ANSYSWORKBENCH疲勞分析指南第二章

1、ANSYSWORKBENCH疲勞分析指南第二章2.1 基本情況 進(jìn)行疲勞分析是基于線性靜力分析，所以不必對所有的步驟進(jìn)行詳盡的闡述。 疲勞分析是在線性靜力分析之后，通過設(shè)計(jì)仿真自動執(zhí)行的。對疲勞工具的添加，無論在求解之前還是之后，都沒有關(guān)系，因?yàn)槠谟?jì)算不并依賴應(yīng)力分析計(jì)算。盡管疲勞與循環(huán)或重復(fù)載荷有關(guān)，但使用的結(jié)果卻基于線性靜力分析，而不是諧分析。盡管在模型中也可能存在非線性,處理時(shí)就要謹(jǐn)慎了，因?yàn)槠诜治鍪羌僭O(shè)線性行為的。 在本章中，將涵蓋關(guān)于恒定振幅、比例載荷的情況。而變化振幅、比例載荷的情況和恒定振幅、非比例載荷的情況，將分別在以后的第三和四章中逐一討論。2.1.1 疲勞程序 下面是疲

2、勞分析的步驟，用斜體字體所描述的步驟，對于包含疲勞工具的應(yīng)力分析是很特殊的： 模型指定材料特性，包括S-N曲線； 定義接觸區(qū)域(若采用的話)； 定義網(wǎng)格控制(可選的)； 包括載荷和支撐；(設(shè)定)需要的結(jié)果，包括Fatigue tool； 求解模型； 查看結(jié)果。 在幾何方面，疲勞計(jì)算只支持體和面，線模型目前還不能輸出應(yīng)力結(jié)果，所以疲勞計(jì)算對于線是忽略的，線仍然可以包括在模型中以給結(jié)構(gòu)提供剛性，但在疲勞分析并不計(jì)算線模型。2.1.2 材料特性 由于有線性靜力分析,所以需要用到楊氏模量和泊松比：如果有慣性載荷,則需要輸入質(zhì)量密度；如果有熱載荷,則需要輸入熱膨脹系數(shù)和熱傳導(dǎo)率；如果使用應(yīng)力工具結(jié)果(S

3、tress Tool result),那么就需要輸入應(yīng)力極限數(shù)據(jù),而且這個(gè)數(shù)據(jù)也是用于平均應(yīng)力修正理論疲勞分析。疲勞模塊也需要使用到在工程數(shù)據(jù)分支下的材料特性當(dāng)中S-N曲線數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)類型在“疲勞特性”(“Fatigue Properties”)下會說明；S-N曲線數(shù)據(jù)是在材料特性分支條下的“交變應(yīng)力與循環(huán)”(“Alternating Stress vs. Cycles”)選項(xiàng)中輸入的。 如果S-N曲線材料數(shù)據(jù)可用于不同的平均應(yīng)力或應(yīng)力比下的情況, 那么多重S-N曲線也可以輸入到程序中。2.1.3 疲勞材料特性 添加和修改疲勞材料特性: 在材料特性的工作列表中,可以定義下列類型和輸入的S-N曲線

4、，插入的圖表可以是線性的（“Linear”）、半對數(shù)的（“Semi-Log”即linear for stress, log for cycles）或雙對數(shù)曲線（“Log-Log”）。 記得曾提到的，S-N曲線取決于平均應(yīng)力。如果S-N曲線在不同的平均應(yīng)力下都可適用的，那么也可以輸入多重S-N曲線，每個(gè)S-N曲線可以在不同平均應(yīng)力下直接輸入，每個(gè)S-N曲線也可以在不同應(yīng)力比下輸入。 可以通過在“Mean Value”上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵添加新的平均值來輸入多條SN曲線。2.1.4 疲勞特征曲線 材料特性信息可以保存XML文件或從XML文件提取，保存材料數(shù)據(jù)文件，在material條上按右鍵，然后用“E

5、xport ”保存成XML外部文件，疲勞材料特性將自動寫到XML文件中，就像其他材料數(shù)據(jù)一樣。 一些例舉的材料特性在如下安裝路徑下可以找到：C:ProgramFilesAnsysIncv80AISOLCommonFilesLanguageen-usEngineeringDataMaterials，“Aluminum”和“Structural Steel”的XML文件，包含有范例疲勞數(shù)據(jù)可以作為參考，疲勞數(shù)據(jù)隨著材料和測試方法的不同而有所變化，所以很重要一點(diǎn)就是，用戶要選用能代表自己部件疲勞性能的數(shù)據(jù)2.1.5 接觸區(qū)域 接觸區(qū)域可以包括在疲勞分析中，注意，對于在恒定振幅、成比例載荷情況下處理疲

