的是常幅值载荷历程，即：有限元数据集中每个应力张量×常幅时间历程循环。

循环可有一个或多个，常幅时间历程循环可以用LDF文件定义，也可以由用户界面的一系列数字定义。

时间历程或载荷历程，能直接用于有限元数据集中每个应力张量。（峰值为1的时间历程对应最大载荷FEA，载荷历程对应单位载荷FEA）。

雨流循环图可以直接输出到LDF文件，PSD载荷也可以直接输出为一个LDF文件。

 

第四章：材料数据库

FE-SAFE提供了一个全面的材料疲劳特性数据库，含有常用的钢、铝合金材料的疲劳数据，用户可以扩充和修改数据库。

数据库中含有Seeger材料近似算法，允许利用材料的抗拉强度（UTS）和弹性模量生产近似的材料数据。

材料数据库（Open Database）：

创建新的材料数据库，有2中方法：

（1）File>>Open Materials Database，在Open Database中输入创建的数据库，如***.dabase。然后，利用Approximate Material加材料参数（Seeger材料近似算法）；

（2）复制一个已经存在的数据库，然后修改里面的参数。

数据库中的材料数据必须包括：

a、单轴应变—寿命曲线中的参数，

即：——疲劳强度系数；——疲劳延展系数；——疲劳强度指数；——疲劳延展指数；——弹性模量。

b、单轴稳定循环应力—应变曲线中的参数，

即：——应变硬化系数；——应变硬化指数。

c、材料的抗拉强度（UTS）

Seeger材料近似算法（Approximating material parameters）：

在计算中，只要有材料数据库中的参数，就可满足寿命计算。Seeger算法正是就数据库中参数进行估计，估算的精度被证明可以满足大多数要求。适用于普通碳素钢、合金钢、铝合金和钛合金。（Steel  Brittle/Ductile、Aluminium  Brittle/Ductile、Titanium）

绘制Seeger估算材料曲线方法：

在Open Database中选中要绘制的材料，高亮；

菜单Material中，选中Generate Material Plot Data…，出现Material plot对话框，在“output options”中选Strain—Life  Curve；

在Open Data File中出现STN-for-***_create[…，选中Plot，即可绘制材料曲线。

第五章：FE SAFE疲劳分析功能

利用应力—寿命曲线，进行单轴分析——Goodman、Gerber或无平均应力修正；

利用应变—寿命曲线，进行单轴分析——Morrow、Smith-Watson-Topper或无平均应力修正；

利用局部应力—应变分析，进行双轴疲劳分析（最大剪应变、最大正应变、Brown-Miller组合剪应变和法向应变）；

BS7608焊接结构应力—寿命分析；

Cast Iron（铸铁）疲劳分析。

第六章：疲劳分析模型

FE SAFE包括如下疲劳损伤模型：

单轴应力——寿命：

单轴应变——寿命：

最大正应变：

最大剪应变：

Von Mises应变：

Brown Miller：

BS7608：焊接模型；Cast Iron（铸铁）。

第七章：疲劳分析类型

1、构件的单一载荷历程

有限元分析文件，可以是单位载荷的弹性分析（对应载荷时间历程），亦可以是最大载荷的弹性分析（对应峰值为1的时间历程）。

FE SAFE通过时间历程×载荷，从而得到有限元分析每个节点的6个应力张量的载荷时间历程。

假定FE数据集的载荷工况是，在节点上相应的弹性应力是。要分析的载荷的时间历程是，中一个数据点的值是，那么：

1、节点上的弹性应力：；

2、弹性应变的时间历程：。

用多轴Neuber准则计算出循环屈服引起的弹塑性应力应变，采用材料记忆算法，进而计算出节点在双轴应力状态下的循环应力—应变曲线。

对于单一载荷时间历程，节点上的主应力方向不变，因此，只进行单一疲劳分析。

2、构件上的多向载荷

多向载荷的每个单向载荷单独作用，FEA文件给出6个应力张量，与相应的时间历程相乘得到应力张量的时间历程；对每个单向载荷重复这一过程，就得到所有载荷的合应力张量的时间历程。（多向载荷的各单向载荷，在作用方向、作用位置、时间历程上存在差异）

