主流疲劳分析软件的介绍及比较

1、结构的疲劳破坏是其主要的失效形式，结构的疲劳强度和疲劳寿命是进行结构抗疲劳 设计、强度校核的重要内容。随着计算机技术和有限元技术的发展，结构疲劳分析方法在 各个行业得到了广泛的应用，出现了多种疲劳分析软件。常见的有：FE-Fatigue、FE- safe、MSC-Fatigue、Nsoft 系列和 WinLIFE 软件。这些软件分别由不同的公司推出，其中 FE-Fatigue 和 Nsoft 软件是由英国的 Ncode 公司推出的；MSC-Fatigue 软件是由 Ncode 和 MSC 公司合作开发的疲劳分析软件；FE-safe 软件是由英国的 Safe Technology 公司开发的； WinLIFE 软件是由德国的 Steinbeis TZ 交通中心开发的。从以上可以看出，可以认为目前疲 劳分析软件主要提供商是 Nsoft 公司、Safe Technology 公司和 Steinbeis TZ 交通中心这三个 单位。所以，我们把对比的对象选择为这三家单位的最新推出的疲劳软件，分别为： Ncode ICE filow 系列的 glyphwork、FE-safe 5.2 版和 Wi

2、nLIFE 3.2 版。疲劳分析软件之间的差异主要表现在五个方面：操作、接口、可视化、功能和价钱。疲劳分析软件一般作为有限元软件的后处理来进行结构的疲劳分析，需要把有限元的 结果文件导入进行分析，和目前广泛使用的用限元软件的良好匹配是很重要的；疲劳分析 软件是否能为工程师提供满意的解决实际问题的工具是一个十分关心的问题。所以在这里 主要对比的内容是：接口和功能部分。操作和可视化也有所提及。至于价钱不在分析的范 围之内。1 三种软件接口的比较三种软件接口的比较 1.1 Nsoft 软件的接口软件的接口在 Nsoft 软件中，可以直接将有限元元软件的计算结果直接倒入到软件中，并能直接读 出模型的材料和单元分组、以及应力的信息。并可以将导入的文件显示出来。Nsoft 软件中，可以直接导入的有限元软件及文件格式如下：Patran/nastran 的文件形式.op2I-DEAS 的文件形式.unvANSYS 的文件形式.rstPro/Mechanica 的文件形式.neuABAQUS 的文件形式.fil1.2 FE-safe 软件的接口软件的接口FE-safe 软件可以直接读入有限元软件的分析数

3、据，例如应力、应变和温度等。可以直接读入的软件的结果文件格式如下：ABAQUS 软件的格式为：.fil 文件、.ode 文件ANSYS 软件的格式为：.rst 文件NASTRAN 软件的格式为：.f06 文件、.op2 文件Pro/Engineer 软件的格式为：.s01 文件、s02 文件等文件（应力）.d01 文件 （温度）SDRC I-DEAS 软件的格式为：.unv 文件1.3 WinLIFE 软件的接口软件的接口WinLIFE 软件的合作者是 NASTRAN(MAS.visual NASTRAN4 Windows)和 NE/NASTRAN。这 两个软件是采用 FEMAP 作为前处理和后处理的。这就决定了 WinLIFE 所能识别的数据的结 构。其他有限元程序如果使用了 FEMAP，都可和 WinLIFE 进行连接，不存在任何问题。WinLIFE 3.2 版软件提供了和 NASTRAN 软件、SDRC I-DEAS 软件的文件交换界面。但在 该软件的使用手册中只提供了和 NASTRAN 软件之间交互界面的安装。在 NASTRAN 软件中安装 WinLIFE-menu，将 NAS