6、勞時(shí)，只能包含綁定（Bonded）和不分離（No-Separation）的線性接觸，盡管無摩擦、有摩擦和粗糙的非線性接觸也能夠包括在內(nèi)，但可能不再滿足成比例載荷的要求。例如，改變載荷的方向或大小，如果發(fā)生分離，則可能導(dǎo)致主應(yīng)力軸向發(fā)生改變；如果有非線性接觸發(fā)生，那么用戶必須小心使用，并且仔細(xì)判斷；對于非線性接觸，若是在恒定振幅的情況下，則可以采用非比例載荷的方法代替計(jì)算疲勞壽命。2.1.6 載荷與支撐 能產(chǎn)生成比例載荷的任何載荷和支撐都可能使用，但有些類型的載荷和支撐不造成比例載荷：螺栓載荷對壓縮圓柱表面?zhèn)仁┘泳剂?，相反，圓柱的相反一側(cè)的載荷將改變；預(yù)緊螺栓載荷首先施加預(yù)緊載荷，然后是外載荷

7、，所以這種載荷是分為兩個(gè)載荷步作用的過程；壓縮支撐（Compression Only Support）僅阻止壓縮法線正方向的移動，但也不會限制反方向的移動，像這些類型的載荷最好不要用于恒定振幅和比例載荷的疲勞計(jì)算。2.1.7 (設(shè)定)需要的結(jié)果 對于應(yīng)力分析的任何類型結(jié)果，都可能需要用到：應(yīng)力、應(yīng)變和變形接觸結(jié)果(如果版本支持)；應(yīng)力工具（Stress Tool）。 另外，進(jìn)行疲勞計(jì)算時(shí)，需要插入疲勞工具條（Fatigue Tool）：在Solution子菜單下，從相關(guān)的工具條上添加“Tools Fatigue Tool”，F(xiàn)atigue Tool的明細(xì)窗中將控制疲勞計(jì)算的求解選項(xiàng)；疲勞工具條

8、（Fatigue Tool）將出現(xiàn)在相應(yīng)的位置中，并且也可添加相應(yīng)的疲勞云圖或結(jié)果曲線，這些是在分析中會被用到的疲勞結(jié)果，如壽命和破壞。2.1.8 需要的結(jié)果 在疲勞計(jì)算被詳細(xì)地定義以后，疲勞結(jié)果可下在Fatigue Tool下指定；等值線結(jié)果（Contour）包括Lifes(壽命)，Damage(損傷)，Safety Factor（安全系數(shù)），BiaxialityIndication（雙軸指示），以及Equivalent Alternating Stress（等效交變應(yīng)力）；曲線圖結(jié)果(graph results)）僅包含對于恒定振幅分析的疲勞敏感性(fatigue sensitivity)

9、；這些結(jié)果的詳細(xì)分析將只做簡短討論。2.2 Fatigue Tool2.2.1 載荷類型 當(dāng)Fatigue Tool在求解子菜單下插入以后，就可以在細(xì)節(jié)欄中輸入疲勞說明：載荷類型可以在“Zero-Based”、“Fully Reversed”和給定的“Ratio”之間定義；也可以輸入一個(gè)比例因子，來按比例縮放所有的應(yīng)力結(jié)果。2.2.2 平均應(yīng)力影響 在前面曾提及，平均應(yīng)力會影響S-N曲線的結(jié)果. 而“Analysis Type”說明了程序?qū)ζ骄鶓?yīng)力的處理方法： “SN-None”：忽略平均應(yīng)力的影響 “SN-Mean Stress Curves”：使用多重S-N曲線（如果定義的話）“SN-Go

10、odman,”“SN-Soderberg,”和“SN-Gerber”：可以使用平均應(yīng)力修正理論。 如果有可用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，那么建議使用多重S-N曲線(SN-Mean Stress Curves)； 但是，如果多重S-N曲線是不可用的，那么可以從三個(gè)平均應(yīng)力修正理論中選擇，這里的方法在于將定義的單S-N曲線“轉(zhuǎn)化”到考慮平均應(yīng)力的影響： 1.對于給定的疲勞循環(huán)次數(shù)，隨著平均應(yīng)力的增加，應(yīng)力幅將有所降低； 2.隨著應(yīng)力幅趨近零，平均應(yīng)力將趨近于極限（屈服）強(qiáng)度； 3.盡管平均壓縮應(yīng)力通常能夠提供很多的好處，但保守地講，也存在著許多不利的因素(scaling=1=constant)。 Goodman理

