Fe-safe SSD 扫频振动疲劳实操｜带装配残余应力的车用支架耐久仿真案例全流程操作指南 原创

做车用支架耐久仿真，你是否遇到过这种无解问题：图纸强度校核全部合格，台架扫频测试短时间开裂；Abaqus 寿命云图看着安全，实际仿真日志寿命大幅偏低。

核心根源：绝大多数仿真直接忽略装配带来的残余应力与塑性应变，而预紧产生的永久变形，会大幅削减零件振动疲劳寿命。

今天完整拆解一套官方标准教学案例：1mm 薄壁车用支架，采用 Abaqus 静力学残余应力 + 模态扫频耦合 fe-safe 疲劳计算，完整覆盖 SSD 扫频振动全流程，附带软件每一步截图操作，新手也能直接复刻。

01 案例基础信息

1. 分析对象

厚度 1mm 车用安装支架，中部螺栓安装孔采用 MPC Beam 单元耦合参考点，支架右端完全固定。

2. 核心工况：装配预紧 + 8 点扫频振动

1）装配加载

此安装孔在安装过程中会产生较大的残余应力和塑性应变，因此在后继的扫频振动疲劳中，必须要考虑由于装配或者预载荷产品的残余应力和塑性应变对疲劳寿命的影响。

2）扫频振动工况定义

共扫描8 个频率点，分别为：25.2Hz、50.4Hz、75.6Hz、100.8Hz、126.0Hz、151.2Hz、176.4Hz、201.6Hz。

每个频率点上的扫描时间均为0.2s，在以上8 个频率点上，分别施加相对应的位移幅值，此位移幅值由Abaqus 中定义相应的幅值曲线给出。

3） 配套计算文件

• static_stackup_solid.inp：装配残余应力静力学分析
• steady_state_dynamic_scaled.inp：模态 + SSD 扫频动力学分析

02 分析过程

分析分两个步骤。

第一步：在Abaqus 中完成静态残余应力分析。

第二步：在Abaqus 中完成固有模态和扫频两个计算。

第二步的两个分析可以在一个inp 文件中分两个step 完成，最后把这两个计算odb 文件一起导入fe-safe，在fe-safe 中设置若干参数后完成疲劳分析，得到相关结果。

注意：此案例因为考虑到残余应力， 如若无需考虑，则可直接忽略第一步即可。

第一步采用的是static_stackup_solid.inp，第二步采用的是

steady_state_dynamic_scaled.inp。 

两个inp 文件要求单元编号和节点编号完全一致，最好在生成计算文件时，采用同一个网格模型文件。 

03 完整仿真流程（Abaqus 有限元前置计算）

Step1 Abaqus 静力学：求解装配残余应力

核心目的：复现螺栓装配挤压产生的塑性应变、残余应力场，作为疲劳初始损伤输入。

附件中的static_stackup_solid.inp 是用于计算结构由于装配产生的残余应力，得到结构残余应力和残余应变。

其中的关键设置如下：

 a) 安装孔耦合在一个参考点，节点编号202，此参考点分别在X 和Y 方向施加位移。

b) 如下图所示，支架右端节点完全固定。

Step2 固有模态分析

附件中的steady_state_dynamic_scaled.inp 中的第一个分析步step-1 用于提取固有模态的Abaqus 计算文件。

其中的关键设置如下： 

a）编号202 的节点完全固定 

b）提取0~1000Hz 内的前120 阶模态。

c）采用Abaqus 缺省输出即可。

Step3 扫频分析

附件中的steady_state_dynamic_scaled.inp中的第二个分析步step-2 用于扫频分析的Abaqus计算文件。 

在SSD 分析中，扫频振动幅值变化是通过Abaqus 中的*base motion 关键字来实现，作用在编号为202的节点上，即在202号节点上施加振动载荷，无其他边界条件。

首先定义了base name，如下图所示，NMIDX、NMIDY 和NMIDZ 分别代表202 号节点的X，Y 和Z方向 。

然后在分别在202 号节点的X、Y 和Z 方向施加了实部（load case1）和虚部（load case2）位移，具体位移量的幅值是由abaqus中定义的幅值曲线AMIDX1、AMIDX2、AMIDY1、AMIDY2、AMIDZ1 和AMIDZ2 给出：

在SSD 分析中的扫频点分别为25.2Hz、50.4Hz、75.6Hz、100.8Hz、126.0Hz、151.2Hz、176.4Hz、201.6Hz，参与SSD 分析的模态范围在1000Hz 以内。

