细解Ansys疲劳寿命分析概要

细解Ansys疲劳寿命分析

2013-08-29 17:16 by:有限元来源:广州有道有限元

ANSYS Workbench 疲劳分析

本章将介绍疲劳模块拓展功能的使用:

–使用者要先学习第4章线性静态结构分析.

?在这部分中将包括以下内容:

–疲劳概述

–恒定振幅下的通用疲劳程序，比例载荷情况

–变振幅下的疲劳程序,比例载荷情况

–恒定振幅下的疲劳程序，非比例载荷情况

?上述功能适用于ANSYS DesignSpacelicenses和附带疲劳模块的更高级的licenses.

A. 疲劳概述

?结构失效的一个常见原因是疲劳,其造成破坏与重复加载有关

?疲劳通常分为两类:

–高周疲劳是当载荷的循环（重复）次数高(如1e4 -1e9)的情况下产生的. 因此，应力通常比材料的极限强度低. 应力疲劳（Stress-based）用于高周疲劳.

–低周疲劳是在循环次数相对较低时发生的。塑性变形常常伴随低周疲劳，其阐明了短疲劳寿命。一般认为应变疲劳（strain-based）应该用于低周疲劳计算.

?在设计仿真中, 疲劳模块拓展程序（Fatigue Module add-on）采用的是基于应力疲劳（stress-based）理论，它适用于高周疲劳. 接下来，我们将对基于应力疲劳理论的处理方法进行讨论.

…恒定振幅载荷

?在前面曾提到, 疲劳是由于重复加载引起:

–当最大和最小的应力水平恒定时, 称为恒定振幅载荷. 我们将针对这种最简单的形式，首先进行讨论.

–否则，则称为变化振幅或非恒定振幅载荷

…成比例载荷

?载荷可以是比例载荷, 也可以非比例载荷:–比例载荷, 是指主应力的比例是恒定的,并且主应力的削减不随时间变化. 这实质意味着由于载荷的增加或反作用的造成的响应很容易得到计算.–相反, 非比例载荷没有隐含各应力之间相互的关系,典型情况包括:?在两个不同载荷工况间的交替变化?交变载荷叠加在静载荷上?非线性边界条件

…应力定义

?考虑在最大最小应力值σmin和σmax作用下的比例载荷、恒定振幅的情况:

–应力范围Δσ定义为(σmax-σmin)

–平均应力σm定义为(σmax+σmin)/2

–应力幅或交变应力σa是Δσ/2

–应力比R 是σmin/ σmax

–当施加的是大小相等且方向相反的载荷时,发生的是对称循环载荷. 这就是σm= 0 ,R = -1的情况.

–当施加载荷后又撤除该载荷,将发生脉动循环载荷. 这就是σm= σmax/2 , R = 0的情况.

…应力-寿命曲线

?载荷与疲劳失效的关系，采用的是应力-寿命曲线或S-N曲线来表示:

–若某一部件在承受循环载荷, 经过一定的循环次数后,该部件裂纹或破坏将会发展，而且有可能导致失效

–如果同个部件作用在更高的载荷下,导致失效的载荷循环次数将减少

–应力-寿命曲线或S-N曲线,展示出应力幅与失效循环次数的关系

?S-N曲线是通过对试件做疲劳测试得到的

–弯曲或轴向测试反映的是单轴的应力状态

–影响S-N 曲线的因素很多, 其中的一些需要的注意，如下:

–材料的延展性, 材料的加工工艺

–几何形状信息,包括表面光滑度、残余应力以及存在的应力集中

–载荷环境, 包括平均应力、温度和化学环境

?例如,压缩平均应力比零平均应力的疲劳寿命长,相反,拉伸平均应力比零平均应力的疲劳寿命短.

?对压缩和拉伸平均应力,平均应力将分别提高和降低S-N曲线.

?因此,记住以下几点:

–一个部件通常经受多轴应力状态.如果疲劳数据(S-N 曲线)是从反映单轴应力状态的测试中得到的,那么在计算寿命时就要注意

?设计仿真为用户提供了如何把结果和S-N 曲线相关联的选择,包括多轴应力的选择

?双轴应力结果有助于计算在给定位置的情况

–平均应力影响疲劳寿命,并且变换在S-N曲线的上方位置与下方位置(反映出在给定应力幅下的寿命长短)

?对于不同的平均应力或应力比值,设计仿真允许输入多重S-N曲线(实验数据)

?如果没有太多的多重S-N曲线(实验数据),那么设计仿真也允许采用多种不同的平均应力修正理论

–早先曾提到影响疲劳寿命的其他因素,也可以在设计仿真中可以用一个修正因子来解释…总结

?疲劳模块允许用户采用基于应力理论的处理方法，来解决高周疲劳问题.

?以下情况可以用疲劳模块来处理:

–恒定振幅,比例载荷(参考B节)

–变化振幅,比例载荷(参考C节)

–恒定振幅,非比例载荷(参考D节)

?需要输入的数据是材料的S-N曲线:

–S-N曲线是疲劳实验中获得,而且可能本质上是单轴的,但在实际的分析中，部件可能处于多轴应力状态

–S-N曲线的绘制取决于许多因素, 包括平均应力. 在不同平均应力值作用下的S-N曲线的应力值可以直接输入, 或可以执行通过平均应力修正理论实现.

B. 疲劳程序(基本情况)

?进行疲劳分析是基于线性静力分析, 所以不必对所有的步骤进行详尽的阐述.

–疲劳分析是在线性静力分析之后，通过设计仿真自动执行的.

?对疲劳工具的添加，无论在求解之前还是之后，都没有关系, 因为疲劳计算不并依赖应力分析计算.

?尽管疲劳与循环或重复载荷有关, 但使用的结果却基于线性静力分析,而不是谐分析. 尽管在模型中也可能存在非线性,处理时就要谨慎了,因为疲劳分析是假设线性行为的.

–在本节中,将涵盖关于恒定振幅、比例载荷的情况. 而变化振幅、比例载荷的情况和恒定振幅、非比例载荷的情况，将分别在以后的C 和D节中逐一讨论.

…疲劳程序

?下面用黄色斜体字体所描述的步骤，对于包含疲劳工具的应力分析是很特殊的:

–模型

–指定材料特性,包括S-N曲线

–定义接触区域(若采用的话)

–定义网格控制(可选的)

–包括载荷和支撑

–(设定)需要的结果,包括Fatigue tool

–求解模型

–查看结果

…几何

?疲劳计算只支持体和面

?线模型目前还不能输出应力结果,所以疲劳计算对于线是忽略的.

–线仍然可以包括在模型中以给结构提供刚性, 但在疲劳分析并不计算线模型

…材料特性

?由于有线性静力分析,所以需要用到杨氏模量和泊松比

–如果有惯性载荷,则需要输入质量密度

–如果有热载荷,则需要输入热膨胀系数和热传导率

–如果使用应力工具结果(Stress Tool result),那么就需要输入应力极限数据,而且这个数据也是用于平均应力修正理论疲劳分析.

?疲劳模块也需要使用到在工程数据分支下的材料特性当中S-N曲线数据

–数据类型在“疲劳特性”(“Fatigue Properties”)下会说明

–S-N曲线数据是在材料特性分支条下的“交变应力与循环”(“Alternating Stress vs. Cycles”)选项中输入的

?如果S-N曲线材料数据可用于不同的平均应力或应力比下的情况, 那么多重S-N曲线也可以输入到程序中

?添加和修改疲劳材料特性:

?在材料特性的工作列表中,可以定义下列类型和输入的S-N曲线–插入的图表可以是线性的（“Linear”）、半对数的（“Semi-Log”即linear for stress, log for cycles）或双对数曲线（“Log-Log”）

–记得曾提到的，S-N曲线取决于平均应力。如果S-N曲线在不同的平均应力下都可适用的，那么也可以输入多重S-N曲线?每个S-N曲线可以在不同平均应力下直接输入?每个S-N曲

线也可以在不同应力比下输入

?可以通过在“Mean Value”上点击鼠标右键添加新的平均值来输入多条S－N曲

线.