4、TRAN 软件的有限元结果输出为 WinLIFE 的输入文件*.LST。在这个输入文件中包含了节点的编号和节点的应力。1.4 小结从以上的内容可以看出，前两个软件和其他通用有限元软件的可以实现广泛的匹配使 用，并且可以直接使用有限元软件的计算结果文件，可以在计算过程中实现自动搜索疲劳 热点部位和每一单元或节点的损伤，并实现疲劳计算结果的可视化。第三个软件只能实现 和 Patran/Nastran 的文件互换，需要人为动手实现有限元计算结果的导出。这对于软件的 广泛应用将是不利的。2 功能的比较功能的比较 2.1 材料数据库的比较材料数据库的比较高质量的材料数据是进行疲劳计算的根本保证。所以，各个疲劳软件都提供了强大的 材料数据库。 2.1.1 nsoft 软件的材料数据库软件的材料数据库在 nsoft 软件中包含 150 种钢和铝合金的材料数据。这些数据包含的内容有：一般信息、 单调拉伸数据、应变寿命和应力寿命数据、断裂力学数据和多轴疲劳的的数据。并且有专 门的数据管理系统 mdm，可以进行数据的加载、编辑、创建、删除以及绘图等的操作。 2.1.2 FE-safe 软件的材料数据库软件

5、的材料数据库提供了常用材料钢、铝合金、体合金的疲劳性能数据。材料数据是根据其主要的使用 环境来管理的。主要包含的材料疲劳性能有：一般数据信息、材料的说明、应变寿命曲线 数据、稳态循环应力应变曲线、应力寿命曲线、失效概率、蠕变等的数据。对于这些数据 同样可以进行编辑、绘图等的操作。可以进行材料参考文件的链接。例如一个材料测试报告，通过设定路径可以建立链接 来使用这些数据。并且可以建立网络链接。 2.1.3 WinLIFE 软件的材料数据库软件的材料数据库对于 WinLIFE 材料数据库的使用，需要安装 Borland 数据库引擎。材料数据库的内容包 括：材料的描述、单调拉伸性能、循环性能、循环测试环境、化学成分。可以将测试的材 料数据导入到软件中。也可以进行绘图、编辑等操作。 2.1.4 小结小结从材料数据库方面来看，这三个软件中的前两个软件无论是在疲劳数据的管理还是包 含的材料信息方面都比最后一个软件要强。但前两个软件是由英国推出的、最后一个软件 是由德国推出的，所使用的材料的牌号都是本国的或是一些组织的牌号，如 SAE 的牌号。 如果是中国用户使用的话，这些数据库所提供的材料参数的利

6、用率就会大打折扣。这三个数据库中所包含的材料性能数据不完全相同。主要是因为这些软件在功能上的 不完全相同。WinLIFE 软件不考虑温度和腐蚀环境对疲劳影响的情况，并且不包含线弹性断裂力学的分析部分，所以在数据库中就没有这方面的数据。2.2 S-N 曲线的产生方法和修正方法的比较曲线的产生方法和修正方法的比较材料数据库中所给出的材料或进行实际测试的材料的 S-N 曲线数据是根据标准的光滑 试件在对称横幅循环载荷下得到的。但在实际的结构中很难找到和标准试件完全相同的形 状和使用环境的情况。实际的结构一般不是光滑试件，应力比也不是-1，尺寸大小也不尽 相同，表面状态、载荷形式、加载频率也差异很大。如果要在实际的结构中使用材料的 S- N 曲线，就必须进行这些修正。对于没有可用 S-N 曲线的材料，需要进行疲劳寿命的计算时，一般通过静强度的材料 参数来估算 S-N 曲线。估算的方法和采用的材料参数，三个软件不尽相同。本节主要对 S-N 曲线的估算方法和修正方法进行比较。 2.2.1 S-N 曲线的估算方法的比较曲线的估算方法的比较 2.2.1.1 Nsoft 软件的软件的 S-N 曲线估算方

