CAE 分析大系 ANSYS nCode DesignLife 疲勞分析基礎與實例教程

付穌昇

目前主要從事結構強度、疲勞、複合材料、*級非線性、
動力學、輕量化設計與優化設計等方面的CAE仿真計算工作，
獲得中國機械工程學會認證機械工程師資格，較為熟悉多種機械產品設計原理。
先後出版書籍《ANSYS Workbench 17.0數值模擬與實例精解》與
《ANSYS nCode DesignLife疲勞分析基礎與實例教程》。  

目錄：  
第1章ANSYS nCode DesignLife 基礎 1
1.1 疲勞分析在工程設計中的重要性 1
1.2 ANSYS nCode DesignLife 軟件簡介 1
1.3 ANSYS nCode DesignLife 疲勞分析流程 4
1.3.1 nCode DesignLife（Standalone）基本功能佈局 4
1.3.2 ANSYS nCode DesignLife 預定義疲勞分析基本流程 8

第2章ANSYS nCode DesignLife 有限元結果輸入與設置 14
2.1 疲勞分析與有限元求解結果 14
2.2 有限元輸入設置 15
2.3 有限元輸入分析組設置與定義 16
2.3.1 組的選擇與類型 16
2.3.2 材料組 18
2.3.3 零值忽略 19
2.3.4 求解定位 19
2.3.5 數據類型定義 20
2.3.6 僅表面節點計算 21
2.3.7 應力梯度設置 21
2.3.8 ShellLayer 設置 22
2.3.9 IncludeSpotWeldNuggets 設置 23

第3章ANSYS nCode DesignLife 載荷映射 24
3.1 載荷映射的啟動方法 24
3.2 恆定幅值載荷映射 25
3.3 時間序列載荷映射 26
3.4 時間步長載荷映射 27
3.5 混合載荷映射 28
3.6 振動載荷映射 29
3.7 週期循環載荷映射 29
3.7.1 週期循環載荷創建方法 30
3.7.2 事件過程處理 30
3.7.3 事件輸出 31
3.8 ASCII 轉換 32
3.9 計劃創建 33
3.10 載荷譜簡單創建實例 35
3.10.1 正弦時間序列載荷生成實例 35
3.10.2 信號重複設置生成時間序列載荷實例 38
3.10.3 創建一個3 通道的載荷譜文件實例 39
3.10.4 拆分一個2 通道載荷譜文件為單通道載荷文件 42

第4章ANSYS nCode DesignLife 材料定義 46
4.1 ANSYS Workbench 工程數據定義基礎 46
4.1.1 Engineering Data 界面 46
4.1.2 定義材料參數 47
4.1.3 向材料庫添加新材料 48
4.1.4 賦予材料屬性 49
4.2 nCode 材料庫導入 49
4.3 ANSYS nCode DesignLife 材料配置 50
4.4 自定義材料 52
4.4.1 標準SN 曲線估算方法 52
4.4.2 標準EN 曲線估算方法 54
4.4.3 Dang Van 估算方法 58
4.4.4 材料管理器定義材料 58
4.5 材料比例因子和偏移 59
4.6 表面加工影響 60