?材料特性信息可以保存XML文件或从XML文件提取

–保存材料数据文件，在material条上按右键，然后用“Export …”保存成XML外部文件

–疲劳材料特性将自动写到XML文件中，就像其他材料数据一样。

?一些例举的材料特性在如下安装路径下可以找到:

C:\Program Files\AnsysInc\v80\AISOL\CommonFiles\Language\en-

us\EngineeringData\Materials

–“Aluminum”和“Structural Steel”的XML 文件，包含有范例疲劳数据可以作为参考

–疲劳数据随着材料和测试方法的不同而有所变化，所以很重要一点就是，用户要选用能代表自己部件疲劳性能的数据

…接触区域

?接触区域可以包括在疲劳分析中

–注意，对于在恒定振幅、成比例载荷情况下处理疲劳时，只能包含绑定（Bonded）和不分离（No-Separation）的线性接触

–尽管无摩擦、有摩擦和粗糙的非线性接触也能够包括在内，但可能不再满足成比例载荷的要求

?例如，改变载荷的方向或大小，如果发生分离，则可能导致主应力轴向发生改变.

?如果有非线性接触发生，那么用户必须小心使用，并且仔细判断

?对于非线性接触，若是在恒定振幅的情况下，则可以采用非比例载荷的方法代替计算疲劳寿命

…载荷与支撑

?能产生成比例载荷的任何载荷和支撑都可能使用，但有些类型的载荷和支撑不造成比例载荷:

–螺栓载荷对压缩圆柱表面侧施加均布力，相反，圆柱的相反一侧的载荷将改变

–预紧螺栓载荷首先施加预紧载荷，然后是外载荷，所以这种载荷是分为两个载荷步作用的过程

–压缩支撑（Compression Only Support）仅阻止压缩法线正方向的移动，但也不会限制反方向的移动

?像这些类型的载荷最好不要用于恒定振幅和比例载荷的疲劳计算

…(设定)需要的结果

?对于应力分析的任何类型结果，都可能需要用到：–应力、应变和变形–接触结果(如果版本支持)–应力工具（Stress Tool）?另外，进行疲劳计算时，需要插入疲劳工具条（Fatigue Tool）–在Solution子菜单下，从相关的工具条上添加“Tools > Fatigue Tool”?Fatigue Tool 的明细窗中将控制疲劳计算的求解选项–疲劳工具条（Fatigue Tool）将出现在相应的位置中,并且也可添加相应的疲劳云图或结果曲线?这些是在分析中会被用到的疲劳结果，如寿命和破坏

…需要的结果

?在疲劳计算被详细地定义以后，疲劳结果可下在Fatigue Tool下指定–等值线结果（Contour）包括Lifes(寿命), Damage(损伤), Safety Factor（安全系数）, BiaxialityIndication （双轴指示）, 以及Equivalent Alternating Stress（等效交变应力）–曲线图结果(graph results)）仅包含对于恒定振幅分析的疲劳敏感性(fatigue sensitivity)–这些结果的详细分析将只做简短讨论

…Fatigue Tool –载荷类型

?当Fatigue Tool在求解子菜单下插入以后，就可以在细节栏中输入疲劳说明

–载荷类型可以在“Zero-Based”、“Fully Reversed”和给定的“Ratio”之间定义

–也可以输入一个比例因子，来按比例缩放所有的应力结果

…Fatigue Tool –平均应力影响

–在前面曾提及，平均应力会影响S-N曲线的结果. 而“Analysis Type”说明了程序对平均应力的处理方法:?“SN-None”：忽略平均应力的影响?“SN-Mean Stress Curves”：使用多重S-N 曲线（如果定义的话）?“SN-Goodman,”“SN-Soderberg,”和“SN-Gerber”：可以使用平均应力修正理论

–如果有可用的试验数据，那么建议使用多重S-N曲线(SN-Mean Stress Curves)

–但是，如果多重S-N曲线是不可用的，那么可以从三个平均应力修正理论中选择.这里的方法在于将定义的单S-N曲线“转化”到考虑平均应力的影响:

1.对于给定的疲劳循环次数，随着平均应力的增加，应力幅将有所降低

2.随着应力幅趋近零，平均应力将趋近于极限（屈服）强度

3.尽管平均压缩应力通常能够提供很多的好处，但保守地讲，也存在着许多不利的因素(scaling=1=constant)

可以视其为单个S-N曲线的组合线。平行线是1.0，于是对于拉伸平均应力，S-N曲线将向下转变。

--Goodman理论适用于低韧性材料,对压缩平均应力没能做修正.

–Soderberg理论比Goodman理论更保守,并且在有些情况下可用于脆性材料.

–Gerber理论能够对韧性材料的拉伸平均应力提供很好的拟合,但它不能正确地预测出压缩平均应力的有害影响, 如左图所示

–缺省的平均应力修正理论可以从“Tools > Control Panel: Fatigue > Analysis Type”中进行设置

–如果存在多重S-N曲线,但用户想要使用平均应力修正理论,那么将会用到在σm=0 或

R=-1的S-N曲线。尽管如此, 这种做法并不推荐

…Fatigue Tool –强度因子

?除了平均应力的影响外,还有其它一些影响S-N曲线的因素

–这些其它影响因素可以集中体现在疲劳强度(降低)因子Kf中, 其值可以在Fatigue Tool的细节栏中输入.

–这个值应小于1，以便说明实际部件和试件的差异.

–所计算的交变应力将被这个修正因子Kf分开,而平均应力却保持不变.

…Fatigue Tool –应力成分

?在A部分中,注意到疲劳试验通常测定的是单轴应力状态

?必须把单轴应力状态转换到一个标量值,以决定某一应力幅下(S-N曲线)的疲劳循环次数.

–Fatigue Tool细节栏中的应力分量(“Stress Component”)允许用户定义应力结果如何与疲劳曲线S-N进行比较

–6个应力分量的任何一个或最大剪切应力、最大主应力、或等效应力也都可能被使用到. 所定义的等效应力标示的是最大绝对主应力，以便说明压缩平均应力.

…求解疲劳分析

?疲劳计算将在应力分析实施完以后自动地进行.与应力分析计算相比，恒定振幅情况的疲劳计算通常会快得多

?如果一个应力分析已经完成，那么仅选择Solution或Fatigue Tool 分支并点击Solve符号，便可开始疲劳计算

?在求解菜单中（solution branch）的工作表将没有输出显示.

–疲劳计算在Workbench中进行，ANSYS的求解器不会执行分析中的疲劳部分.

–疲劳模块没有使用ANSYS /POST1 的疲劳命令(FSxxxx, FTxxxx)

…查看疲劳结果

?对于恒定振幅和比例载荷情况，有几种类型的疲劳结果供选择:

–Life（寿命）?等值线显示由于疲劳作用直到失效的循环次数

?如果交变应力比S-N曲线中定义的最低交变应力低，则使用该寿命（循环次数）(在本例中,S-N曲线失效的最大循环次数是1e6，于是那就是最大寿命

–Damage（损伤）

?设计寿命与可用寿命的比值?设计寿命在细节栏（Details view）中定义

?设计寿命的缺省值可通过下面进行定义“Tools > Control Panel:Fatigue > Design Life

–Safety Factor（安全系数）

?安全系数等值线是关于一个在给定设计寿命下的失效

?设计寿命值在细节栏（Details view）输入

?给定最大安全系数SF值是15

–BiaxialityIndication

?应力双轴等值线有助于确定局部的应力状态

?双轴指示（Biaxialityindication）是较小与较大主应力的比值(对于主应力接近0的被忽略).因此，单轴应力局部区域为B值为0，纯剪切的为-1，双轴的为1

回忆一下，通常疲劳试验数据是光滑试件在单轴应力作用下测定的(而扭转试验将针对纯剪切).双轴指示（biaxialityindication）有助于确定所关心的区域的应力状态是否与试验条件下的相似.在本例中，所关心的区域（中心）的B值是-1，所以剪切占主导.

–等效交变应力(Equivalent Alternating Stress）：

?等值线在模型上绘出了部件的等效交变应力,它是基于所选择应力类型，在考虑了载荷类型和平均应力影响后，用于询问（query）S-N曲线的应力

–疲劳敏感性( Fatigue Sensitivity ):

?一个疲劳敏感曲线图显示出部件的寿命、损伤或安全系数在临界区域随载荷的变化而变化?能够输入载荷变化的极限(包括负比率)

?曲线图的缺省选项

?“Tools menu > Options…Simulation: Fatigue > Sensitivity”

?任何疲劳选项的范围可以是选定的部件（parts）和/或部件的表面

?收敛性可用于等值线结果

–收敛和警告对疲劳敏感性图是无效的,因为这些图提供关于载荷的敏感性(例如,没有为了收敛目的而指定的标量选项)

?疲劳工具也可以与求解组合一起使用

–在求解组合中, 多重环境可能被组合.疲劳计算将基于不同环境的线性组合的结果.

