ansysworkbench疲勞分析

1、第一章 簡介1.1 疲勞概述結(jié)構(gòu)失效的一個常見原因是疲勞， 其造成破壞與重復(fù)加載有關(guān)。 疲勞通常分為兩類： 高周疲 勞是當(dāng)載荷的循環(huán)(重復(fù))次數(shù)高 (如 1e4 -1e9) 的情況下產(chǎn)生的。因此，應(yīng)力通常比材料的極 限強度低， 應(yīng)力疲勞 ( Stress-based )用于高周疲勞； 低周疲勞是在循環(huán)次數(shù)相對較低時發(fā)生的。 塑性變形常常伴隨低周疲勞，其闡明了短疲勞壽命。一般認(rèn)為應(yīng)變疲勞( strain-based )應(yīng)該用 于低周疲勞計算。在設(shè)計仿真中，疲勞模塊拓展程序(Fatigue Module add-on )采用的是基于應(yīng)力疲勞( stress-based )理論，它適用于高周疲勞。接

2、下來，我們將對基于應(yīng)力疲勞理論的處理方法進 行討論。1.2 恒定振幅載荷在前面曾提到，疲勞是由于重復(fù)加載引起： 當(dāng)最大和最小的應(yīng)力水平恒定時， 稱為恒定振幅載荷， 我們將針對這種最簡單的形式， 首先 進行討論。否則，則稱為變化振幅或非恒定振幅載荷。1.3 成比例載荷載荷可以是比例載荷，也可以非比例載荷：比例載荷， 是指主應(yīng)力的比例是恒定的， 并且主應(yīng)力的削減不隨時間變化， 這實質(zhì)意味著由 于載荷的增加或反作用的造成的響應(yīng)很容易得到計算。相反，非比例載荷沒有隱含各應(yīng)力之間相互的關(guān)系，典型情況包括：(T1/(T 2=constant在兩個不同載荷工況間的交替變化；交變載荷疊加在靜載荷上； 非線性邊

3、界條件。1.4 應(yīng)力定義考慮在最大最小應(yīng)力值(T min和(T max作用下的比例載荷、恒定振幅的情況:應(yīng)力范圍 T定義為(T max- T min) 平均應(yīng)力T m定義為(T max+ T min )/2應(yīng)力幅或交變應(yīng)力 T a是 T /2應(yīng)力比 R 是min/max當(dāng)施加的是大小相等且方向相反的載荷時，發(fā)生的是對稱循環(huán)載荷。這就是T m=0，R=-1 的情況。當(dāng)施加載荷后又撤除該載荷，將發(fā)生脈動循環(huán)載荷。這就是T m=T max/2 , R = 0的情況。1.5 應(yīng)力 - 壽命曲線載荷與疲勞失效的關(guān)系，采用的是應(yīng)力 - 壽命曲線或 S-N 曲線來表示:1)若某一部件在承受循環(huán)載荷 , 經(jīng)過

4、一定的循環(huán)次數(shù)后 , 該部件裂紋或破壞將會發(fā)展， 而且有可能導(dǎo)致失效；（2）如果同個部件作用在更高的載荷下, 導(dǎo)致失效的載荷循環(huán)次數(shù)將減少；（3）應(yīng)力 - 壽命曲線或 S-N 曲線 ,展示出應(yīng)力幅與失效循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。S-N 曲線是通過對試件做疲勞測試得到的彎曲或軸向測試反映的是單軸的應(yīng)力狀態(tài)，影響S-N 曲線的因素很多，其中的一些需要的注意，如下：材料的延展性，材料的加工工藝，幾何形狀信息 , 包括表面光滑度、殘余應(yīng)力以及存在的應(yīng)力集中，載荷環(huán)境，包括平均應(yīng)力、溫度和化學(xué)環(huán)境，例如，壓縮平均應(yīng)力比零平均應(yīng)力的疲勞對壓縮和拉伸平均應(yīng)力， 平均應(yīng)力將如果疲勞數(shù)據(jù) （S-N 曲線 ） 是從反映1）

5、設(shè)計仿真為用戶提供了如何2）雙軸應(yīng)力結(jié)果有助于計算在給定壽命長，相反，拉伸平均應(yīng)力比零平均應(yīng)力的疲勞壽命短， 分別提高和降低 S-N 曲線。因此， 記住以下幾點： 一個部件通常經(jīng)受多軸應(yīng)力狀態(tài)。單軸應(yīng)力狀態(tài)的測試中得到的，那么在計算壽命時就要注意：（ 把結(jié)果和 S-N 曲線相關(guān)聯(lián)的選擇，包括多軸應(yīng)力的選擇；（ 位置的情況。平均應(yīng)力影響疲勞壽命，并且變換在 S-N 曲線的上方位置與下方位置 （ 反映出在給定應(yīng)力幅 下的壽命長短）：（1）對于不同的平均應(yīng)力或應(yīng)力比值，設(shè)計仿真允許輸入多重S-N曲線（實驗數(shù)據(jù)）；（2）如果沒有太多的多重 S-N曲線（實驗數(shù)據(jù)），那么設(shè)計仿真也允許采用多種不同的平 均

