StressCheck概述

StressCheck所采用的高级FEA技术,为CAE设定了全新的标准:业界领先的计算精度和可靠性,易用及失效判定。此外,StressCheck独特的架构支持客户标准的建立,设计知识的积累,支持分析师和非分析师团队化使用的工具包。StresCheck提供的高级功能成为设计及分析中极有价值的工具。

  • 实体模型 stresscheck是基于parasolid内核的几何模型。能够创建参数化的模型及自动划分网格。
  • FEA工具包stresscheck提供基于COM的接口,用于与其它软件如VB、MatLab、Excel或者其它基于COM的软件集成,用于自动设计流程及嵌入易用的高级技术工具。在stresscheck和其它基于COM的软件如MS Word、Excel等相互传递数据,或整合数据应用。
  • 复合材料世界航空界知名的复合材料研究组织CAI,引导了复合材料联结件失效分析领域的广泛研究。这些研究导致该团队不约而同选择stresscheck作为替代工具,如同在较大尺寸联结件分析中的完全改进标准软件。Stresscheck的高级复合材料建模比以往任何工具都容易。Stresscheck对2D、3D均质铺层分析,高级的后处理功能提供了众多的失效标准评估。
  • 世界是非线性的,stresscheck亦然独有的p-version技术使得基于几何和材料的非线性分析变得更加容易。无需改变模型,直接实现从模型的线性到非线性分析,并识别塑性区域。材料非线性分析是基于塑性变形理论及Von Mises屈服准则。几何非线性则是变形平衡的基于空间/欧拉表达式。
  • 断裂力学如果需要,很多航空工程师当然需要,没有比stresscheck再好的工具了。用于计算2D、3D均质材料模型的SIF(应力强度因子),2D弹塑性材料模型的J积分。只需通过鼠标点击就可获得3D裂纹路径上的K1,以及预测平板问题的裂纹路径。
  • 热传导对稳态的热传导、辐射、温度关联的材料等热问题作分析。无需改变模型,就能获得热弹性分析模型的温度场分布,如同访问载荷工况。
  • 冷加工工程师们对冷加工分析工具的局限性了解多少呢?航空工业现有的冷加工分析手段不仅耗时,易于产生技术错误,而且没有考虑实际结构中的各种情况,为替代现有技术,stresscheck基于航空工业需要研发了自动流程冷加工分析工具。
  • 兼容性兼容parasolid、catia、iges等cad模型,或导入Nastran格式的等参映射网格模型,也提供导入pro/Mechanical的网格转换器。很容易把数据、图形放入工程报告中。用户可以以Postscritp、pict或jpeg格式捕捉和输出模型窗口的模型到剪切板,也可以直接点击鼠标把图片放入报告中。
  • 工程手册 stresscheck独特的基于有限元参数化手册,只需通过三个简单实现模型改变。从模型库里面选择部件,更新参数值,基于模型预先定义的分析流程求解。工程报告里面包括自动产生的所有图片、数据表格等。通过制定参数范围可以轻松实现DOE分析。

 

断裂力学

一个公认的法则,在航空航天工业,一个应力强度因子(SIF)25%的偏差,将会成倍增加(或减少)裂纹增长寿命。因此,可靠的应力强度因子计算,成为考虑损伤容限和剩余强度现代设计的重要输入条件。对于断裂力学分析,stresscheck能够提供健壮、可靠的方法计算应力强度因子SIF。工程师们很乐意通过简单的操作就能获得相关计算参数:

  • 线弹性材料应力强度因子K1&K2,及裂纹的T-stress
  • 弹塑性材料的J积分
  • 弹性问题及稳态传热中,多材料界面通用应力强度及分布强度因子。

ESRD提供断裂力学分析相关的三个模块:

断裂力学分析模块 – 区别于其它有限元分析软件的独特特征:带插入裂纹的自动2D、3D网格划分,强大的后处理功能,如SIF(2D裂纹尖端和3D裂纹前沿)“Point-n-Click”提取并伴以表格或图形形式给出的自动收敛信息。当预测的裂纹扩展敏感于SIF的小扰动时,计算收敛的质量对增强分析人员信心是个关键的因素。