第5章ANSYS Mechanical 前處理基礎 62
5.1 幾何建模和幾何清理 62
5.1.1 ANSYS Workbench 幾何建模 62
5.1.2 DesignModeler 啟動和CAD 文件交互 63
5.1.3 DesignModeler 交互界面 64
5.1.4 DesignModeler 主菜單欄 64
5.1.5 DesignModeler 工具欄 66
5.1.6 DesignModeler 草圖繪製 69
5.1.7 DesignModeler-3D 建模創建與工具 73
5.1.8 參數化建模 76
5.1.9 概念建模 79
5.2 網格劃分技術簡述 83
5.2.1 全局網格控制 83
5.2.2 局部網格劃分控制 87
5.2.3 虛擬拓撲 93
5.2.4 預覽和生成網格 94
5.3 ANSYS Mechanical 分析基本流程 96
5.3.1 ANSYS Mechanical 概述 96
5.3.2 ANSYS Mechanical 分析基本步驟 96
5.3.3 ANSYS Mechanical 交互界面 96
5.3.4 導航樹默認分支與操作流程說明 99
5.3.5 其他基本前處理操作 101
5.4 幾何建模實例 103
5.5 幾何清理實例 110
5.5.1 渦輪機外殼結構幾何清理簡化實例（DM） 110
5.5.2 渦輪機外殼結構幾何清理簡化實例（SCDM） 114
5.6 網格劃分實例 123
5.6.1 裁紙凹模三維結構網格劃分 123
5.6.2 旋風分離器網格劃分 125
5.6.3 簡易形狀結構快速網格劃分實例 128

第6章ANSYS Mechanical 強度分析基礎 133
6.1 線性靜力學分析基礎 133
6.1.1 2D 平面問題 133
6.1.2 1D 桿與樑的問題 135
6.1.3 板殼和3D 結構分析 136
6.2 線性靜力學分析流程 136
6.3 線性靜力學分析載荷與支撐 137
6.3.1 慣性載荷 137
6.3.2 載荷與約束 138
6.4 結果後處理 141
6.4.1 變形 142
6.4.2 應力和應變 142
6.4.3 線性化應力 143
6.4.4 應力工具 144
6.4.5 接觸工具 145
6.4.6 疲勞工具 145
6.4.7 樑工具 146
6.4.8 探測 146
6.4.9 用戶自定義結果 147
6.4.10 圖形顯示 147
6.4.11 求解組合 148
6.4.12 收斂 148
6.4.13 應力奇異 149
6.5 瞬態動力學分析基礎 149
6.5.1 瞬態動力學分析特點 149
6.5.2 瞬態動力學分析術語 150
6.6 瞬態動力學分析求解技術（完全法） 151
6.6.1 瞬態分析中的非線性 151
6.6.2 Newton-Raphson 方程 151
6.6.3 載荷步、子步與平衡迭代 152
6.6.4 自動時間步 152
6.6.5 完全法瞬態動力學的分析設置 153
6.6.6 初始條件設置（InitialConditions） 154
6.6.7 載荷與約束 155
6.6.8 運動副（Joints） 155
6.6.9 彈簧（Springs） 157
6.6.10 接觸對關係 157
6.6.11 約束方程 157

第7章應力疲勞分析基礎 158
7.1 應力疲勞常用參量 158
7.2 標準應力疲勞分析流程 159
7.3 應力疲勞計算方法 159
7.3.1 標準SN 計算方法 160
7.3.2 多平均應力曲線計算方法 161
7.3.3 多應力比應力曲線計算方法 162
7.3.4 Haigh 應力曲線計算方法 163
7.4 應力組合方法 164
7.5 平均應力修正方法 165
7.6 插值極限 169
7.7 多軸評估 169
7.8 存活率 170
7.9 小循環修正 171
7.10 事件處理 172
7.11 應力梯度修正 172
7.12 應力疲勞分析實例 173
7.12.1 變化幅值（時序）載荷應力疲勞實例 173
7.12.2 多體動力學結構應力疲勞實例 178

第8章應變疲勞分析基礎 187
8.1 應變疲勞EN 曲線 187
8.1.1 循環應力應變曲線 187
8.1.2 應變壽命關係 189
8.1.3 ANSYS nCode DesignLife 標準應變壽命曲線定義 190
8.2 應變疲勞方法 191
8.3 應變組合方法 192
8.4 平均應力修正 193
8.5 插值限制 194
8.6 多軸評估 195
8.7 彈塑性修正 195
8.8 塑性極限載荷修正 197
8.9 應變疲勞分析實例 197
8.9.1 軸對稱圓柱缺口結構應變疲勞分析實例 197
8.9.2 Duty Cycle 載荷作用下的支架結構應變疲勞分析實例 204