11、論適用于低韌性材料，對壓縮平均應(yīng)力沒能做修正，Soderberg理論比Goodman理論更保守，并且在有些情況下可用于脆性材料，Gerber理論能夠?qū)g性材料的拉伸平均應(yīng)力提供很好的擬合，但它不能正確地預(yù)測出壓縮平均應(yīng)力的有害影響，如下圖所示。 缺省的平均應(yīng)力修正理論可以從“Tools Control Panel：FatigueAnalysis Type”中進(jìn)行設(shè)置如果存在多重S-N曲線，但用戶想要使用平均應(yīng)力修正理論，那么將會用到在m=0或R=-1的S-N曲線。盡管如此，這種做法并不推薦。2.2.3 強(qiáng)度因子 除了平均應(yīng)力的影響外，還有其它一些影響S-N曲線的因素，這些其它影響因素可以集中體

12、現(xiàn)在疲勞強(qiáng)度(降低)因子Kf中，其值可以在Fatigue Tool的細(xì)節(jié)欄中輸入，這個(gè)值應(yīng)小于1，以便說明實(shí)際部件和試件的差異，所計(jì)算的交變應(yīng)力將被這個(gè)修正因子Kf分開,而平均應(yīng)力卻保持不變。2.2.4 應(yīng)力分析 在第一章中，注意到疲勞試驗(yàn)通常測定的是單軸應(yīng)力狀態(tài)，必須把單軸應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換到一個(gè)標(biāo)量值，以決定某一應(yīng)力幅下(S-N曲線)的疲勞循環(huán)次數(shù)。Fatigue Tool細(xì)節(jié)欄中的應(yīng)力分量(“Stress Component”)允許用戶定義應(yīng)力結(jié)果如何與疲勞曲線S-N進(jìn)行比較。6個(gè)應(yīng)力分量的任何一個(gè)或最大剪切應(yīng)力、最大主應(yīng)力、或等效應(yīng)力也都可能被使用到。所定義的等效應(yīng)力標(biāo)示的是最大絕對主應(yīng)力，

13、以便說明壓縮平均應(yīng)力。2.3 求解疲勞分析 疲勞計(jì)算將在應(yīng)力分析實(shí)施完以后自動地進(jìn)行，與應(yīng)力分析計(jì)算相比，恒定振幅情況的疲勞計(jì)算通常會快得多。如果一個(gè)應(yīng)力分析已經(jīng)完成，那么僅選擇Solution或Fatigue Tool 分支并點(diǎn)擊Solve，便可開始疲勞計(jì)算。在求解菜單中（solution branch）的工作表將沒有輸出顯示，疲勞計(jì)算在Workbench中進(jìn)行，ANSYS的求解器不會執(zhí)行分析中的疲勞部分，疲勞模塊沒有使用ANSYS /POST1的疲勞命令(FSxxxx, FTxxxx)。2.4 查看疲勞結(jié)果 對于恒定振幅和比例載荷情況，有幾種類型的疲勞結(jié)果供選擇： Life（壽命）：等值線

14、顯示由于疲勞作用直到失效的循環(huán)次數(shù)，如果交變應(yīng)力比S-N曲線中定義的最低交變應(yīng)力低，則使用該壽命（循環(huán)次數(shù)）(在本例中，S-N曲線失效的最大循環(huán)次數(shù)是1e6，于是那就是最大壽命。 Damage（損傷）：設(shè)計(jì)壽命與可用壽命的比值，設(shè)計(jì)壽命在細(xì)節(jié)欄（Details view）中定義，設(shè)計(jì)壽命的缺省值可通過下面進(jìn)行定義“Tools Control Panel:Fatigue Design Life。 Safety Factor（安全系數(shù)）：安全系數(shù)等值線是關(guān)于一個(gè)在給定設(shè)計(jì)壽命下的失效，設(shè)計(jì)壽命值在細(xì)節(jié)欄（Details view）輸入，給定最大安全系數(shù)SF值是15。 BiaxialityIndic

15、ation：應(yīng)力雙軸等值線有助于確定局部的應(yīng)力狀態(tài)，雙軸指示（Biaxialityindication）是較小與較大主應(yīng)力的比值(對于主應(yīng)力接近0的被忽略)。因此，單軸應(yīng)力局部區(qū)域?yàn)锽值為0，純剪切的為-1，雙軸的為1。 等效交變應(yīng)力(Equivalent Alternating Stress）：等值線在模型上繪出了部件的等效交變應(yīng)力，它是基于所選擇應(yīng)力類型，在考慮了載荷類型和平均應(yīng)力影響后，用于詢問（query）S-N曲線的應(yīng)力。疲勞敏感性( Fatigue Sensitivity )：一個(gè)疲勞敏感曲線圖顯示出部件的壽命、損傷或安全系數(shù)在臨界區(qū)域隨載荷的變化而變化，能夠輸入載荷變化的極限(包括負(fù)比率)，曲線圖的缺省選項(xiàng)，“Tools menu OptionsSimulation：FatigueSensitivity”。 任何疲勞選項(xiàng)的范圍可以是選定的部件（parts）