对于一个应力数据集，节点上的每个弹性应力通过如下公式给出：

式中：：6个应力张量分量中的一个分量的瞬态值；

：用于FE数据集的载荷；相应与节点上载荷的弹性应力；

：载荷的时间历程中的瞬态值。

同理。

用多轴Neuber准则计算出循环屈服引起的弹塑性应力应变，采用材料记忆算法，进而计算出节点在双轴应力状态下的循环应力—应变曲线。

对多向载荷，在加载过程中，节点上的主应力方向是改变的，于是进行临界平面的疲劳计算。所有面上的最短疲劳寿命作为节点的疲劳寿命。

第八章：疲劳分析步骤

1、运行FE SAFE

开始——FE SAFE，初始化界面：Open Databases、Open Data Files、Open FE Models、Message Log和Fatigue from FEA。

2、界面

1、工具条：主要进行信号处理；

Open Data Files：打开数据（载荷信号）文件；（如white.dac）

Close Data Files：关闭载荷信号文件；

Save Data：保存数据信号文件为*.dac；

Copy：复制至粘贴板；

Plot：独立窗口绘制；Multiple Plot（separate/same plot spaces）：多个信号在2个/1个坐标系内绘制（多选CTRL）；

Cross Plot：交会图；

Numberical Display：信号数据点显示；

Properties：信号属性。

…图形显示信号的移动、旋转、放大、缩小（左键框选区域）、信号最大、最小值标示与移除；

Abort：中止当前操作。

2、主菜单:包含用户界面定制到疲劳分析的全部功能。

（1）File：

Open /Close Data File：打开/关闭载荷通道信息文件（载荷历程）；

Save Data File As：另存载荷通道信息文件；

Open /Close Materials Database：打开/删除材料库数据；

Open/Append finite Element Model：打开一个有限元文件/增加有限元模型到已有有限元模型；

Save Loaded FE Models：保存载荷有限元模型为FED格式文件；

Open FEA Fatigue Definition File：打开一个有限元疲劳定义—KWD格式文件；

Save FEA Fatigue Definition File：保存一个KWD格式文件；

New/Open FEA loading file：新建/打开一个有限元载荷定义—LDF文件；

Save Current FEA loading As：保存现有FEA载荷为一LDF文件；

Save FEA Fatigue Results As ：疲劳分析结果文件保存；

（2）FEA Fatigue：

FEA Fatigue Analysis：打开Fatigue from FEA对话框；

General FEA Options：有限元疲劳分析的设置；

Analysis tab：

a、Use SN curves for stress-type analysis：基于应力的疲劳寿命分析，采用SN曲线分析，包括：单轴应力寿命、主应力寿命、Von Mises应力寿命分析；没有SN数据，将采用弹塑性应力—寿命曲线分析（由应变参数得到）。

b、Abort stress-based analysis if no SN data：没有SN数据，中止分析。

c、Disable temperature-based analysis：忽略疲劳分析对温度的依变性，相当于0C°材料疲劳分析（机械疲劳）。

d、Additional effects scale factor：使导入的应力分析，包含腐蚀影响（corrosion effects）、置信度（confidence levels）

e、Disable triaxial stress and strain treatment：多轴应力下，默认采用临界面方法（critical-plane analysis）分析；亦可不用。

Interface tab：

a、Loaded FE models （FED）file：有限元模型文件（FED）

b、Read strains from FE Models：由FE模型中同时读取应力、应变数据，用于弹塑性分析中。

c、Exprot  log（10）of lives：log（10）寿命输出，如10e6输出为6.0.

d、Overflow Life value：数值计算奇异，由于应力过高甚至无法满足1个疲劳循环的节点，寿命小于此值，将会去除。

e、infinite life alue：无限寿命，默认为材料的耐久极限（material’s Endurance），亦可指定（user specified）。

FOS tab：用于安全系数计算。

Cast Iron tab：铸铁疲劳计算，疲劳寿命公式为：，其中是破坏的部分；是损伤速率参数；是循环耐久次数。

TMF tab：热—机疲劳分析；

Mean Stress Treatment for Damage Partitioning of cycles：

非热—机疲劳分析，平均应力修正不进行无量纲化（Do not non-dimensionalise）；热—机疲劳分析，进行无量纲处理（Non-dimensionalise using material data at max/min of cycle）。