6、應(yīng)力修正理論。早先曾提到影響疲勞壽命的其他因素，也可以在設(shè)計仿真中可以用一個修正因子來解釋。1.6 總結(jié) 疲勞模塊允許用戶采用基于應(yīng)力理論的處理方法，來解決高周疲勞問題。 以下情況可以用疲勞模塊來處理：恒定振幅，比例載荷 （參考第二章 ）； 變化振幅，比例載荷 （參考第三章 ）； 恒定振幅，非比例載荷 （參考第四章 ）。需要輸入的數(shù)據(jù)是材料的 S-N 曲線：S-N 曲線是疲勞實驗中獲得，而且可能本質(zhì)上是單軸的，但在實際的分析中，部件可能處于 多軸應(yīng)力狀態(tài)。S-N 曲線的繪制取決于許多因素，包括平均應(yīng)力，在不同平均應(yīng)力值作用下的S-N 曲線的應(yīng)力值可以直接輸入，或可以執(zhí)行通過平均應(yīng)力修正理論實現(xiàn)

7、。第二章 疲勞程序2.1 基本情況進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， 因為疲勞計算不并依賴應(yīng)力分析計算。 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 處理時就要謹(jǐn)慎了，因為疲勞分析是假設(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 疲勞程序下面是疲勞分析的步驟，

8、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

9、傳導(dǎo)率；如果使用應(yīng)力工具結(jié)果 (Stress Tool result), 那么就需要輸入應(yīng)力極限數(shù)據(jù) , 而且這個數(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。疲勞材料特性 添加和修改疲勞材料特性 :在材料特性

10、的工作列表中，可以定義下列類型和輸入的S-N曲線，插入的圖表可以是線性的）或雙對數(shù)(“ Lin ear ”)、半對數(shù)的(“ Semi - Log” 即卩 lin ear for stress, log for cycles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S-N曲線可以在不同平均應(yīng)力下直接輸入，每個S-N曲線也可以在不同應(yīng)力比下輸入?？梢酝ㄟ^在“ Mean Value" 上點擊鼠標(biāo)右鍵添加新的平均值來輸入多條S- N曲線。第三章不穩(wěn)定振幅的疲勞在前面一章中，

11、考察了恒定振幅和比例載荷的情況，并涉及到最大和最小振幅在保持恒定的情況下的循環(huán)或重復(fù)載荷。在本章將針對不定振幅、比例載荷情況，盡管載荷仍是成比例的，但應(yīng)力幅和平均應(yīng)力卻是隨時間變化的。3.1不規(guī)律載荷的歷程和循環(huán)（History and Cycles）對于不規(guī)律載荷歷程，需要進行特殊處理：計算不規(guī)律載荷歷程的循環(huán)所使用的是“雨流”rainflow循環(huán)計算，“雨流”循環(huán)計算（Rainflowcycle counting）是用于把不規(guī)律應(yīng)力歷程轉(zhuǎn)化為用于疲勞計算的循環(huán)的一種技術(shù)（如右面例子），先計算不同的“平均”應(yīng)力和應(yīng)力幅（“range”）的循環(huán)，然后使用這組“雨流”循環(huán)完成疲勞計算。損傷累加是

12、通過 Palmgre n-Mi ner 法則完成的，Palmgre n-Mi ner法則的基本思想是：在一個 給定的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅下，每次循環(huán)用到有效壽命占總和的百分之幾。對于在一個給定應(yīng)力幅下的循環(huán)次數(shù) Ni,隨著循環(huán)次數(shù)達(dá)到失效次數(shù)Nfi時，壽命用盡，達(dá)到失效?！坝炅鳌毖h(huán)計算和Palmgre n-Miner損傷累加都用于不定振幅情況。因此，任何任意載荷歷程都可以切分成一個不同的平均值和范圍值的循環(huán)陣列（“多個豎條”），右圖是“雨流”陣列，指岀了在每個平均值和范圍值下所計算的循環(huán)次數(shù)，較高值表示 這些循環(huán)的將出現(xiàn)在載荷歷程中。在一個疲勞分析完成以后，每個“豎條”（即“循環(huán)”）造成的損傷量

13、將被繪岀，對于“雨流”陣列中的每個“豎條” （bin），顯示的是對應(yīng)的所用掉的壽命量的百分比。在這個例子中，即使大多數(shù)循環(huán)發(fā)生在低范圍/平均值，但高范圍（range）循環(huán)仍會造成主要的損傷。依據(jù)Per1(100%)，不定振幅程序li ?I ifi iK ft HlRP 章# li pMa建立引領(lǐng)分析（線性，比載荷）b定義疲勞材料特性（包括S-N曲線）電仙皿El*l*H-te*VMmya定義載荷歷程數(shù)據(jù),并以及平均應(yīng)力的影響的處理b為“雨流”循環(huán)次數(shù)的計算定義bins的數(shù)量對于建立基于不定振幅、比例載荷情況下疲勞分析的過程，與前面講過的第二章中介紹非常相似，但有兩個例外：載荷類型的定義不同，查看