断裂力学分析能方便地提取线弹性疲劳分析LEFM 1型和2型SIF(K1, K2)和弹塑性疲劳EPFM的J积分结果。对于各向同性材料的2D和3D问题,StressCheck使用边界积分方法(CIM)估算SIF。CIM是超收敛的,这意味着SIF的误差收敛到零比以能量范数计算的误差收敛到零的速度快得多。对3D问题,StressCheck使用一个垂直于选择点裂纹边切线的切削平面,并提取沿切削平面内环形路径的所有应力和位移分量。这些应力和位移分量被投影到切削平面并结合提取函数进行边界积分。

stresscheck

StressCheck强大的细节分析功能

裂缝路径分析模块 – 该模块提供在2D负载平面体内,沿预计裂纹扩展路径的穿透裂纹SIF自动计算过程。由K1和K2之间关系确定的裂纹轨迹方程非常精准(如下图所示),而且与有关文献里的实验结果吻合。

StressCheck

StressCheck

用户可以选择指定一条或多条初始裂纹。如果没有指定初始裂纹(ai),StressCheck将估算最大主应力位置,并且在计算时使用裂纹扩展增量(Δa)值和最大裂纹长度(af)值从该位置计算初始裂纹的扩展。分析完成后,程序自动生成并显示一张总结表格。

GSIF分析模块 – 应用于大规模集成电路板、电子器件包装、越渐重要和复杂的复合材料结构相关的热——弹性问题。这些由热及力学性能不同的材料构成的部件,由于物理属性的不匹配,结合面的转角会有应力及热流的集中,而导致机械失效。材料的界面处,就如裂纹前沿,由于应力及温度场不再满足于线弹性理论和稳态热传导理论,而被称为奇点。在铺层复合材料中,引入了全新的方法预测开层的起始和扩展,譬如,基于某种函数的计算——GFIFs/GSIFs,即广义的热流/应力强度因子计算,以测量应力强度的奇异性,对于热弹性问题,则计算热应力强度因子。Stresscheck提供基于GFIFs/GSIFs的表达式失效模式。

屈曲分析

屈曲分析,对判定结构在给定的载荷和约束条件下的载荷系数和对应的屈曲形状很有用。在StressCheck里,使用3D实体单元建立部件模型。可为这些单元分配各向同性、正交各向异性、或层压复合材料等材料属性。

许多机制部件包含厚厚的法兰和较薄的腹板以求重量最优化,如下图所示。

StressCheck

厚薄区域的共同存在对传统的h-version FEA程序构成了挑战,因为要正确地模拟该区域,使用h-version FEA程序需要大量的单元。StressCheck,基于p-version有限元方法,在这类问题上较h-version有限元方法具明显优势。因为屈曲模式形态用高阶多项式能进行很好的近似。在结构厚度很薄的区域,为了获取弯曲刚度,必需使用多层h-version单元,由此导致模型总单元数量非常庞大。相比之下,只要最小的多项式次数(p-level)大于或等于3,用单个p-version单元模拟就够了。如上面的图例所示,用相对很少的单元就能模拟部件的拓扑结构。更重要的是,在腹板部位只用到了一层与腹板等厚度的单元。该部件网格使用等参数六面体和五面体单元在CATIA中划分,并通过NASTRAN整体数据输入功能导入StressCheck。

StressCheck的屈曲分析首先求解定义载荷和约束的线性解。从线性解中获得应力场,从特征值计算中获得几何刚度矩阵。

如果关心的是载荷因子,模态而非应力,模型的详细特征如小倒角需要忽略。这些细节特征会导致计算的自由度大幅增加,而不能对计算结果产生显著改变。

本例中腹板和法兰之间的倒角被忽略,结构的端部定义联结刚度的法向弹簧。法兰上外面定义气动载荷。

StressCheckStressCheck

StressCheck

进行屈曲分析完成之后,得到两个解答:线性解和特征值屈曲解。有两个与屈曲分析相关的后处理操作:屈曲载荷收敛情况和屈曲模式形状显示(如上图示)。

传热分析

StressCheck可以用来进行热分析。包括稳态热传导、热辐射、温度依赖性材料以及热-结构耦合分析。热分析中得到的温度分布可直接作为“体载荷”施加到随后的结构分析中去,而不需要改变模型。