?疲劳分析步骤总结:

C. 疲劳: 不定振幅情况

?在前面一节中,考察了恒定振幅和比例载荷的情况,并涉及到最大和最小振幅在保持恒定的情况下的循环或重复载荷.

?在本节, 将针对不定振幅、比例载荷情况,尽管载荷仍是成比例的,但应力幅和平均应力却是随时间变化的.

…不规律载荷的历程和循环

?对于不规律载荷历程,需要进行特殊处理:

–计算不规律载荷历程的循环所使用的是“雨流”rainflow循环计算

?“雨流”循环计算(Rainflowcycle counting)是用于把不规律应力历程转化为用于疲劳计算的循环的一种技术(如右面例子)

?先计算不同的“平均”应力和应力幅(“range”)的循环,然后使用这组“雨流”循环完成疲劳计算. –损伤累加是通过Palmgren-Miner 法则完成的?Palmgren-Miner法则的基本思想是:在一个给定的平均应力和应力幅下,每次循环用到有效寿命占总和的百分之几.对于在一个给定应力幅下的循环次数Ni,随着循环次数达到失效次数Nfi时,寿命用尽,达到失效.

–“雨流”循环计算和Palmgren-Miner损伤累加都用于不定振幅情况

–因此,任何任意载荷历程都可以切分成一个不同的平均值和范围值的循环阵列(“多个竖条”) ,

?右图是“雨流”阵列,指出了在每个平均值和范围值下所计算的循环次数

?较高值表示这些循环的将出现在载荷历程中

–在一个疲劳分析完成以后,每个“竖条”(即“循环”)造成的损伤量将被绘出

?对于“雨流”阵列中的每个“竖条”(bin)，显示的是对应的所用掉的寿命量的百分比

?在这个例子中,即使大多数循环发生在低范围/平均值,但高范围(range)循环仍会造成主要的损伤.

?依据Per Miner法则,如果损伤累加到1 (100%),那么将发生失效.

…不定振幅程序

?归纳一下不定振幅的步骤:

疲劳分析方法

疲劳寿命分析方法 摘要：本文简单介绍了在结构件疲劳寿命分析方法方面国内外的发展状况,重点讲解了结构件寿命疲劳分析方法中的名义应力法、局部应力应变法、应力应变场强度法四大方法的估算原理。 疲劳是一个既古老又年轻的研究分支，自Wohler将疲劳纳入科学研究的范畴至今，疲劳研究仍有方兴未艾之势，材料疲劳的真正机理与对其的科学描述尚未得到很好的解决。疲劳寿命分析方法是疲分研究的主要内容之一，从疲劳研究史可以看到疲劳寿命分析方法的研究伴随着整个历史。 金属疲劳的最初研究是一位德国矿业工程帅风W.A.J.A1bert在1829年前后完成的。他对用铁制作的矿山升降机链条进行了反复加载试验，以校验其可靠性。1843年，英国铁路工程师W.J.M.Rankine对疲劳断裂的不同特征有了认识，并注意到机器部件存在应力集中的危险性。1852年-1869年期间，Wohler对疲劳破坏进行了系统的研究。他发现由钢制作的车轴在循环载荷作用下，其强度人大低于它们的静载强度，提出利用S-N 曲线来描述疲劳行为的方法，并是提出了疲劳“耐久极限”这个概念。1874年，德国工程师H.Gerber开始研究疲劳设计方法，提出了考虑平均应力影响的疲劳寿命计算方法。Goodman讨论了类似的问题。1910年，O.H.Basquin提出了描述金属S-N曲线的经验规律，指出：应力对疲劳循环数的双对数图在很大的应力范围内表现为线性关系。Bairstow通过多级循环试验和测量滞后回线，给出了有关形变滞后的研究结果，并指出形变滞后与疲劳破坏的关系。1929年B.P.Haigh研究缺口敏感性。1937年H.Neuber指出缺口根部区域内的平均应力比峰值应力更能代表受载的严重程度。1945年M.A.Miner 在J.V.Palmgren工作的基础上提出疲劳线性累积损伤理论。L.F.Coffin和S.S.Manson各自独立提出了塑性应变幅和疲劳寿命之间的经验关系，即Coffin—Manson公式，随后形成了局部应力应变法。 中国在疲劳寿命的分析方面起步比较晚，但也取得了一些成果。浙江大学的彭禹，郝志勇针对运动机构部件多轴疲劳载荷历程提取以及在真实工作环境下的疲劳寿命等问题，以发动机曲轴部件为例，提出了一种以有限元方法，动力学仿真分析以及疲劳分

ansys疲劳分析解析

1.1 疲劳概述 结构失效的一个常见原因是疲劳，其造成破坏与重复加载有关。疲劳通常分为两类：高周疲劳是当载荷的循环（重复）次数高(如1e4 -1e9)的情况下产生的。因此，应力通常比材料的极限强度低，应力疲劳（Stress-based）用于高周疲劳；低周疲劳是在循环次数相对较低时发生的。塑性变形常常伴随低周疲劳，其阐明了短疲劳寿命。一般认为应变疲劳（strain-based）应该用于低周疲劳计算。 在设计仿真中，疲劳模块拓展程序（Fatigue Module add-on）采用的是基于应力疲劳（stress-based）理论，它适用于高周疲劳。接下来，我们将对基于应力疲劳理论的处理方法进行讨论。 1.2 恒定振幅载荷 在前面曾提到，疲劳是由于重复加载引起： 当最大和最小的应力水平恒定时，称为恒定振幅载荷，我们将针对这种最简单的形式，首先进行讨论。 否则，则称为变化振幅或非恒定振幅载荷。 1.3 成比例载荷 载荷可以是比例载荷，也可以非比例载荷： 比例载荷，是指主应力的比例是恒定的，并且主应力的削减不随时间变化，这实质意味着由于载荷的增加或反作用的造成的响应很容易得到计算。 相反，非比例载荷没有隐含各应力之间相互的关系，典型情况包括： σ1/σ2=constant 在两个不同载荷工况间的交替变化； 交变载荷叠加在静载荷上； 非线性边界条件。 1.4 应力定义

考虑在最大最小应力值σmin和σmax作用下的比例载荷、恒定振幅的情况： 应力范围Δσ定义为(σmax-σmin) 平均应力σm定义为(σmax+σmin)/2 应力幅或交变应力σa是Δσ/2 应力比R是σmin/σmax 当施加的是大小相等且方向相反的载荷时，发生的是对称循环载荷。这就是σm=0，R=-1的情况。 当施加载荷后又撤除该载荷，将发生脉动循环载荷。这就是σm=σmax/2，R=0的情况。 1.5 应力-寿命曲线 载荷与疲劳失效的关系，采用的是应力-寿命曲线或S-N曲线来表示： （1）若某一部件在承受循环载荷, 经过一定的循环次数后,该部件裂纹或破坏将会发展，而且有可能导致失效； （2）如果同个部件作用在更高的载荷下,导致失效的载荷循环次数将减少； （3）应力-寿命曲线或S-N曲线,展示出应力幅与失效循环次数的关系。 S-N曲线是通过对试件做疲劳测试得到的弯曲或轴向测试反映的是单轴的应力状态，影响S-N曲线的因素很多，其中的一些需要的注意，如下： 材料的延展性，材料的加工工艺，几何形状信息,包括表面光滑度、残余应力以及存在的应力集中，载荷环境，包括平均应力、温度和化学环境，例如，压缩平均应力比零平均应力的疲劳寿命长，相反，拉伸平均应力比零平均应力的疲劳寿命短，对压缩和拉伸平均应力，平均应力将分别提高和降低S-N曲线。 因此，记住以下几点：一个部件通常经受多轴应力状态。如果疲劳数据(S-N 曲线)是从反映单轴应力状态的测试中得到的，那么在计算寿命时就要注意：（1）设计仿真为用户提供了如何把结果和S-N曲线相关联的选择，包括多轴应力的选择；（2）双轴应力结果有助于计算在给定位置的情况。 平均应力影响疲劳寿命，并且变换在S-N曲线的上方位置与下方位置(反映出在给定应力幅下的寿

