LS-DYNA 模擬案例研究
疲勞分析
疲勞破壞(Fatigue failure)是結構失效最常見的原因之一,因此現在的產品開發流程中,疲勞分析幾乎是標配了。從 R12 版本開始,LS-DYNA 就內建了兩種疲勞分析功能:一個是頻域分析,一個是時域分析。其中時域分析特別適合用在非線性很強的模擬情境上。時域疲勞求解器可以直接利用元素的應力應變資料來計算疲勞,跟 LS-DYNA 裡大多數的求解器都能無縫整合,使用起來相當方便。

疲勞分析 Fatigue Analysis
本案例價值
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提升疲勞壽命預測的精準度
透過 LS-DYNA 的 時域疲勞分析功能,能夠模擬實際動態衝擊事件下的應力歷程,並考慮預載重、多軸應力、材料 S-N 曲線等影響,讓疲勞壽命預測更加貼近真實情況。這對於防止常見但難預測的疲勞破壞風險至關重要。
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子模型節省資源,提高效率
結合子模型分析,只針對關鍵區域(如支架圓角)進行模擬與疲勞計算,大幅減少整體模型的計算時間與資源消耗,同時又不犧牲精度,是一種高效且經濟的分析策略。
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模擬真實使用情境,避免過度簡化
傳統疲勞分析往往需要簡化載重或模型,但本案例利用 LS-DYNA 可處理非線性、大變形與多物理耦合的特性,完整還原托盤掉落等真實使用情境,避免因簡化導致錯誤判斷,提升產品的可靠度與安全性。
本案例使用子模型,進行倉庫貨架托盤在衝擊負荷下的時域疲勞分析
疲勞破壞
疲勞破壞(Fatigue failure)是結構失效最常見的原因之一,因此現在的產品開發流程中,疲勞分析幾乎是標配了。
從 R12 版本開始,LS-DYNA 就內建了兩種疲勞分析功能:一個是頻域分析,一個是時域分析。
其中時域分析特別適合用在非線性很強的模擬情境上。時域疲勞求解器可以直接利用元素的應力應變資料來計算疲勞,跟 LS-DYNA 裡大多數的求解器都能無縫整合,使用起來相當方便。
LS-DYNA 的時域疲勞分析求解器有很多實用功能,例如:
- 基於應力或應變來做疲勞分析
- 支援多軸向疲勞計算
- 提供多種平均應力修正方式
- 重啟動分析,能接續之前的分析結果繼續模擬,不用重跑整個流程
這些功能讓我們在做疲勞壽命預測時更靈活、也更有效率。
以下這個案例展示了如何用 LS-DYNA 進行疲勞分析,模擬托盤掉落時對支架圓角處造成的影響。情境是假設一個載重很重的托盤被粗暴地放到貨架上,也就是從 10mm 的高度、3 度角掉落。這種衝擊會造成支架的疲勞累積,所以必須進行分析。
因為這是高度動態的事件,用靜態分析根本無法準確抓到支架的受力歷程,所以我們使用 LS-DYNA 做真實的動態模擬,得到精確的應力-時間曲線,再拿來算疲勞壽命。
為了準確預測支架圓角處的疲勞損傷,這些位置必須使用高解析度網格。不過為了避免整體模型變得又大又難跑,我們採用了子模型的方式來優化計算流程。整個模擬策略可以簡單整理如下:
- 使用時間相關的顯式動態模擬
- 用較粗的網格來跑整體模擬
- 輸出界面資料,準備給後續的子模型使用
- 子模型的時間歷程分析
- 在關鍵區域用比較細的網格
- 套用第 1 步產生的界面資料
- 輸出指定元素的資料(elout),作為疲勞分析的依據
- 時域疲勞分析
- 只針對高應力區的元素來做分析
- 採用應力為基礎的高週疲勞分析法
- 需要輸入材料的 S-N 曲線(壽命-應力資料)
步驟 1:撞擊模擬
這個 LS-DYNA 模型包含整個結構,並使用中等精度的網格。這樣的網格解析度已經足夠,能在指定的子模型界面區域提供準確的位移和速度資訊。連接支架與主體的螺栓是用實體元素建模的,並且有設定預拉力。
在做疲勞分析時,正確地加入重力與螺栓預拉力這些初始載重很關鍵,因為它會影響平均應力與有效應力振幅,進而大大影響疲勞壽命的預測結果。
我們透過 *INTERFACE_COMPONENT_{OPTION} 關鍵字,指定適當的子模型界面區域,輸出所需資料。
模擬時間則設定得夠長,好讓所有可能造成疲勞損傷的應力波峰都被包含進來。
步驟 2:支架的子模型分析
為了節省計算時間,我們只針對整個模型的一小部分(支架)來做分析。這個支架區域的網格被細化,以更精準地捕捉應力變化,特別是在轉角圓角(radii)的位置。這個子模型會透過 *INTERFACE_LINKING_{OPTION} 關鍵字,接收來自撞擊模擬的界面輸出資料,作為邊界條件。
為了減少輸入到疲勞分析模組的資料量,我們使用了 *FATIGUE_ELOUT 關鍵字。這樣可以只針對壓力最大的元素進行疲勞分析。這些元素是先透過 *DATABASE_ELOUT 關鍵字預先挑選出來的。在這個案例裡,我們只關心支架圓角處的壽命,所以只有圓角處的元素會被輸出進 ELOUT 資料庫做分析。
步驟 3:疲勞分析與結果
像這種情況下,元素的應力歷程變化很劇烈,因此我們會把記錄下來的應力資料丟進疲勞分析工具中,自動使用「雨流計數法(rainflow counting)」來統計每個疲勞循環。統計完之後,再用 Palmgren-Miner 疲勞損傷累積法則來算出總疲勞損傷比例,也就是這個零件在這樣的載重下可能承受多久才會出現疲勞破壞。
疲勞材料的數據是透過 *MAT_ADD_FATIGUE 來設定的。這次的分析方式是以應力為基礎的高週疲勞分析,用主應力來判斷,並搭配事先定義好的 S-N 曲線來進行計算。我們也加入了 *FATIGUE_MEAN_STRESS_CORRECTION 和 *FATIGUE_MULTAXIAL 這兩個設定,來考慮預載重的影響,以及在圓角處多軸應力狀態的情況。
結果顯示,這個支架的圓角部分大約可以承受 270 萬次撞擊才會開始出現疲勞破壞。
總結
總結來說,LS-DYNA R12.0 裡的時域疲勞求解器讓工程師可以直接對結構零件進行疲勞分析,不用再對模型或載重情況做太多簡化。這代表我們現在能模擬出更貼近實際使用情況的疲勞壽命結果,分析架構在操作過程中所承受的真實載重會更準確。
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