同时，设定不同频率范围内的阻尼值，不同频率范围内的阻尼值在此处为线性差值，1000Hz 对应的阻尼是5%。 

在输出设定上，采用缺省输出即可，Fe-safe 会自动读入应力计算结果的实部和虚部。

04 fe-safe 疲劳软件分步实操（带界面截图）

由前述的残余应力分析，得到Static_stackup_solid.odb；由模态和扫频分析，得到steady_state_dynamic_scaled.odb。

Step1 启动fe-safe 

点击开始菜单或桌面图标，启动fe-safe，启动窗口如下图。设置好工作目录后，点击“OK”，打开软件主界面。

Step2 清空遗留数据

选择菜单：Tools -> Clear Data and Settings…，勾中“Select all”和“Re-set user settings”，然后点击“OK”，将界面上遗留的前次分析信息清空。

Step3 打开有限元分析结果

在Current FE Models 窗口空白处，鼠标点击右键，然后选择Open Finite Element Model…

或者在选择菜单File -> Open Finite Element Model…，选取前面准备好的残余应力计算结果文件Static_stackup_solid.odb，点击“Open”，如果遇到下图所示的“Pre-Scan File”提示对话框，则点击“Yes”。

进入“Select Datasets to Read”对话框，在“Quick select”区域下，只勾选“Stresses”和“Last increment only”，然后点击“Apply to Dataset List”。其它部分的设置如图中所示。 

点击“OK”后，会弹出单位设置对话框，所有模型均采用毫米制单位，所以参考下图的设置即可。

点击“OK”，如果遇到下述“Edit Group List”提示对话框，则点击“Yes”。

打开“Edit Groups”对话框，点击中间带箭头的按钮，将右侧 Analysis Groups 清空，得到下图所示的结果。 

选择如上图所示的分析集合，即PART-1-1_ALL_ELEMENTS(18408 elements)，点击“OK”即可。 模型导入后，界面上的“Current FE Models”窗口中显示了导入的数据和单元编组。 

以上即是导入static_stackup_solid.odb 的过程。 

参照以上导入odb 过程，我们需要继续追加另外一个steady_state_dynamic_scaled.odb 文件。在Current FE Models 窗口空白处，鼠标点击右键，然后选择Append Finite Element Model…

或者在选择菜单File -> Append Finite Element Model…，选取前面准备好的SSD 计算结果。

文件steady_state_dynamic_scaled.odb，点击“Open”，如果遇到下图所示的“Pre-Scan File” 提示对话框，则点击“Yes”。

 

进入“Select Datasets to Read”对话框，在“Quick select”区域下，只勾选“Stresses”，然后点击“Apply to Dataset List”。其它部分的设置如图中所示。 

后继的Group list，单位选择等等 都同前面的操作类似即可，最终在界面上的“Current FE Models”中显示了为以下内容：

Step4 载荷谱定义

进入Fatigue from FEA 窗口 中的Loading settings 区域，然后鼠标在空白区域点击右键，选择Clear all loadings，将界面上遗留的前次分析信息清空。

然后鼠标左键点击“Add…”，选择 Block，如下图所示：

会弹出Adding block 的对话框，单击OK 即可。

添加残余应力dataset：首先在Current FE Models 窗口，鼠标必须单击选中Dataset1：（1.14）S:Stress， 然后在Fatigue from FEA 窗口中的Loading Settings 中，单击“Add…”，选择 Residual dataset pair， 这样就完成了把Dataset1：（1.14）S:Stress 导入载荷谱中，作为残余应力用于疲劳分析的过程。 

添加残余应变dataset：由于装配过程中产生了不可恢复的残余应力和应变，因此处不仅仅要导入应力还需要导入应变。 

同上述操作类似，首先在Current FE Models 窗口，鼠标必须单击选中Dataset2：（1.14）E:Strain， 然后在Fatigue from FEA 窗口中的Loading Settings 中，单击“Add…”，选择 Residual dataset pair， 这样就完成了把Dataset2：（1.14）E:Strain 导入载荷谱中，作为应变用于疲劳分析的过程。

最终得到如下图所示： 

以上即是添加残余应力和应变的过程。 

然后，鼠标选择“Block”，然后点击鼠标右键菜单中的 “Make block modal”， fe-safe 会自动把所有导入到fe-safe 中的SSD 分析结果自动加载进来，用于疲劳寿命分析。 