… … Interface Options：接口界面设置；

View FEA Fatigue Results Log file：显示疲劳分析结果的.log文件；

Display FE Models Window：显示Open FE Models窗口。

（3）Material：材料、材料库操作。

3、用户窗口

Open Data files——载荷文件窗口；

Open FE Models——有限元文件窗口；

Open Databases——材料库窗口；

Message Log——信息窗口；

Fatigue form FEA对话框，进行疲劳计算的设置：

Loading…：Add

Add a LOAD*DATA set：选中Open Data files中的载荷通道信息和Open FE Models中的应变或应力载荷历程相乘；

Add a User Defined LOAD*DATA Set：同上，用户自定义一个载荷信息（Open Data files）；

Block/High Freq. Block：载荷块。

Group：材料分组，对应Open FE Models中的Groups。

Surface：指定材料表面光洁度，或应力集中系数。

Material：材料选择。

Algorithm：疲劳计算算法。

In plane residual stress：残余应力指定。

Other Options其他选项:

Output file：结果输出文件及存放目录；

Design Life：指定有限寿命设计的寿命、计算强度因子（FOS）；

Probability：疲劳破坏概率计算；

Exports：输出设置。

第九章：信号分析

1、信号生成（Generation菜单），生成时间历程

a、Sine Wave，White Noise（正弦波、白噪声）

Time：时长；Sample rate（Hz）：频率；No. of waves：信号合成波的个数；Label：坐标标示；Units：单位。

Type of wave：信号波种类（While / Sine）；Amplitude：幅值；Phase：相位；frequency：频率。

b、Generate Time history from peak-valley data（由峰、谷数据生产时间历程）

由峰谷数据文件，生成的时间历程，尤其适于动态问题的驱动信号生成。

提取一系列峰、谷数据点，数据点间半余弦拟合（half cosine）插值。可定义参数：

Max. change between samples（任2个数据点间最大变化，控制斜率）

Min. samples between P-V pairs（峰、谷数据点间最少的插值点个数，控制余弦曲线形状）

c、Generate Time History from FFT buffer（快速傅立叶变换生成时间历程）

FFT（快速傅立叶变换）生成时间历程，选择2个信号，1为实部，另1为虚部。

2、信号处理（Amplitude、Frequency菜单）

Amplitude（信号幅值处理）

Differentiate（微分）；

Integrate（积分）；

Mathematical functions（数学函数）：SIN（正弦）；COS（余弦）；TAN（正切）；…

Scale and offset（比例和偏移）：

Multiply，divide，add，subtract two signals（2信号+、-、*、/）；

Concatenate multiple signals（信号时程连接）；

Rainflow（and cycle exceedence）from time histories（时间历程雨流循环计数）；

Peak-valley（and P-V exceedence）（峰谷信号处理：通过Gate值设置，忽略峰谷范围小于Gate的小信号影响，通常为噪声信号）。

Multi-channel peak-valley（多通道峰谷信号处理）

第十章：弹性FEA疲劳分析

（弹性FEA应力数据）

1、单轴应力寿命分析（Uniaxial stress life）

a、用于分析单轴数据，应力幅用于计算疲劳寿命。单轴数据在实际问题中出现较少，通常推荐采用多轴算法。

b、通过S—N曲线，或由局部应变材料数据得到的应力寿命曲线完成。

当使用局部应变材料数据时，疲劳寿命曲线由下式确定：

 此时，进行多轴循环塑性修正，将弹性FEA应力转化为弹塑性应力、应变。

当使用S—N曲线，疲劳寿命可由材料库中SN值确定，此时，不进行塑性修正。

c、Goodman、Gerber或不进行平均应力修正，在后面讲解。

 Goodman、Gerber平均应力修正：

a、应力周期中：

应力范围：；

应力幅：；

平均应力：

b、对于Goodman、Gerber平均应力修正，应力幅和平均应力用于计算平均应力为0时代等效应力幅，进而得到耐久性。

2、单轴应变疲劳寿命分析

a、用于分析单轴数据，弹、塑性应变幅可用于计算疲劳寿命。单轴数据在实际问题中出现较少，通常推荐采用多轴算法。

真实的局部应变幅和耐久性之间的关系：

b、平均应力修正的三种等效寿命方程如下：

Smith-watson-Topper平均应力修正：

Morrow’s平均应力修正：

不进行应力修正：

3、多轴应力寿命分析

最大主应力分析

a、是一种临界平面算法，应力分解成一系列的平面（垂直表面），这些平面以10°的增量交叉扫掠，在每个平面上获得疲劳循环，计算最大主应力，并对平均应力进行修正，计算疲劳寿命，最终疲劳寿命为系列平面的最小寿命。该算法使用SN曲线或局部应变材料数据得到的应力寿命曲线计算耐久性。