ansys疲劳分析报告基本方法

疲劳是指结构在低于静态极限强度载荷的重复载荷作用下，出现断裂破坏的现象。例如一根能够承受 300 KN 拉力作用的钢杆，在 200 KN 循环载荷作用下，经历1,000,000 次循环后亦会破坏。导致疲劳破坏的主要因素如下： 载荷的循环次数； 每一个循环的应力幅； 每一个循环的平均应力； 存在局部应力集中现象。 真正的疲劳计算要考虑所有这些因素，因为在预测其生命周期时， 它计算“消耗”的某个部件是如何形成的。 3.1.1 ANSYS程序处理疲劳问题的过程 ANSYS 疲劳计算以ASME锅炉和压力容器规范(ASME Boiler and Pressure Vessel Code)第三节(和第八节第二部分)作为计算的依据，采用简化了的 弹塑性假设和Mimer累积疲劳准则。 除了根据 ASME 规范所建立的规则进行疲劳计算外，用户也可编写 自己的宏指令，或选用合适的第三方程序，利用 ANSYS 计算的结果进行疲劳计算。《ANSYS APDL Programmer‘s Guide》讨论了上述二种功能。 ANSYS程序的疲劳计算能力如下： 对现有的应力结果进行后处理，以确定体单元或壳单元模型的疲劳 寿命耗用系数(fatigue usage factors)(用于疲劳计算的线单元模型的应力必须人工 输入)； 可以在一系列预先选定的位置上，确定一定数目的事件及组成这些 事件的载荷，然后把这些位置上的应力储存起来； 可以在每一个位置上定义应力集中系数和给每一个事件定义比例系数。 3.1.2 基本术语 位置(Location)：在模型上储存疲劳应力的节点。这些节点是结构上 某些容易产生疲劳破坏的位置。 事件(Event)：是在特定的应力循环过程中，在不同时刻的一系列应

ansys疲劳分析基本方法

疲劳就是指结构在低于静态极限强度载荷的重复载荷作用下,出现断裂破坏的现象。例如一根能够承受 300 KN 拉力作用的钢杆,在 200 KN 循环载荷作用下,经历 1,000,000 次循环后亦会破坏。导致疲劳破坏的主要因素如下: 载荷的循环次数; 每一个循环的应力幅; 每一个循环的平均应力; 存在局部应力集中现象。 真正的疲劳计算要考虑所有这些因素,因为在预测其生命周期时,它计算“消耗”的某个部件就是如何形成的。 3、1、1 ANSYS程序处理疲劳问题的过程 ANSYS 疲劳计算以ASME锅炉与压力容器规范(ASME Boiler and Pressure Vessel Code)第三节(与第八节第二部分)作为计算的依据,采用简化了的弹塑性假设与Mimer累积疲劳准则。 除了根据 ASME 规范所建立的规则进行疲劳计算外,用户也可编写自己的宏指令,或选用合适的第三方程序,利用 ANSYS 计算的结果进行疲劳计算。《ANSYS APDL Programmer‘s Guide》讨论了上述二种功能。 ANSYS程序的疲劳计算能力如下: 对现有的应力结果进行后处理,以确定体单元或壳单元模型的疲劳寿命耗用系数(fatigue usage factors)(用于疲劳计算的线单元模型的应力必须人工输入); 可以在一系列预先选定的位置上,确定一定数目的事件及组成这些事件的载荷,然后把这些位置上的应力储存起来; 可以在每一个位置上定义应力集中系数与给每一个事件定义比例系数。 3、1、2 基本术语 位置(Location):在模型上储存疲劳应力的节点。这些节点就是结构上某些容易产生疲劳破坏的位置。 事件(Event):就是在特定的应力循环过程中,在不同时刻的一系列

金属疲劳寿命预测

金属疲劳寿命的预测 摘要 当一个金属样品受到循环载荷时，大量的起始裂纹将在它的体内出现。样品形成了有初始裂纹的样本：样品越大，样本也越大。在作者先前的研究中表明，在极值统计的帮助下，通过估计最大预期裂纹深度能够预测疲劳极限。本来表明，在一个类似的方式下，疲劳极限以上的疲劳裂纹萌生时间是可以预测的。用最小的分布可得到最短预期初始时间的预测，代替了用最大分布估计最大裂纹尺寸，并以广泛的实验数据获得了好的赞同。 本文为构件的总的疲劳寿命估计提供了一种新的方法。当得知了预计的裂纹萌生寿命和临界裂纹尺寸时，稳定的裂纹扩展就能通过Paris law计算出来。总的疲劳寿命的估算值是裂纹萌生和裂纹扩展的总和。本文介绍的是：为发现任何一种材料裂纹萌生寿命而相应的构建设计曲线的方法。 1、介绍 估计金属构件疲劳寿命的最古老和最常用的方法是S-N曲线，尽管它的缺点众所周知。其中之一是，因观察试样缺口的光滑程度不同而使得疲劳寿命有很大的不同。有些手册尝试通过为不同的应力值浓度的因素单独设计曲线解决这个问题，如Buch。其被当时看作是避免这一问题的局部应变方法。在这种方法中，提出了无论试样的形状如何，相同的应变振幅总是相同的疲劳寿命。 一个构件的总疲劳寿命可以分为3个阶段：裂纹产生、裂纹稳定扩展和裂纹失稳生长。最后一个阶段很迅速，在估计总的疲劳寿命时可以在实际工作中忽略。利用LEFM可获得裂纹稳定生长的可靠样本。不同几何的应力强度因子和所收录例子的大量的公式都可在文献中找到，并且权函数的使用为扩展这种方法的使用提供了可能性。 用类似LEFM的方式对裂纹初始相位的建模，或裂纹的扩展做了很多的尝试，例如：Miller，Austen，Cameron and Smith。另一种方法是用局部应变方法仅对初始寿命进行估计，然后用LEFM和一个合适的计算机程序完成对总疲劳寿命的计算。 经Makkonen研究表明，统计方法能够用来预测金属构件的疲劳极限。当一个构件受到交变载荷时，大量的微裂纹将在它的内部产生，裂纹的数量取决于试样的大小。运用极值统计法来计算裂纹样品类型中的最大裂纹的估计值成为可

细解Ansys疲劳寿命分析

细解Ansys疲劳寿命分析 2013-08-29 17:16 by:有限元来源:广州有道有限元 ANSYS Workbench 疲劳分析 本章将介绍疲劳模块拓展功能的使用: –使用者要先学习第4章线性静态结构分析. ?在这部分中将包括以下内容: –疲劳概述 –恒定振幅下的通用疲劳程序，比例载荷情况 –变振幅下的疲劳程序,比例载荷情况 –恒定振幅下的疲劳程序，非比例载荷情况 ?上述功能适用于ANSYS DesignSpacelicenses和附带疲劳模块的更高级的licenses. A. 疲劳概述 ?结构失效的一个常见原因是疲劳,其造成破坏与重复加载有关 ?疲劳通常分为两类: –高周疲劳是当载荷的循环（重复）次数高(如1e4 -1e9)的情况下产生的. 因此，应力通常比材料的极限强度低. 应力疲劳（Stress-based）用于高周疲劳. –低周疲劳是在循环次数相对较低时发生的。塑性变形常常伴随低周疲劳，其阐明了短疲劳寿命。一般认为应变疲劳（strain-based）应该用于低周疲劳计算. ?在设计仿真中, 疲劳模块拓展程序（Fatigue Module add-on）采用的是基于应力疲劳（stress-based）理论，它适用于高周疲劳. 接下来，我们将对基于应力疲劳理论的处理方法进行讨论. …恒定振幅载荷 ?在前面曾提到, 疲劳是由于重复加载引起: –当最大和最小的应力水平恒定时, 称为恒定振幅载荷. 我们将针对这种最简单的形式，首先进行讨论. –否则，则称为变化振幅或非恒定振幅载荷