StressCheckStressCheck

层状复合材料

为设计出更轻、更具损伤容限的结构,工程师们转向复合材料的研究。对宇航工业需求的多年关注StressCheck成为目前市场上最好的模拟复合材料层板结构的有限元分析工具。

StressCheck

StressCheck具有强大的3D实体逐层建模功能:

  • 高纵横比单元缩减模型规模;
  • 零度角单元方便充填区的网格划分;
  • 考虑大应变和大扭转的几何非线性;
  • 四种应力-应变规律的材料非线性;
  • 层板属性和铺层输入简单;
  • 内嵌的色彩代码方便铺设角可视化;
  • 薄实体(p-q)单元减少CPU时间;
  • 子层同化;
  • 层板正交各向异性材料的材料方向可视化;
  • 层板正交各向异性材料属性可在笛卡儿或圆柱坐标系下定义或映射到单元(一般曲率);
  • 总体/局部分析(位移/扭转或载荷/力矩)。

强大的后处理功能:

  • 基于任何量、任何位置收敛信息的质量控制;
  • 主应力/应变向量可视化;
  • J1(应变不变量)失效准则。
  • 分离机械应变和热应变分量;
  • 任意坐标下提取应力/应变结果;
  • 沿边、面、体的平均应力/应变/公式计算;
  • 基于公式的后处理。

应CAI请求,StressCheck拥有在多个位置同时进行失效检测的功能。容限校核根据指定的失效准则对每一载荷步进行估算,直到载荷增加到满足失效条件。分析完成后,每一载荷步的安全容限数据以表格形式给出。分析者可定义多个失效准则来进行评估。

在StressCheck中,参考总体坐标系、局部坐标系或局部圆柱坐标系的周向,每一单个层片或子层的正交各项异性属性连同材料方向一并分配给单元。然而,对于很多实际问题,需要采用一般曲率方法。

StressCheck具有排列材料属性与单元曲率一致的功能并提供两个新的选项:Lam-MapEdge和Lam-MapVolume。

StressCheck

用户输入简单。在两个选项中主方向都是基于所选单元的面和边计算的。对Lam-MapEdge选项,材料1-轴与由选择边的方向定义的自然坐标方向一致,而且在选择单元区域的所有点上都与该边线平行。对于Lam-MapVolume选项,材料1-轴方向均一的在单元面之间转换。该选项允许进行包括切削纤维的注模部件的建模,切削纤维的方向与铸型一致。StressCheck有一选项显示材料方向箭头,这一功能在校核铺设角方向(如上图示)时特别有用。

粘性复合材料

如果你是一位粘接组件设计/鉴定专家,或者是负责飞行器结构粘接维修的工程师,那么你就需要StressCheck。对于诸如电子元件、结构和机械零部件以及粘接接头等复合材料层板部件的分析,StressCheck为其提供最先进的技术。

CAI(美国航空复合材料研究组织)对当前用于复合粘合接头失效分析领域的软件的性能进行了一个广泛的比较研究。最后,该机构研究团队一致地选择用StressCheck取代现有的复合粘合失效分析软件,同时改进了现有粘接接头分析的行业标准软件。

通过StressCheck独有的手册构架,诸如复合材料层压板分析等高级技术包让团队中的专业和非专业分析人员都能使用。合格的分析人员可建立复杂层结构的参数化模型,并将其置于“自动防故障”的手册环境中,这样在一线的工程人员也能使用。

StressCheck

StressCheck手册模型能囊括所有与定义层压复合材料结构相关的设计变量,包括铺层数、铺设角度、铺层组重复因子、材料系数、接头尺寸和边界条件(载荷和位移)。该高级技术能让用户保存所有相关的解答结果和模型结果提取过程,这样用户只要通过简单地更新参数值进行求解即可。求解完成后,程序基于收敛估计和定义的失效准则自动生成一份包含求解质量评估的报告。

通过StressCheck强大技术,复合材料建模从未有过的简单有效:

  • 色彩渲染让材料铺层观察更为简便;
  • 等效子层材料属性自动计算;
  • 考虑粘合剂屈服的材料非线性分析;
  • 大纵横比单元使网格划分更为简便,同时保持很高的求解精度;
  • 支持表达式失效准则的高级提取过程。