b、当使用局部应变材料数据时，疲劳寿命曲线由下式确定：

此时，进行多轴循环塑性修正，将弹性FEA应力转化为弹塑性应力、应变。

当使用S—N曲线，疲劳寿命可由材料库中SN值确定，此时，不进行塑性修正。

4、多轴应变寿命分析

最大剪应变分析：

a、是一种临界平面算法，当使用弹性应力时，可提供多轴的弹塑性修正。应力和应变分解到一系列平面上（垂直表面且呈45°），这些平面以10°间隔交叉扫掠，在每个平面上获得疲劳循环，由最大主应变计算剪应变，并对平均法向应力进行修正，计算疲劳寿命，最终疲劳寿命为系列平面的最小寿命。

b、（剪）应变—疲劳寿命曲线：

c、该算法提供三种平均应力修正：Morrow、User Defined、None。

Morrow平均应力修正的疲劳寿命方程：

最大主应变分析

a、是一种临界平面算法，当使用弹性应力时，可提供多轴的弹塑性修正。应力和应变分解到一系列平面上（垂直表面），这些平面以10°间隔交叉扫掠，在每个平面上获得疲劳循环，计算最大主应变，并对平均应力进行修正，计算疲劳寿命，最终疲劳寿命为系列平面的最小寿命。

b、应用应变—疲劳寿命曲线：

c、该算法提供三种平均应力修正，Morrow、User Defined、None。

Morrow平均应力修正的疲劳寿命方程：

Brown Miller疲劳分析

a、也是一种临界平面算法，当使用弹性应力时，可提供多轴的弹塑性修正。应力和应变分解到一系列平面上（垂直表面且呈45°），这些平面以10°间隔交叉扫掠，在每个平面上获得疲劳循环，由主应变计算平面剪应变和法向应变，并对平均法向应力进行修正，计算得到疲劳寿命，最终疲劳寿命为系列平面的最小寿命。

b、使用（法向、剪）应变—疲劳寿命曲线：

c、该算法提供三种平均应力修正，Morrow、User Defined、None。

Morrow平均应力修正的疲劳寿命方程：

5、Cast Iron（铸铁）疲劳分析方法

a、也是一种临界平面算法，当使用弹性应力时，可提供多轴的弹塑性修正。

b、滞回环线和循环应力应变曲线对铸铁的影响比对钢影响大很多：

体效应——类似于钢的对称环线再附加上弹性应力、应变关系的变化，其中m为割线模量的斜率：；所以，体积应力、应变关系为：

石墨效应——考虑铸铁受压比受拉强，这是对于所有压应力的拉压滞回环线的区别，而对于拉应力，则为零。这种石墨效应用表示；

表面行为——铸铁表面的裂纹和类似缺陷的影响，会减少有效的横截面积：，其中为构件最大应力，为卸载系数；

压缩裂纹的闭合——在载荷历程中，最大应力时表面裂纹最宽，应力减少时裂纹闭合，，其中Q、q分别是裂纹闭合反应的系数和指数，由循环的边界条件求得；

c、总的应力、应变响应：

应力和应变分解到一系列平面上，这些平面以10°间隔交叉扫掠，在每个平面上获得疲劳循环，用上式对塑性进行修正，并对平均应力进行修正，计算得到疲劳寿命。

d、疲劳寿命公式：，其中是破坏的部分；是损伤速率参数；是循环耐久次数。

e、两种平均应力修正：Smith Watson Topper

User Defined Mean Stress Correction

第十一章：弹塑性疲劳分析

（弹塑性FEA数据）

FE SAFE弹性疲劳分析中，通过弹塑性弹性到弹塑性修正方法，可由弹性应力计算得到弹塑性应力—应变；但弹塑性修正仅针对节点，不会对FEA模型应力分布产生影响。对由于弹塑性对应力分布影响较大的问题，需采用弹塑性疲劳分析。