…成比例载荷 ?载荷可以是比例载荷, 也可以非比例载荷:–比例载荷, 是指主应力的比例是恒定的,并且主应力的削减不随时间变化. 这实质意味着由于载荷的增加或反作用的造成的响应很容易得到计算.–相反, 非比例载荷没有隐含各应力之间相互的关系,典型情况包括:?在两个不同载荷工况间的交替变化?交变载荷叠加在静载荷上?非线性边界条件

ansysworkbench疲劳分析

第一章简介 1.1 疲劳概述 结构失效的一个常见原因是疲劳，其造成破坏与重复加载有关。疲劳通常分为两类：高周疲劳是当载荷的循环（重复）次数高(如1e4 -1e9)的情况下产生的。因此，应力通常比材料的极限强度低，应力疲劳（Stress-based）用于高周疲劳；低周疲劳是在循环次数相对较低时发生的。塑性变形常常伴随低周疲劳，其阐明了短疲劳寿命。一般认为应变疲劳（strain-based）应该用于低周疲劳计算。 在设计仿真中，疲劳模块拓展程序（Fatigue Module add-on）采用的是基于应力疲劳（stress-based）理论，它适用于高周疲劳。接下来，我们将对基于应力疲劳理论的处理方法进行讨论。 1.2 恒定振幅载荷 在前面曾提到，疲劳是由于重复加载引起： 当最大和最小的应力水平恒定时，称为恒定振幅载荷，我们将针对这种最简单的形式，首先进行讨论。 否则，则称为变化振幅或非恒定振幅载荷。 1.3 成比例载荷 载荷可以是比例载荷，也可以非比例载荷： 比例载荷，是指主应力的比例是恒定的，并且主应力的削减不随时间变化，这实质意味着由于载荷的增加或反作用的造成的响应很容易得到计算。 相反，非比例载荷没有隐含各应力之间相互的关系，典型情况包括： σ1/σ2=constant 在两个不同载荷工况间的交替变化； 交变载荷叠加在静载荷上； 非线性边界条件。 1.4 应力定义 考虑在最大最小应力值σmin和σmax作用下的比例载荷、恒定振幅的情况： 应力范围Δσ定义为(σmax-σmin) 平均应力σm定义为(σmax+σmin)/2 应力幅或交变应力σa是Δσ/2 应力比R是σmin/σmax 当施加的是大小相等且方向相反的载荷时，发生的是对称循环载荷。这就是σm=0，R=-1的情况。 当施加载荷后又撤除该载荷，将发生脉动循环载荷。这就是σm=σmax/2，R=0的情况。 1.5 应力-寿命曲线 载荷与疲劳失效的关系，采用的是应力-寿命曲线或S-N曲线来表示： （1）若某一部件在承受循环载荷, 经过一定的循环次数后,该部件裂纹或破坏将会发展，而

ANSYSWORKBENCH疲劳分析指南第三章

ANSYSWORKBENCH疲劳分析指南第三章 发表时间：2009-2-21 作者: 安世亚太来源: e-works 关键字: CAE ansys Workbench疲劳分析 第三章不稳定振幅的疲劳 在前面一章中,考察了恒定振幅和比例载荷的情况,并涉及到最大和最小振幅在保持恒定的情况下的循环或重复载荷。在本章将针对不定振幅、比例载荷情况,尽管载荷仍是成比例的,但应力幅和平均应力却是随时间变化的。 3.1 不规律载荷的历程和循环(History and Cycles) 对于不规律载荷历程,需要进行特殊处理： 计算不规律载荷历程的循环所使用的是“雨流”rainflow循环计算，“雨流”循环计算(Rainflowcycle counting)是用于把不规律应力历程转化为用于疲劳计算的循环的一种技术(如右面例子)，先计算不同的“平均”应力和应力幅(“range”)的循环，然后使用这组“雨流”循环完成疲劳计算。 损伤累加是通过Palmgren-Miner 法则完成的，Palmgren-Miner法则的基本思想是：在一个给定的平均应力和应力幅下，每次循环用到有效寿命占总和的百分之几。对于在一个给定应力幅下的循环次数Ni，随着循环次数达到失效次数Nfi时，寿命用尽，达到失效。 “雨流”循环计算和Palmgren-Miner损伤累加都用于不定振幅情况。 因此，任何任意载荷历程都可以切分成一个不同的平均值和范围值的循环阵列(“多个竖条”)，右图是“雨流”阵列，指出了在每个平均值和范围值下所计算的循环次数，较高值表示这些循环的将出现在载荷历程中。 在一个疲劳分析完成以后，每个“竖条”(即“循环”)造成的损伤量将被绘出，对于“雨流”阵列中的每个“竖条”(bin)，显示的是对应的所用掉的寿命量的百分比。在这个例子中，即使大多数循环发生在低范围/平均值，但高范围(range)循环仍会造成主要的损伤。依据Per Miner法则，如果损伤累加到1(100%)，那么将发生失效。 3.2 不定振幅程序 a 建立引领分析(线性,比载荷) b 定义疲劳材料特性(包括S-N曲线)

ANSYS疲劳分析的应用

ANSYS疲劳分析的应用 在传统的设计过程中，设计人员在概念或详细设计阶段通常使用简单而不真实的计算来估计产品的寿命，而对这些估计寿命的验证通常是通过一定量物理样机的耐久试验得到。不但试验周期长、耗资大，而且许多参数与失效的定量关系也不能在试验中得出，试验结论还可能受许多偶然因素的影响。因此对于产品疲劳寿命的仿真分析方法越来越受到产品设计人员的关注。 在塑料机械中，模板是注塑机最重要的零件之一，它的成本是注塑机成本的主要组成部分，模板断裂，注塑机就不能正常工作。从强度出发，当然是选用高质量的材料，而且尽量将模板做得厚一些，但这两点均提高模板造价，影响整机成本。目前模板大部分采用球墨铸铁铸造。这主要考虑：(1) 在模板上铸出加强筋或将模板掏空，可有效减少质量;(2) 由于球铁较易于精铸(树脂砂铸造)，使加工余量大大减少，可有效减少加工成本;(3) 球铁刚性较好，也具有一定强度。虽然设计者充分考虑了模板的强度、刚度，但仍然有许多模板断裂的事故发生，其原因在于模板断裂不是因为静力破坏而是因为疲劳破坏。 一、元原理及模型建立 当材料或结构受到多次重复变化的载荷作用后，在应力值虽然始终没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏。这种在交变载荷作用下材料或结构的破坏现象称为疲劳破坏[1 ] 。

结构的疲劳破坏，首先在局部区域产生裂缝，一般是在零件和构件的表面，也可能在零件内部有缺陷处，即应力最高的区域。由于该区域代表了整个结构的疲劳强度，所以该区域称为危险区，危险区的应力、应变变化情形为结构疲劳分析中所需的应力或应变2时间历程。因此，结构疲劳应力分析的目的，就是要求得结构在承受各种负荷时，对其危险区的应力或应变响应，作为结构疲劳设计的依据之一。 在进行工程结构疲劳分析时，常应用ANSYS 软件为分析工具来确定结构的高应力危险区，并进行负荷谱转化为应力谱或应变谱的工作。本工作将引用基本理论[2]： 其中，式中，[ B ] 为应变矩阵;[ D] 为弹性矩阵;{ f e} 及[ Ke ] 为单元节点力及单元刚度矩阵。建立一组以结点位移为未知量的代数方程组，解这些方程组就可以求出物体上有限个离散结点上的位移，从而得到所需的应力和应变。 利用三维通用软件UGNX310 建立供分析用的三维几何模型。根据零件的受力情况及要求，建模时作了一些简化：(1) 忽略模板上一些对整体受力影响不大的小孔;(2) 忽略模板上四台柱孔处的小凸台;(3) 忽略顶出联接台;(4) 忽略大部分较小的圆角并作了一定的简化。同时利用ANSYS 的前处理器进行网格划分，得图1 模型。

疲劳寿命预测方法

疲劳形成寿命预测方法 10船 王茹娇 080412010035 疲劳裂纹形成寿命的概念 发生疲劳破坏时的载荷循环次数，或从开始受载到发生断裂所经过的时间称 为该材料或构件的疲劳寿命。 疲劳寿命的种类很多。从疲劳损伤的发展看，疲劳寿命可分为裂纹形成和裂 纹扩展两个阶段：结构或材料从受载开始到裂纹达到某一给定的裂纹长度a0为 止的循环次数称为裂纹形成寿命。此后扩展到临界裂纹长度acr 为止的循环次数 称为裂纹扩展寿命，从疲劳寿命预测的角度看，这一给定的裂纹长度与预测所采 用的寿命性能曲线有关。此外还有三阶段和多阶段，疲劳寿命模型等。 疲劳损伤累积理论 疲劳破坏是一个累积损伤的过程。对于等幅交变应力，可用材料的S —N 曲 线来表示在不同应力水平下达到破坏所需要的循环次数。于是，对于给定的应力 水平σ，就可以利用材或零部件的S —N 曲线，确定该零件至破坏时的循环数N ， 亦即可以估算出零件的寿命，但是，在仅受一个应力循环加载的情况下，才可以 直接利用S —N 曲线估算零件的寿命。如果在多个不同应力水平下循环加载就不 能直接利用S —N 曲线来估计寿命了。对于实际零部件，所承受的是一系列循环 载荷，因此还必须借助疲劳累积损伤理论。 损伤的概念是，在疲劳载荷谱作用下材料的改变（包括疲劳裂纹大小的变化， 循环应变硬化或软化以及残余应力的变化等）或材料的损坏程度。疲劳累积损伤 理论的基本假设是：在任何循环应力幅下工作都将产生疲劳损伤，疲劳损伤的严 重程度和该应力幅下工作的循环数有关，与无循环损伤的试样在该应力幅下产生 失效的总循环数有关。而且每个应力幅下产生的损伤是永存的，并且在不同应力 幅下循环工作所产生的累积总损伤等于每一应力水平下损伤之和。当累积总损伤 达到临界值就会产生疲劳失效。目前提出多种疲劳累积损伤理论，应用比较广泛 的主要有以下3种:线性损伤累积理论，修正的线性损伤累积理论和经验损伤累 积理论。 线性损伤累积理论在循环载荷作用下，疲劳损伤是可以线性地累加的，各个 应力之间相互独立和互不相干，当累加的损伤达到某一数值时，试件或构件就发 生疲劳破坏，线性损伤累积理论中典型的是Miner 理论。 根据该理论，假设在应力i σ下材料达到破坏的循环次数为i N ，设D 为最终 断裂时的临界值。根据线性损伤理论，应力i σ每作用一次对材料的损伤为i N D /， 则经过i n 次后，对材料造成的总损伤为i i N D n /。