细节网格划分:观察上面的图片,你会看到正确离散一个胶接组件只需很少的单元。特别是我们用一个单元就能代表很薄的粘合剂层,该粘合剂层的厚度可薄至几个密耳(密耳:长度单位,等于一英寸的千分之一,约0.0254毫米)。这种情况只有p-version有限元分析方法能够实现,因为假若采用低阶单元的h-version限元方法,剪切闭锁现象将不可避免的发生。StressCheck最适合解决这些类型的问题,并具很多便利网格划分和估算复合材料胶接接头失效的功能。

分析选项:StressCheck技术的新发展使确定表征复合材料部件寿命和耐久性的关键力学和热学参数成为可能。这是正确解释实验数据的必要前提,就像在线弹性断裂分析里,应力强度因子计算是正确解释试验获得的裂纹扩展数据的必要条件一样。这种功能,结合从简单试验获得的参考数据,用来评估电子元件设计和复合材料技术领域的设计方案。

评估复合材料胶接接头需要对设计载荷进行材料非线性分析,然后基于某些预先定义的准则估算失效载荷。StressCheck估算失效载荷(可在手册构架中用到)具体的非线性求解过程分为两步:

  1. 设计载荷:首先给胶接接头施加设计载荷,完成材料非线性分析后,根据预先定义的不同失效准则计算出安全裕度。对不同的失效模式可基于平均值给出不同的安全裕度表达式。
  2. 失效载荷:设计载荷分析后,载荷按指定的数值增加,再次执行求解。在每一载荷步末,程序执行一次检查,以确定载荷值是否超过某失效准则。只要满足某一失效准则,便可停止分析或继续增加载荷接着求解直到满足所有失效准则。

基于塑性变形理论和von Mises屈服准则,应用StressCheck材料非线性分析功能,可实现分析的自动化。弹塑性材料属性的粘合剂材料可以定义为弹性-理想塑性、双线性、Ramberg-Osgood或由5个参数表征的应力-应变关系曲线。

非线性分析

世界是非线性的,StressCheck也如此。这种独特的p-version实现是围绕使高级分析过程简单、容易使用目的而开发的。StressCheck支持全面的层次建模仿真体系。线性解决方案被看作是一个较为复杂的非线性解决方案的第一步,非线性解决方案可以是弹塑性,几何非线性,多体接触或这些的任意组合。无需改变模型!

StressCheck

在StressCheck里,非线性分析支持层级模型的所有仿真体系。线性解决方案作为复杂非线性解决方案的第一步。可以是弹塑性解决方案、几何非线性解决方案或两者的综合。

StressCheck材料非线性分析有如下特点:

  • 基于塑性变形理论和von Mises屈服准则。
  • 低计算成本,初步评估非线性的影响。
  • 当包含塑性流时,精确描述单个超载现象的影响。
  • 数据储存要求比增量理论小得多。

几何非线性分析有如下特点:

  • 基于Spatial/Eulerian公式满足变形结构平衡条件。
  • 当材料属性为线弹性或弹塑性时,考虑非线性应变和大变形。
  • 应力-应变关系用Cauchy应力和Almansi应变表示。
  • 对弹塑性材料,von Mises屈服准则和塑性变形理论同时使用。
  • 适用于存在唯一解的问题。
冷加工分析

冷加工分析功能是使用StressCheck进行一般和高级设计的。StressCheck正在为高级技术和使用便利性设置一个新的标准,同时赠加了目前任何其他分析工具没有的工程能力。最重要的是,这些功能包让工作团队的专业和非专业人员都能使用。

StressCheck的冷加工分析功能不仅仅只适合于分析者,StressCheck独有的手册构架将诸如冷加工分析等高级技术封装起来,送到那些没有FEA技术的工程人员手边。

合格的分析人员可将需要冷加工分析的问题连同评估求解质量的安全规则公式化入参数手册模型。一旦加入到StressCheck手册库,这些模型便可供一般工程人员进行常规的分析,如同一本典型的工程手册。

StressCheck

参考上图,冷加工分析提供下列信息:

