如何有效地处理长时间非线性结构信号

在基于有限元的疲劳分析中，通常有两种方法来考虑荷载随时间的变化:

• 将道路荷载数据直接集成到有限元分析中。瞬态应力响应形式的结果可作为后续瞬态方法疲劳分析的直接输入^1）．
• 有限元分析采用基于单元荷载案例的方法。应力根据归一化的静单元荷载确定，初始时忽略相应的道路荷载数据。应力结果和道路荷载数据的组合发生在每个方向(通常在实验室称为通道)应用线性叠加原理^2）．

第一种方法不使用线性叠加原理。因此，在有限元分析和随后的疲劳分析中可以使用接触和大变形等非线性问题。

这种有限元分析的缺点首先在于数值工作量大，数据量大，而且在非线性情况下，每个道路荷载数据都会导致新的计算运行。由于这些原因，在实践中出于效率的考虑，这个程序通常被限制在较短和简单的负载分布。

第二种选择避免了有限元分析的所有这些缺点，并提供了疲劳分析方面的优势，即可以处理一般的、随机的和几乎任意长的加载时间轮廓。另一个显著的优点是，一旦计算出单位荷载情况的有限元结果，就可以在不同机动和道路轮廓的疲劳分析中结合各种时程数据。

这些优点是由于对可能的非线性的忽视而在精度上的任何妥协而获得的。

我们提出了一种分析程序，它连接了两种方法之间的差距，允许使用非线性有限元计算结果，而不必牺牲使用叠加(插值)离散应力结果的第二种分析程序的效率。

其核心思想是采用插值法，该方法不遵循原加载路径，而是先计算相邻点。

这些邻近的点通过在负载曲线周围放置一个网格而得到。这在两个力的情况下得到一个矩形网格，在三个力的情况下得到一个立方体三维网格。对这些离散网格点进行了非线性有限元分析。变形和应力状态是由拐角点的结果插值的所有时间。不需要插值的网格点——因为负载曲线没有经过——不需要计算。这意味着可以跳过有限元分析中不必要的状态，从而跳过后续疲劳分析中的通道。

一个软件处理求解甲板的离散加载点的此类有限元的优点和应力和位移的插值所需的因素接近这些离散点是显而易见的^3）．位移也被处理，因为与应力结果或疲劳结果相结合，这是特别有用的，因为变形、叠加应力和损伤可以在几乎没有时间动画。

用钢板弹簧的应用来说明这一过程。作为一个特殊的特点，一些非线性包括在这个例子(接触，超弹性材料行为，和大变形)。

在激励点施加以x、y、z方向位移形式的外荷载(见下图)。

将负荷曲线离散为x- 5步，y- 8步，z- 5步(见图1)。

结果总共是5×5=25个FE分析，每个分析有8个步骤(y方向)。所以理论上有200个结果。
在我们的例子中，我们应用了一个软件工具，这是专门为使用我们的疲劳软件FEMFAT开发的。该工具被称为ELASTOLOADS，用于疲劳分析的组合和叠加应力的模块是FEMFAT channelMAX。弹性载荷具有自动过滤功能，将给定载荷历史所需的结果数量从200个减少到仅107个通道，分别为上述准备的组合载荷曲线。

结果显示了结构的损伤分布、等效应力史和结构在选定点的损伤随时间的累积。

总结

与此程序，它是可能的评估非线性现象结合任何长度的道路荷载数据非常有效。有一种工具可用于与FEMFAT通道max中的疲劳分析结合，称为ELASTOLOADS。由于自动化程度高，该工具可以很好地包含在全局仿真过程中。

良好的离散化水平的选择可以减少所需的有限元分析，并在保持较高精度的同时最小化疲劳分析中的通道。

结果的附加动画简化了评估，并使更深入地了解潜在的变形和损伤机制。

^1）FEMFAT中的暂态方法是FEMFAT max的一部分，称为TransMAX。

^2）FEMFAT max中基于叠加数据的通道疲劳分析方法称为ChannelMAX。

^3）APA合作伙伴MAGNA开发了ELASTOLOADS工具，因为它首先应用于橡胶等弹性材料的疲劳。如果您对ELASTOLOADS感兴趣，并通过APA使用FEMFAT，请联系femfat.support.mpt@magna.com或apasupport@altair.com。