ANSYSWORKBENCH疲劳分析指南

ANSYSWORKBENCH疲劳分析指南 第一章简介 1.1 疲劳概述 结构失效的一个常见原因是疲劳，其造成破坏与重复加载有关。疲劳通常分为两类：高周疲劳是当载荷的循环（重复）次数高(如1e4 -1e9)的情况下产生的。因此，应力通常比材料的极限强度低，应力疲劳（Stress-based）用于高周疲劳；低周疲劳是在循环次数相对较低时发生的。塑性变形常常伴随低周疲劳，其阐明了短疲劳寿命。一般认为应变疲劳（strain-based）应该用于低周疲劳计算。在设计仿真中，疲劳模块拓展程序（Fatigue Module add-on）采用的是基于应力疲劳（stress-based）理论，它适用于高周疲劳。接下来，我们将对基于应力疲劳理论的处理方法进行讨论。 1.2 恒定振幅载荷 在前面曾提到，疲劳是由于重复加载引起： 当最大和最小的应力水平恒定时，称为恒定振幅载荷，我们将针对这种最简单的形式，首先进行讨论。 否则，则称为变化振幅或非恒定振幅载荷。 1.3 成比例载荷 载荷可以是比例载荷，也可以非比例载荷： 比例载荷，是指主应力的比例是恒定的，并且主应力的削减不随时间变化，这实质意味着由于载荷的增加或反作用的造成的响应很容易得到计算。 相反，非比例载荷没有隐含各应力之间相互的关系，典型情况包括： σ1/σ2=constant 在两个不同载荷工况间的交替变化； 交变载荷叠加在静载荷上； 非线性边界条件。

1.4 应力定义 考虑在最大最小应力值σ和σ作用下的比例载荷、恒定振幅的情况：应力范围Δσ定义为(σ-σ) 平均应力σ定义为(σ+σ)/2 应力幅或交变应力σa是Δσ/2 应力比R是σ/σ 当施加的是大小相等且方向相反的载荷时，发生的是对称循环载荷。这就是 σm=0，R=-1的情况。 当施加载荷后又撤除该载荷，将发生脉动循环载荷。这就是σ=σ/2，R=0的情况。 1.5 应力-寿命曲线 载荷与疲劳失效的关系，采用的是应力-寿命曲线或S-N曲线来表示： （1）若某一部件在承受循环载荷, 经过一定的循环次数后,该部件裂纹或破坏将会发展，而且有可能导致失效； （2）如果同个部件作用在更高的载荷下,导致失效的载荷循环次数将减少； （3）应力-寿命曲线或S-N曲线,展示出应力幅与失效循环次数的关系。 S-N曲线是通过对试件做疲劳测试得到的弯曲或轴向测试反映的是单轴的应力状态，影响S-N曲线的因素很多，其中的一些需要的注意，如下：材料的延展性，材料的加工工艺，几何形状信息,包括表面光滑度、残余应力以及存在的应力集中，载荷环境，包括平均应力、温度和化学环境，例如，压缩平均应力比零平均应力的疲劳寿命长，相反，拉伸平均应力比零平均应力的疲劳寿命短，对压缩和拉伸平均应力，平均应力将分别提高和降低S-N曲线。 因此，记住以下几点：一个部件通常经受多轴应力状态。如果疲劳数据(S-N 曲线)是从反映单轴应力状态的测试中得到的，那么在计算寿命时就要注意：（1）设计仿真为用户提供了如何把结果和S-N曲线相关联的选择，包括多轴应力的选择；（2）双轴应力结果有助于计算在给定位置的情况。

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细解Ansys疲劳寿命分析 ANSYS Workbench 疲劳分析 本章将介绍疲劳模块拓展功能的使用: –使用者要先学习第4章线性静态结构分析. ?在这部分中将包括以下内容: –疲劳概述 –恒定振幅下的通用疲劳程序，比例载荷情况 –变振幅下的疲劳程序,比例载荷情况 –恒定振幅下的疲劳程序，非比例载荷情况 ?上述功能适用于ANSYS DesignSpacelicenses和附带疲劳模块的更高级的licenses. A. 疲劳概述 ?结构失效的一个常见原因是疲劳,其造成破坏与重复加载有关 ?疲劳通常分为两类: –高周疲劳是当载荷的循环（重复）次数高(如1e4 -1e9)的情况下产生的. 因此，应力通常比材料的极限强度低. 应力疲劳（Stress-based）用于高周疲劳. –低周疲劳是在循环次数相对较低时发生的。塑性变形常常伴随低周疲劳，其阐明了短疲劳寿命。一般认为应变疲劳（strain-based）应该用于低周疲劳计算. ?在设计仿真中, 疲劳模块拓展程序（Fatigue Module add-on）采用的是基于应力疲劳（stress-based）理论，它适用于高周疲劳. 接下来，我们将对基于应力疲劳理论的处理方法进行讨论. …恒定振幅载荷 ?在前面曾提到, 疲劳是由于重复加载引起: –当最大和最小的应力水平恒定时, 称为恒定振幅载荷. 我们将针对这种最简单的形式，首先进行讨论. –否则，则称为变化振幅或非恒定振幅载荷

…成比例载荷 ?载荷可以是比例载荷, 也可以非比例载荷:–比例载荷, 是指主应力的比例是恒定的,并且主应力的削减不随时间变化. 这实质意味着由于载荷的增加或反作用的造成的响应很容易得到计算.–相反, 非比例载荷没有隐含各应力之间相互的关系,典型情况包括:?在两个不同载荷工况间的交替变化?交变载荷叠加在静载荷上?非线性边界条件

ansys workbench疲劳分析流程

ansys workbench疲劳分析流程 基于S-N曲线的疲劳分析的最终目的是将变化无规律的多轴应力转化为简单的单轴应力循环，以便查询S-N曲线，得到相应的疲劳寿命。ansys workbench的疲劳分析模块采用如下流程，其中r=Smin/Smax，Sa为应力幅度，Sm应力循环中的应力均值，注意后一个m不是大写：）： （1）无规律多轴应力-->无规律单轴应力 这个转换其实就是采用何种应力（或分量）。只能有以下选择： V on-Mises等效应力；最大剪应力；最大主应力；或某一应力分量（Sx,Syz等等）。有时也采用带符号的Mises应力（大小不变等于Mises应力，符号取最大主应力的符号，好处是可以考虑拉或压的影响（反映在平均应力或r上））。同强度理论类似，V on-Mises等效应力和最大剪应力转换适用于延展性较好的材料，最大主应力转换用于脆性材料。 （2）无规律单轴应力-->简单单轴应力循环 其本质是从无规律的高高低低的等效单轴应力--时间曲线中提取出一系列的简单应力循环（用Sa,Sm表征）以及对应的次数。有很多种方法可以完成此计数和统计工作，其中又分为路径相关方法和路径无关方法。用途 最广的雨流法(rain flow counting method)就是一种路径相关方法。其算法和原理可见“Downing, S., Socie, D. (1982) Simplified rain flow counting algorithms. Int J Fatigue,4, 31–40“。 经过雨流法的处理后，无规律的应力--时间曲线转化为一系列的简单循环（Sa,Sm和ni,ni为该循环的次数，Sm如果不等于0，即r!=-1，需要考虑r的影响）。然后将r!=-1的循环再转化到r=-1对应的应力循环（见下），这样就可以根据损伤累计理论（Miner准则）计算分析了：Sum(ni/Ni) Ni为该应力循环对应的寿命（考虑Sa,Sm）。 （3）r!=-1的简单单轴应力循环-->r=-1的r!=-1的简单单轴应力循环 如果有不同r值下的S-N曲线，一般采用插值方法确定未知r值下的S-N曲线。如果只有r=-1的S-N曲线，可采用如下的公式计算等效的应力（就是将r！＝－1的单轴应力转换为r=-1时的单轴应力，即等效应力）： （Sa/Se)+(Sm/Su)^n=1 ^为指数运算符。 其中，Sa为半应力幅值，Se为欲求的等效应力，Sm为平均应力，Su和n不同的取值，构成不同的理论： Theory Su n ------------------------------------------------------------------ Soderberg yield stress (sy) 1 Goodman ultimate tensile stress (su) 1 Gerber ultimate tensile stress (su) 2 Morrow true fracture stress (sf) 1 ----------------------------------------------------------------- 至此，已经可以查询标准的S-N曲线了，结合Miner准则，可以计算疲劳寿命了。