7、法曲线估算方法 近似 S-N 曲线的产生仅仅依赖于极限拉伸强度，UTS。产生的方式如下表：循环 应力 铁合金（钢） 1 1.0 X UTS1000 0.9 X UTS1000000 0.357 X UTS钛合金 1 1 X UTS1000 0.8 X UTS1000000 0.307 X UTS铝合金 1 1 X UTS1000 0.7 X UTS1000000 0.258 X UTS其他合金 1 1 X UTS1000 0.8 X UTS1000000 0.274 X UTS在软件的操作中只需要输入两个参数：材料的类型（钢、铝、钛、其他）和材料的拉 伸强度极限，就可以得到材料的 S-N 曲线数据。 2.2.1.2 FE-safe 软件的软件的 S-N 曲线估算方法曲线估算方法这个软件认为 S-N 曲线近似等于局部应力应变法中的弹性部分：斜率 和 可以通过 coffin-manson 关系式的估算得到。对于 coffin-manson 关系式的估算，该软件把材料分为五种类型：钢（脆性） 、钢（延 性） 、铝合金（脆性） 、铝合金（延性） 、钛合金。需要输入的参数包括：材料类型、材料的拉

8、伸极限强度和材料的弹性模量。至于，coffin-manson 关系式的估算在后面的局部应力应变法的计算中将会给出相应的 计算方法。 2.2.1.3 WinLIFE 软件的软件的 S-N 曲线估算方法曲线估算方法该软件提供了三种 S-N 曲线的估算方法：Hauck 方法、Haibach 方法和 FKM 方法。这些 方法和修正方法混合在一起不好区分。该三种方法在用户手册中没有详细的讲出，具体的计算方法和计算过程不是很明确。 2.2.2.4 小结小结三个软件采用了不同的方法给出近似的 S-N 曲线。存在的问题是：这三个软件给出的方法那个更好，需要进行分析；FE-safe 软件给出的 S-N 曲线有很大的局限性；没有明确的 给出这些方法是如何确定 S-N 曲线的疲劳强度的。FE-safe 软件给出的 S-N 曲线，仅适用于疲劳寿命在 之间的结构的疲劳寿命计算。如果 疲劳寿命小于 的话，计算将存在很大的误差。2.2.2 S-N 曲线的修正方法的比较曲线的修正方法的比较由材料的 S-N 曲线到结构的 S-N 曲线一般需要进行修正。需要进行的修正包括：应力 集中（理论应力集中系数、疲劳强度缩减系数）

9、 、尺寸大小、机械加工粗糙度、表面热处理 （渗碳、渗氮、表面淬火等） 、表面的冷处理（滚压、喷丸、挤压等） 、载荷类型（拉压、 剪、扭、弯） 、加载频率、加载波形、平均应力等。一般认为加载频率和加载波形的影响很 小，可以不考虑。 2.2.2.1 Nsoft 软件的软件的 S-N 曲线修正方法曲线修正方法 提供的修正系数包括 疲劳强度缩减系数 ，用户设定 表面状况，包括的内容有：no finish、Ground、Good machined、Average machined、Poor machined、hot rooled、forged、Cast、Water corroded、seawater corroded、user defined、unchanged。 表面处理，包括：不进行处理、氮化处理、冷滚压处理、喷丸处理 尺度系数，用户设定 偏移量：用户设定，用于施加表面残余压应力 小循环修正：haibach2.2.1.2 FE-safe 软件的软件的 S-N 曲线修正方法曲线修正方法 提供了以下的修正系数： 表面状况 表面处理 残余应力2.2.2.3 WinLIFE 软件的软件的 S-N 曲线修正方法曲线修正方法 一条完整的 S-N 曲线的产生需要输入以下的参数 材料类型：钢、铸铁、灰铁等 计算模型：Hauck、Habach、FKM 载荷类型：拉压、弯、扭、剪 处理：没有处理，滚压/锻造 拉伸强度 屈服强度极限 应力梯度 应力集中系数 表面粗糙深度 安全系数 2.3 S-N 曲线方法的比较曲线方法的比较2.3.1 Nsoft 软件的软件的 S-N 曲线方法曲线方法

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