FE SAFE在弹塑性疲劳分析中，需要同时包括其应力、应变数据。

FE SAFE弹塑性疲劳分析方法：主应变、Brown Miller、最大剪应变、铸铁分析。

FE SAFE弹塑性疲劳分析：

a、 导入弹塑性应力、应变数据；

b、 定义弹塑性残余应力；

c、 循环疲劳分析采用随动强化（Kinematic hardening），故弹塑性FEA分析亦采用之；

d、 表面光洁度效应；

e、 平均应力修正（Morrow、User defined）

第十二章：焊接接口疲劳分析

（welded steel joints）

BS5400/BS7608分析用于焊接疲劳分析。

BS5400/BS7608分析也是一临界平面法，节点应力分解到一系列平面上（垂直表面），最终疲劳寿命为系列平面节点的最小寿命。

SN曲线、应力—（平均）寿命关系由BS5400焊接接口定义：

式中：：循环耐久度；：法向应力幅；：焊接等级常数；：SN曲线斜率（双对数），Paris 裂纹扩展准则为3。

SN曲线定义的循环耐久度范围：10e5—10e7。对循环N>10e7，设置为；对循环N<10e5，在双对数SN曲线外推。

Fatigue from FEA：Algorithm：BS5400 Weld Life（CP）

BS5400 Weld Definition：Weld class：（焊接等级）；

Design criteria（#standard devns）：（设计准则：疲劳寿命计算前，焊接失效概率）；

（0——50%；-2——2.3%；-3——0.14%）

BS5400/BS7608焊接疲劳分析，针对焊点到焊趾的较小范围，一般在接近焊趾处单独定义单元组，焊接等级分析；而由于应力集中，焊趾处常会得到不实际的短疲劳寿命。

第十三章：疲劳寿命设计与基于概率的疲劳分析方法

1、寿命设计

FE SAFE设计寿命分析方式：

a、Factors of Strength（FOS）——安全系数：

Fatigue from FEA——Design Life——Perform Factor of Strength（FOS）Calculations；

寿命设计可为：指定有限寿命（User defined design life）、基于材料耐久极限的无限寿命（Infinite design life use material’s Endurance Limit）。

安全系数（FOS）不对载荷、应力产生影响，仅用于节点的设计寿命约束，疲劳计算完成可输出节点FOS，亦可云图显示。（FOS>1，安全；FOS<1，不安全）

FOS求解指定：

General FEA Options——FOS tab——Band Definitions for FOS Calculations

Maximum：2.0——所有高于2.0的FOS，指定为2.0；

Maximum fine：1.5

Minimum fine：0.8

Minimum：0.5——所有低于0.5的FOS，指定为0.5；

FOS值在Max fine ——Min fine之间，FE SAFE求解精度0.01，其他，0.1。

b、Failure Rate for Target Lives——疲劳失效速率分析

Fatigue from FEA——Probability——Perform failure rate for Target lives calculations；

FE SAFE针对指定设计寿命，进行疲劳失效速率分析，得到疲劳失效概率（%），可云图显示。

Calculate Reliability rate instead of Failure Rate：输出生存率（Reliability Rate）或失效率（Failute Rate）。

第十四章：常规高温疲劳分析

（Conventional high temperature fatigue）

FE SAFE常规高温疲劳分析，用于高温影响疲劳，但高温未引发时变效应（Time dependant phenomena）的分析（恒温）；而高温引发时变效应，需进行fe-safe/TMF（热-机疲劳分析）。

1、高温疲劳分析输入：

a、FEA节点温度解；

b、FEA节点应力解；

c、温度相关材料属性。

2、高温疲劳分析

FEA分析，需包含温度影响，并输出节点温度解；FE SAFE从FEA模型读入温度信息、应力信息；由于温度差异，FEA节点将采用不同温度下材料属性；进行疲劳分析。

疲劳分析数据：应变—寿命、SN、循环应力—应变数据，均需指定系列温度下的数据值。

读入FEA分析数据前，需保证FEA Fatigue——General FEA Options，Disable temperature-based analysis非选。

FEA分析的温度数据，不必同应力数据一同读取，在同一FEA模型中；可File——Append Finite element Model，添加FEA模型。

第十五章：fe-safe/TMF热—机疲劳分析

热—机疲劳分析，是同时考虑应力波动、温度波动下疲劳分析。采用主应变算法，铸铁疲劳算法。

热—机疲劳分析需考虑：

a、应变率、瞬态温度下循环应力—应变响应；

b、瞬态温度下应变—寿命曲线；

c、应力与温度循环相位关系；

d、应力松弛；

e、疲劳强度的应变衰退效应；

f、高频应力循环重叠；

热—机疲劳分析，输入数据：

a、弹性FEA中应力、温度信息，需进行有限元热—机耦合分析；

b、材料数据包括应变率的温度序列数据。

Fe-safe/TMF分析选项，General FEA Options——TMF Tab，

平均应力无量纲化：Non-dimensionalise using material data at max/min of cycle。

第十六章：Abaqus+FE SAFE疲劳寿命分析

1、Abaqus有限元分析，输出inp文件、fil文件；

2、FE SAFE读入.fil文件疲劳分析，输出.hmres文件；

3、HyperView同时读入.inp和.hmres文件，显示疲劳分析结果。