疲劳分析软件 ANSYS FE_SAFE 简介(转)

问题1：ANSYS后处理疲劳功能与ANSYS/Fe-safe疲劳功能的关系是什么？ 回答1：ANSYS后处理疲劳功能是依据线性累积损伤理论，利用S-N曲线、应力时间历程以及雨流计数技术直接计算疲劳寿命使用系数，属于简单的名义应力疲劳寿命评估，对疲劳的影响因素的考虑有限，适用于粗略估算。ANSYS/Fe-safe则是专用的高级疲劳分析模块，采用先进的单/双轴疲劳计算方法，允许计算弹性或弹塑性载荷历程，综合多种影响因素（如平均应力、应力集中、缺口敏感性、（焊接成型等）初始应力、表面光洁度、表面加工性质等），按照累积损伤理论和雨流计数，根据各种应力或应变进行疲劳寿命和耐久性分析设计，或者根据疲劳材料以及载荷的概率统计规律进行概率疲劳设计以及疲劳可靠性设计，或者按照断裂力学损伤容限法计算裂纹扩展寿命。Fe-safe疲劳计算技术先进，精度很高，广泛实用于各类金属、非金属以及合金等材料。总之，ANSYS后处理疲劳功能仅仅是Fe-safe疲劳功能的一个很少部分，Fe-safe作为复杂环境下的疲劳耐久性计算是ANSYS疲劳的补充与延伸。 问题2：什么是高周疲劳和低周疲劳？它们与应力疲劳法和应变疲劳法之间的关系是什么？ 回答2：根据疲劳断裂时交变载荷作用的总周次，疲劳可分为低周疲劳、中周疲劳和高周疲劳。一般将断裂时的总周次在以下时，称为低周疲劳；断裂时的总周次大于时，称为高周疲劳。在高周疲劳中，构件在破坏之前一般仅发生极小的弹性变形，而在低周疲劳中，应力往往大到足以使每个循环产生可观的宏观的塑性变形。因此，低周疲劳较高周疲劳而言显示出了延性状态。高周疲劳传统上用应力范围来描述疲劳破坏所需的时间或循环数，即按应力疲劳法评估疲劳寿命。低周疲劳（短寿命）传统上用应变范围来描述全塑性区域疲劳破坏所需的时间或循环数，即按(局部)应变疲劳法评估疲劳寿命。 ANSYS FE-SAFE是一款高级疲劳耐久性分析和信号处理的软件，它是多轴疲劳分析解决方案的领导者，算法先进，功能全面细致，是世界公认精度最高的疲劳分析软件。 ANSYS FE-SAFE既支持基于疲劳试验测试应力和应变信号的疲劳分析技术，也支持基于有限元分析计算的疲劳仿真设计技术。 ANSYS FE-SAFE具有完整的材料库、灵活多变的载荷谱定义方法、实用的疲劳信号采集与分析处理功能以及丰富先进的疲劳算法，完整的输出疲劳结果。 疲劳分析软件ANSYS FE_SAFE 简介（转） 来源：刘兴兴的日志

某商用车白车身结构疲劳寿命分析与优化设计

某商用车白车身结构疲劳寿命分析与优化设计 作者：湖南工业李明李源陈斌 摘要：本文基于应力分析结果，采用有效的疲劳寿命预估方法，利用专业耐久性疲劳寿命分析系统MSC．Fatigue 对该型商用车白车身进行S-N 全寿命分析，得其疲劳寿命分布与危险点的寿命值。采用结构优化、合理选材等方法，提高白车身结构的疲劳寿命。 关键词：白车身；有限元；静态分析；疲劳寿命分析；优化 前言 在车身结构疲劳领域的国内研究中，1994 年，江苏理工大学陈龙在建立了车辆驾驶室疲劳强度计算的力学和数学模型基础上，提出了车辆驾驶室疲劳强度研究方法[1]。2001 年，清华大学孙凌玉[2]等首次计算机模拟了汽车随机振动过程。2002 年，上海汇众汽车制造有限公司王成龙[3]等应用FATIGUE 软件的分析，结合疲劳台架试验，探讨了疲劳强度理论在汽车产品零部件疲劳寿命计算中的应用，提出了提高零部件疲劳强度的方法。2004 年，同济大学汽车学院靳晓雄[4]等人提到进行零部件疲劳寿命预估，精确的有限元模型和可靠的材料疲劳数据是必需的，另外获得准确的实际运行工况下的道路输入载荷也非常关键。但由于客观条件的限制，国内这方面的研究非常有限，理论分析的多，对局部零部件研究的多，把车身整体作为研究对象的很少。 本文以某型商用车疲劳寿命仿真分析及优化提高为内容，研究中，首先对白车身结构几何进行网格划分；之后使用MSC.Patran/Nastran 对白车身结构进行静态仿真；然后导入MSC.Fatigue 对白车身结构进行疲劳寿命仿真。在分析的基础上采用结构优化设计的方法优化结构、合理选择材料等，提高白车身结构的静态力学性能与动态疲劳寿命。 1 疲劳寿命计算方法 疲劳寿命计算需要载荷的变化历程、结构的几何参数,以及有关的材料性能参数或曲线[4]。 图1为基于有限元分析结果的疲劳寿命分析流程。

疲劳分析流程fatigue

摘要：疲劳破坏是结构的主要失效形式，疲劳失效研究在结构安全分析中扮演着举足轻重的角色。因此结构的疲劳强度和疲劳寿命是其强度和可靠性研究的主要内容之一。机车车辆结构的疲劳设计必须服从一定的疲劳机理,并在系统结构的可靠性安全设计中考虑复合的疲劳设计技术的应用。国内的机车车辆主要结构部件的疲劳寿命评估和分析采用复合的疲劳设计技术，国外从疲劳寿命的理论计算和疲劳试验两个方面在疲劳研究和应用领域有很多新发展的理论方法和技术手段。不论国内国外，一批人几十年如一日致力于疲劳的研究，对疲劳问题研究贡献颇多。 关键词：疲劳UIC标准疲劳载荷IIW标准S-N曲线机车车辆 一、国内外轨道车辆的疲劳研究现状 6月30日15时，备受关注的京沪高铁正式开通运营。作为新中国成立以来一次建设里程最长、投资最大、标准最高的高速铁路，京沪高铁贯通“三市四省”，串起京沪“经济走廊”。京沪高铁的开通，不仅乘客可以享受到便捷与实惠，沿线城市也需面对高铁带来的机遇和挑战。在享受这些待遇的同时，专家指出，各省市要想从中分得一杯羹，配套设施建设以及机车车辆的安全性绝对不容忽略。根据机车车辆的现代设计方法，对结构在要求做到尽可能轻量化的同时，也要求具备高度可靠性和足够的安全性。这两者之间常常出现矛盾，因此，如何准确研究其关键结构部件在运行中的使用寿命以及如何进行结构的抗疲劳设计是结构强度寿命预测领域研究中的前沿课题。 在随机动载作用下的结构疲劳设计更是成为当前机车车辆结构疲劳设计的研究重点，而如何预测关键结构和部件的疲劳寿命又是未来机车车辆结构疲劳设计的重要发展方向之一。机车车辆承受的外部载荷大部分是随时间而变化的循环随机载荷。在这种随机动载荷的作用下，机车车辆的许多构件都产生动态应力，引起疲劳损伤，而损伤累积后的结构破坏的形式经常是疲劳裂纹的萌生和最终结构的断裂破坏。随着国内铁路运行速度的不断提高，一些关键结构部件，如转向架的构架、牵引拉杆等都出现了一些断裂事故。因此，机车车辆的结构疲劳设计已经逐渐成为机车车辆新产品开发前期的必要过程之一，而通过有效的计算方法预测结构的疲劳寿命是结构设计的重要目标。 国外 早在十九世纪后期德国工程师Wohler系统论述了疲劳寿命和循环应力的关系并提出了S-N