第9章隨機振動與隨機振動疲勞分析基礎 212
9.1 模態分析 212
9.2 隨機振動分析目的 213
9.3 功率譜密度PSD 213
9.4 隨機振動分析基礎 215
9.5 ANSYS Mechanical 隨機振動分析流程 217
9.6 隨機振動疲勞 218
9.6.1 隨機振動疲勞分析搭建 218
9.6.2 隨機振動載荷添加 218
9.6.3 隨機振動計數方法 219
9.6.4 應力組合方法 220
9.7 隨機振動與隨機振動疲勞分析實例 220
9.7.1 車用杯架隨機振動分析實例 220
9.7.2 某減震鋼片隨機振動疲勞分析實例 223

第10章Dang Van 引擎分析基礎 228
10.1 Dang Van 準則概述 228
10.2 Dang Van 材料說明 229
10.3 標準Dang Van 準則分析 23

第11章熱機疲勞分析基礎 236
11.1 熱分析基礎 236
11.1.1 熱分析的目的 236
11.1.2 熱傳遞的3 種基本類型 236
11.1.3 熱力學第一定律 237
11.1.4 熱載荷與邊界條件 238
11.2 穩態熱分析 239
11.3 瞬態熱分析與非線性 239
11.3.1 瞬態熱分析定義與考慮因素 239
11.3.2 瞬態熱分析控制方程 240
11.3.3 時間步長預測與時間積分 240
11.3.4 非線性熱分析 242
11.3.5 初始條件 242
11.4 熱-結構耦合分析 243
11.4.1 熱-結構耦合分類 243
11.4.2 熱-結構間接耦合分析設置 243
11.5 熱機蠕變疲勞基礎介紹 244
11.5.1 蠕變疲勞背景 244
11.5.2 蠕變分析方法 245
11.5.3 Larson-Miller 理論 247
11.5.4 Chaboche 方法 247
11.6 熱與熱機蠕變疲勞分析 250
11.6.1 軸對稱管結構熱疲勞分析實例 250
11.6.2 熱機蠕變疲勞分析實例 260

第12章焊點疲勞分析基礎 277
12.1 焊點疲勞分析背景 277
12.1.1 CBAR 焊點 277
12.1.2 ACM 焊點278
12.1.3 五面體單元焊點 279
12.2 力和力矩的獲得 280
12.3 應力計算評估 281
12.4 焊點疲勞求解引擎屬性 283
12.4.1 應力組合方法 283
12.4.2 平均應力修正 283
12.4.3 角度數量 284
12.4.4 中層薄板處理 284
12.5 焊點疲勞分析實例 285
12.5.1 焊點（CBAR）結構疲勞分析實例 285
12.5.2 焊點（ACM）結構疲勞分析實例 288

第13章焊縫疲勞分析基礎 294
13.1 焊縫疲勞分析介紹 294
13.2 焊縫類型分組和模型創建準則 295
13.2.1 角焊縫模型創建準則 295
13.2.2 搭接焊與激光搭接焊（邊緣）模型創建準則 296
13.2.3 激光搭接焊（熔化）模型創建準則 297
13.3 焊縫計算要點與應力提取 297
13.3.1 計算要點和應力提取通用過程 297
13.3.2 EntityDataType 的計算要點 298
13.3.3 焊縫不同類型計算要點 299
13.3.4 基於節點力和力矩進行應力計算 302
13.3.5 基於節點位移與轉角進行應力計算 304
13.4 實體焊縫計算要點 305
13.4.1 實體焊縫模型創建準則 305
13.4.2 nCodeWeldline.wbex 在實體焊縫文件創建的應用 309
13.5 焊縫疲勞分析實例 311
13.5.1 殼體焊縫疲勞分析實例 311
13.5.2 實體焊縫疲勞分析實例 318
參考文獻 331