  • 冷加工操作的弹塑性解决方案:当一个机芯轴插入一结构部件上的孔,围绕该孔将产生一个塑性区,塑性区的大小取决于干涉水平、机芯轴的材料属性和部件的材料属性及其拓扑结构。应用塑性变形理论可精确确定塑性区的范围。
  • 机芯轴抽出后对应的残余应力解决方案:当机芯轴移出,孔径向恢复牵引力自由边界条件,残余应力被锁在部件中。残余应力由机芯轴插入的弹塑性解和围绕冷加工孔的自平衡径向牵引力在指定约束和载荷条件下的线性解叠加得到。
  • 对应指定载荷的解决方案:不考虑因冷加工引起的残余应力的影响,外加负荷的线性解决方案。
  • 组合解决方案:问题解决方案为外加载荷和残余应力组合情形下的解决方案。在塑性变形理论中,没有描述卸载情况,因此残余应力必须通过叠加间接得到。当某外部载荷随后施加到此部件,应力模式将受因冷加工操作产生的残余应力的影响,必须用到叠加过程。用户定义的载荷和约束条件下的线性分析完成后,可通过“Cold-work”选项激活叠加过程。一旦待冷加工的孔和干涉水平给定,分析即可执行。

在平面应力或平面应变条件下使用von Mises屈服准则。应力场通过叠加得到,因此模型不考虑逆塑性。如果在一具体的应用中检测到有逆塑性存在,StressCheck将给出一条警告信息。逆塑性被视为由于机芯轴的移出产生了一个压缩区,在压缩区里最大的等效塑性应变超过了某容限(通常为0.2%)。

裕度检查分析

对评估细节部件结构的完整性,需要几何、载荷、材料属性以及明确的接受准则等方面的信息。可接受准则包括各种工业法规、说明及工程约定。在设计校核阶段,分析工程师应用工业标准或公司研发流程去校核是否符合可接受准则。这个过程,可能会利用基于多年物理测试研发的手工计算,或者简化模型的封闭解。部件关键位置的应力及安全裕度文档会成为部件设计的校核措施。ESRD认为分析流程的自动化和不能准确表示结构形式封闭解的扩展能力一样需要。

在StressCheck的裕度校核模块中有一个独特的功能,该功能允许分析者在一个非线性载荷步求解过程进行安全裕度的计算。裕度校核分析是个快速、可靠且精确的方法,该方法超越部件复杂性、非线性、失效准则复杂性的限制,这些限制在闭型解决方案和经验方法里是不可避免的。另外,StressCheck提供任何感兴趣的量的整体误差估计和局部收敛示图,由此分析者对分析结果更有信心。今后若由于安全准则、载荷条件或部件尺寸的改变需要进行新的分析,该网格模型可保存下来供重新调用。使用StressCheck内嵌的RTF格式报告文件和捕获图形工具,结果文件简捷便利。

StressCheck

一个裕度检查的简单例子为,正弦载荷下的耳片。利用结构对称定义,取耳片结构一半分析。在此分析中,我们的兴趣在找到平均应力超过材料屈服强度95%—Fty的加载部分。换言之,可接受准则或安全裕度表达式为:

StressCheckσavg为选择位置的Von Mises应力。

安全裕度表达式,会作为与提取记录关联参数化表达式,进入stresscheck。分析师可以指定任意数量的评估准则。譬如,粘接复合材料的失效准则,可以是粘接层或层间法向的扩展Von Mises应变,或者层间的剪切应力。安全裕度表达式必须写入stresscheck,而且要关联具体检查位置——选择的模型区域(面或体)。

在例子中,对90°~135°范围内间隔5°做检查,这包括了净截面张力及轴向剪应力失效模型。另外的在180°位置做胡克-张力失效检查。

简单分析过程如下:

  • 首先在某载荷值下作线性分析,很少或没有塑性变形。运行到某一阶次,p 1~8,评估求解质量。
  • 其次,基于定义的载荷步或极限值做裕度检查,我们可以在首次达到负安全裕度值时停止运算,也可以继续运算到极限载荷值。
  • 第三,选择线性计算并设定收敛容差。在本例中,选择p的起始阶次为6,作为收敛检查。
  • 最后是求解SOLVE!