ansys-workbench疲劳分析流程

ansys workbench困乏分析流程 基于S-N曲线的困乏分析的最终目的是将变化无规律的多轴应力转化为简单的单轴应力循环，以便查询S-N曲线，得到相应的困乏寿命。ansysworkbench 的困乏分析模块采用如下流程，其中r=Smin/Smax，Sa为应力幅度，Sm应力循环中的应力均值，注意后一个m不是大写：）： （1）无规律多轴应力-->无规律单轴应力 这个转换其实就是采用何种应力（或分量）。只能有以下选择： Von-Mises等效应力；最大剪应力；最大主应力；或某一应力分量（Sx,Syz 等等）。有时也采用带符号的Mises应力（大小不变等于Mises应力，符号取最大主应力的符号，好处是可以考虑拉或压的影响（反映在平衡应力或r 上））。同强度理论类似，Von-Mises等效应力和最大剪应力转换适用于延展性较好的材料，最大主应力转换用于脆性材料。 （2）无规律单轴应力-->简单单轴应力循环 其本质是从无规律的高高低低的等效单轴应力--时间曲线中提取出一系列的简单应力循环（用Sa,Sm表征）以及对应的次数。有很多种方法可以完成此计数和统计工作，其中又分为路径相关方法和路径无关方法。用途 最广的雨流法(rainflowcountingmethod)就是一种路径相关方法。其算法和原理可见“Downing, S., Socie, D. (1982) Simplified rain flow counting algorithms. Int J Fatigue,4, 31–40“。 经过雨流法的处理后，无规律的应力--时间曲线转化为一系列的简单循环（Sa,Sm和ni,ni为该循环的次数，Sm如果不等于0，即r!=-1，需要考虑r的影响）。然后将r!=-1的循环再转化到r=-1对应的应力循环（见下），这样就可以根据损伤累计理论（Miner准则）计算分析了：Sum(ni/Ni) Ni为该应力循环对应的寿命（考虑Sa,Sm）。 （3）r!=-1的简单单轴应力循环-->r=-1的r!=-1的简单单轴应力循环

【ANSYS精品资源】利用ANSYS随机振动分析功能实现随机疲劳分析

利用ANSYS随机振动分析功能实现随机疲劳分析 ANSYS随机振动分析功能可以获得结构随机振动响应过程的各种统计参数（如：均值、均方根和平均频率等），根据各种随机疲劳寿命预测理论就可以成功地预测结构 的随机疲劳寿命。本文介绍了ANSYS随机振动分析功能，以及利用该功能，按照Steinberg提出的基于高斯分布和Miner线性累计损伤定律的三区间法进行ANSYS 随机疲劳计算的具体过程。 １．随机疲劳现象普遍存在 在工程应用中，汽车、飞行器、船舶以及其它各种机械或零部件，大多是在随机载 荷作用下工作，当它们承受的应力水平较高，工作达到一定时间后，经常会突然发生 随机疲劳破坏，往往造成灾难性的后果。因此，预测结构或零部件的随机疲劳寿命是 非常有必要的。 2．ANSYS随机振动分析功能介绍 ANSYS随机振动分析功能十分强大，主要表现在以下方面： 1.具有位移、速度、加速度、力和压力等PSD类型； 2.能够考虑a阻尼、 阻尼、恒定阻尼比和频率相关阻尼比； 3.能够定义基础和节点PSD激励； 4.能够考虑多个PSD激励之间的相关程度：共谱值、二次谱值、空间关系和波 1

传播关系等； 5.能够得到位移、应力、应变和力的三种结果数据：1σ位移解，1σ速度解和 1σ加速度解； 3．利用ANSYS随机振动分析功能进行疲劳分析的一般原理 在工程界，疲劳计算广泛采用名义应力法，即以S-N曲线为依据进行寿命估算的方法，可以直接得到总寿命。下面围绕该方法举例说明ANSYS随机疲劳分析的一般原理。 当应力历程是随机过程时，疲劳计算相对比较复杂。但已经有许多种分析方法，这 里仅介绍一种比较简单的方法，即Steinberg提出的基于高斯分布和Miner线性累计 损伤定律的三区间法（应力区间如图1所示）： 应力区间发生的时间 -1σ ~+1σ68.3%的时间 -2σ ~+2σ27.1%的时间 -3σ ~+3σ 4.33%的时间 99.73% 大于3σ的应力仅仅发生在0.27%的时间内，假定其不造成任何损伤。在利用Miner 定律进行疲劳计算时，将应力处理成上述3个水平，总体损伤的计算公式就可以写成： 其中： 2

国内外疲劳寿命分析技术综述

国内外疲劳寿命分析技术综述 【摘要】因疲劳而引发的机械零件破坏约占80%，因此疲劳破坏的问题得到了国内外的极大关注，其中疲劳寿命的预测尤其重要，本文简单探讨国内外关于疲劳现象的系统研究。 【关键词】疲劳寿命；研究 美国试验与材料协会（ASTM）在“疲劳试验及数据统计分析之有关术语的标准定义”（ASTM E206-72）中给出疲劳的定义：在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程，称为疲劳。1964年，日内瓦的国际标准化组织在《金属疲劳试验的一般原理》中给疲劳下了一个描述性的定义：金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫做疲劳。据统计，机械零件破坏的80%由疲劳引起的，特别是随着机械零件向大型、复杂化和高温、高速使用环境的方向发展，大量的随机因素增加，疲劳破坏更是层出不穷，因此关于疲劳破坏问题的研究得到了极大的关注，其中疲劳寿命的预测尤为重要。 1847年，德国人W?hler用旋转疲劳试验机首先对疲劳现象进行了系统研究，提出S-N曲线及疲劳极限的概念，奠定了疲劳破坏的经典强度理论基础。1874年，W. Gerber等研究平均应力的影响，画出相应的疲劳极限线图—Gerber抛物线。1929年，英国人Haigh发表了高强度钢与低碳钢有不同的缺口敏感性的论文，他所采用的缺口应变分析及“残余应力”的概念，被后人加以补充和发展。1930年，英国人Goodman简化了疲劳极限图，即用直线将纵轴上的对称循环疲劳极限点和横轴上的强度极限点连接，以此来替代Gerber抛物线；由于Goodman的疲劳极限图相对简单，所以至今仍在常规疲劳强度设计中被广泛使用。20世纪20-30年代人们已经开始研究疲劳机理，把疲劳过程划分为裂纹萌生、裂纹扩展及断裂三个阶段。1945年，M. A. Miner（US）提出了损伤与循环次数成线性关系即Palmgren-Miner线性累积损伤准则。 1953年，澳大利亚人赫德提出了疲劳裂纹扩展理论，但未经过实验验证。1957年，美国人欧文研究了中心裂纹板在垂直于裂纹方向上受拉伸的情况，基于裂纹尖端附近的弹性力学应力分析，欧文把裂纹长度的平方根与应力的乘积定义为应力强度因子。由此，应力强度因子成为了描述材料在裂纹尖端受力程度的一个重要参量。并根据应力强度因子存在一临界值，当达到或大于此临界值时，裂纹发生失稳扩展的现象，定义此临界值为断裂韧性，从而确定了断裂力学的断裂准则。1957年，美国人Paris指出，在循环载荷作用下，裂纹尖端处的应力强度因子的变化幅度是控制构件疲劳裂纹扩展速率的基本参量，Paris并于1963年提出了疲劳裂纹扩展速度的指数幂定律（Paris定律）。1968年由日本的Matsuishi M和Endo T 认为塑性的存在是造成疲劳损伤的必要条件，这种塑性性质由应力—应变迟滞回线表现出来，而一个大的应力—应变循环对材料造成的损伤，不受小的循环的影响，基于此他们提出了雨流计数法。