定义完成后如下图所示：

注意：Default to all modal datasets 是将所有导入fe-safe 中的SSD 分析结果用于疲劳寿命计算， 如果客户需要自己选择某几个特定的频率点用于疲劳分析，则需要自己手动修改此处的Modal Block 定义参数。

具体修改方法可以参考普通dataset 的添加和修改方法。如需要添加和修改的数据项比较多，则建议直接修改ldf 载荷谱定义文件。 

最后需要添加扫频振动时间，鼠标选择“Modal Block”，然后点击鼠标右键，选择弹出菜单中的 “Length in seconds”， 输入0.2，用于疲劳寿命分析，如下图所示：

定义完成后如下图所示： 

Step5 选择材料和算法

在材料窗口里选中system 栏中的SAE-1008，如下图： 

然后在“Fatigue from FEA”板块上切换到“Analysis Settings”选项卡上，在“Default” 一行的“Material”格中双击，即会弹出 change material？窗口， 点击Yes即可。 

该格由原来的“Undefined”变为“SAE-1008”，如下图： 

Subgroup，surface finish，Algorithm， In-Plane residual 均采用缺省设置即可，无需修改。以上操作即完成了疲劳分析选项的设置。

Step6 执行计算 

点击“Fatigue from FEA”板块下方的“Analyse”按钮，打开如下图所示的对话框，这是对计算设定的一个摘要，点击“Continue”将启动求解器。

计算完成后，将打开如下摘要对话框：

Step7 查看结果 

打开项目目录下的文件夹：D:\AbaqusTemp，其中有.log 和.odb 两个结果文件。 

打开.log 文件，可以看到其中对寿命计算结果的摘要，如下图所示。 

用Abaqus 打开.odb 文件，以云图形式显示寿命（Life），并在结果树的“Spectrum”下双击“Reversed Rainbow”，得到下图所示的云图。

默认设定下，图中所示的值为寿命的对数值（以 10 为底）。 

最后需要注意的是，在Abaqus 后处理中显示的最小值为2.434 ，即10^2.434=271.64 次，但是log 文件中为247.764 次。 

造成此差异是因为fe-safe 的计算结果在使用Abaqus 后处理打开后，Abaqus 会自动对结果进行加权平均：Avg：75%。 

可以关掉Abaqus 中的加权平均算法，则两者结果几乎完全一致。 

当结果差异较大时，则以log 文件中的疲劳寿命结果为准。 

08 疲劳分析仿真课程：从案例出发，建立完整工程能力

本课程并不是单纯介绍软件菜单操作，而是以真实工程问题为背景，带你完整掌握疲劳分析流程。

课程章节

章节 1: 疲劳课程的概述

章节 2: fesafe 软件安装

章节 3: fesafe 软件介绍

章节 4: 疲劳理论第一讲

章节 5: 疲劳理论第二讲

章节 6: 疲劳理论第三讲

章节 7: 1 - 模型准备与计算

章节 8: 2 - 结果导入与设置

章节 9: 3 - 结果查看

章节 10: 赠品 - 后处理曲线数据输出到 Excel

章节 11: 赠品 - 后处理云图美化、曲线绘制

章节 12: 带孔洞圆管疲劳分析

章节 13: 转轴多重形式荷载之疲劳分析

章节 14: 循环载荷下的预制裂纹

章节 15: 托架中低周疲劳分析

老师介绍

课程由技术邻平台的知名老师梁伟哲讲解，梁老师是C9高校力学硕士，拥有扎实的力学理论基础与丰富的实践经验。

在结构动力学、弹性力学等领域具有深厚的学术造诣，擅长运用理论知识进行复杂力学问题的推导与分析。同时，精通Abaqus模拟仿真技术，能够高效构建模型并精准预测结构行为。

致力于将科研成果转化为实际应用，以创新思维推动力学领域的发展，为工程实践提供坚实的理论支撑与技术指导。

结尾

如果你正在从事：

汽车零部件设计、机械装备开发、航空航天结构设计、振动可靠性分析等相关工作，

那么疲劳分析能力将是从普通结构工程师迈向高级仿真工程师的重要技能。

不要只停留在“看应力云图”的阶段。

掌握疲劳分析方法，才能真正回答工程设计中最关键的问题：

这个结构，究竟能安全工作多久？

从真实案例出发，系统学习Abaqus+Fe-safe疲劳分析完整流程，帮助你建立从载荷定义、动态响应到寿命预测的工程化能力。

现在开始，进入结构可靠性设计的核心领域。

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