StressCheck

计算完成后,自动产生一个表单,包括可接受准则的名称,选择区域失效载荷或极限载荷的计算安全裕度值。如例所示,预测在34000lbs载荷下发生胡克-张力失效(180°),90°~135°的轴向剪切失效会在随后发生。把关键尺寸参数化,可以让分析师快速实现部件的DOE分析。

StressCheck的结果文件简单便利。使用“捕获图形”和“拷贝窗口内容到报告”工具,分析者能很快剪切和粘贴裕度校核总结表格、条纹图、收敛信息图或任何重要的提取信息到StressCheck的RTF格式报告或微软Office文档(Word, PowerPoint, Excel)。

CAD接口

CAD集成是ESRD积极发展的一个方向。StressCheck7.0基于Parasolid Interop组件整合新的CAD转换功能。StressCheck当前支持Parasolid传输文件、CATIA V4/V5中性文件、Pro/Engineer文件、STEP文件和IGES文件实体模型的输入。在当前情况下,所有输入的几何图形均为静态,无参数化特征资料。然而,在StressCheck内可以修改实体模型,移除原来的特征,如有需要也可增加新的参量特征。

NASTRAN数据整体输入-许多CAD程序能使用自动或半自动的方法建立有限元网格,并且以标准的Nastran整体数据格式输出这些模型。StressCheck能接受这些模型文件,并且能执行当前支持的任何类型的分析,包括非线性分析。当使用传统的网格划分工具时,经验规则是创建最少数量能代表模型几何图形的单元,通常得到的是基于中间节点用等参映射表征的单元。对一个典型的网格模型,p-version网格包含的单元数通常比h-version FEA所需的单元数至少少一个数量级。对同一个问题模型,网格自动划分器产生的单元通常比手动化分的要多,因此通常p的次数不用超过4或5便能获得满意的求解结果。

图形文件输出-StressCheck能在Windows剪贴板上捕获图象,并能以PICT、JPEG或PostScript格式保存,用于导入第三方应用程序。在StressCheck中,所有的报告文件为RTF格式,使用简单的拖放方法,其内容就可以转移到其它兼容的应用程序中。这些特征使在StressCheck中直接创建工程报告变得异常方便。

COM接口-COM(组件对象模型)是ESRD正在积极开发的另一个方向,该功能允许第三方程序在一个特定的应用环境中,例如设计优化,将StressCheck作为一个“黑匣子”仿真工具。通过各种有关建模、分析和后处理方法,第三方COM许可的应用程序可以调用StressCheck的COM支持,例如MatLab。StressCheck用户可以开发Visual Basic程序,该程序将StressCheck作为一个后台处理器,载入模型文件、执行分析、结果后处理,并且提供控制逻辑,控制逻辑确定下一个分配给模型中各设计参数的值,引导随后的求解过程。另外,通过定制化的用户界面,基于用户输入操作,很简单就可建立一个完整的有限元模型。

CAD/FEM接口-对于Pro/Mechanica,ESRD提供一个有用的工具PHD,将在Pro/Mechanica内网格化的模型转化成StressCheck模型文件。


 StressCheck 强大且独特的功能优势

模型

  • 几何 Parasolid核、系统、点、直线、圆/圆弧、圆角、椭圆、样条、圆柱、圆锥、平面、圆环面、
  • 元素公式、复合、其他
  • 单元梁、紧固、链、四边形、三角形、四面体、五面体、六面体
  • 网格手动划分、2D自动划分、3D自动划分、边界层网格

材料

  • 线性各向同性、正交各向异性、各向异性、复合纤维、感温材料
  • 非线性弹塑性、双线性、Ramberg-Osgood、超弹性
  • 层板笛卡尔坐标、圆柱坐标、一般曲率

边界条件

  • 载荷表面载荷、集中载荷、体积载荷、弹簧力、轴承载荷、剪力、力矩、位移载荷、热载荷、公式、点载荷导入
  • 约束 刚体、节点约束、广义边界约束、面约束、弹簧约束、固定、柔性、对称、反对称、紧固、铰链、公式、点约束导入

解决方案

  • 参考平面应力、平面应变、轴对称、板的翘曲、挤压、三维实体
  • 分析线性、材料非线性、几何非线性、模态、预应力模态、特征屈曲、冷加工、裕度校验、断裂路径、接触、总体-局部

输出

  • 标准误差估计、平衡检查、力的合成、等值线显示、变形形状、最小/最大值提取、点/线/边值提取、平均值、动画显示
  • 高级断裂力学、SIF、T-应力、J-积分、GSIF、GFIF、TSIF