14、的疲勞結(jié)果中包括變化的“雨流”和損傷陣列。3.3.定義3.3.1定義載荷類型在Fatigue Tool 的Details 欄中，載荷類型"Type”指的是歷程數(shù)據(jù)"History Data ”，既而，在"History Data Location "下定義一個外部文件.這個文本文件將會包含一組循環(huán)（或周期）的載荷歷程點，由于歷程數(shù)據(jù)文本文件的數(shù)值表示的是載荷的倍數(shù),所以比例因子“ ScaleFactor "也能夠用于放大載荷。3.3.2 定義無限壽命恒定振幅載荷中，如果應(yīng)力低于S-N曲線中最低限，曾提過的最后定義的循環(huán)次數(shù)將被使用。 但在不定振

15、幅載荷下，載荷歷程將被劃分成各種平均應(yīng)力和應(yīng)力幅的“豎條”（“bins ”）。由于損傷是累積起來的，這些小應(yīng)力可能造成相當(dāng)大的影響，即當(dāng)循環(huán)次數(shù)很高時。因此，如果應(yīng)力幅比 S-N 曲線的最低點低，“無限壽命”值可以在 Fatigue Tool 的 Details 欄中輸入，以定義 所采用循環(huán)次數(shù)的值。損傷的定義是循環(huán)次數(shù)與失效時次數(shù)的比值， 因此對于沒有達(dá)到 S-N 曲線上的失效循次數(shù)的 小應(yīng)力，“無限壽命”就提供這個值。通過對“無限壽命”設(shè)置較大值，小應(yīng)力幅循環(huán) ( “Range”) 的影響造成的損傷將很小，因 為損傷比率較小 (damage ratio) 。3.3.3 定義 bin siz

16、e“豎條尺寸” (“Bin Size ”)也可以在 Fatigue Tool 的 Details 欄中定義， rainflow 陣列 尺寸是bin_size x bin_size 。Binsize 越大，排列的陣列就越大，于是平均(mean)和范圍(range)可以考慮的更精確， 否則將把更多的循環(huán)次數(shù)放在在給定的豎條中 (看下圖 ) ，但是對于疲勞分析， 豎條的尺寸越大，所需要的內(nèi)存和 CPU成本會越高。第四章 非比例載荷的疲勞分析在第二章中 , 討論了恒定振幅和比例載荷情況，本節(jié)將針對恒定振幅非比例載荷情況進行介 紹。其基本思想是用兩個加載環(huán)境代替單一加載環(huán)境，進行疲勞計算，不采用應(yīng)力比，

17、 而是采用兩個載荷環(huán)境的應(yīng)力值來決定最大最小值。 由于同一組應(yīng)力結(jié)果不并不成比例， 這就是為什么這 種方法稱為非比例 (non-proportional) 的原因 , 但是兩組結(jié)果都會使用到，由于需要兩個解，所 以可以采用求解組合來實現(xiàn)。對于恒定振幅 , 非比例情況的處理過程與恒定振幅、 比例載荷的求解基本相同 , 除了下面所提 出的以外 :，并定義兩個環(huán)境。1. 建立兩個帶不同載荷條件的環(huán)境 (two Environment ) 分支條2. 增加一個求解組合分支條 ( Solution Combination branch)3. 為求解組合 (solution combination)添加

18、Fatigue Tool (和其他結(jié)果 ) , 并將載荷類型定義“非比例”( Non-Proportional )。4.( 定義 ) 所需的結(jié)果并求解。4.1 建立兩個載荷環(huán)境 ( two loading environments:) 這兩個載荷環(huán)境可以有兩組不同的載荷以模仿兩載荷的交互形式( 支撐也是一樣 ) ，例如，個是彎曲載荷， 另一個是扭轉(zhuǎn)載荷作為兩個環(huán)境(Environments) ，這樣的疲勞載荷計算將假定為在這樣的兩個載荷環(huán)境下的交互受載的。 一個交互載荷可以疊加到靜載荷上， 例如， 有一個恒定壓力和一個力矩載荷。對于其中一個環(huán)境 (Environment) 僅定義恒定壓力，而另一個環(huán)境定義為 恒定壓力力矩載荷。這就將模仿成一個恒定壓力和交變力矩。非線性支撐/ 接觸(supports/contact) 或非比例載荷的使用， 例如， 僅有一個壓縮支撐， 只要阻止剛體運動， 那么 兩個環(huán)境應(yīng)該反映的是某一方向和其相反的方向的載荷。4.2 從模型分支條下增加一個求解組合 ( Solution Combination )在工作表(Worksheet)中，添加用于計算的兩個環(huán)境(Environments)。注意，系數(shù)可以是個數(shù)值，只有一種情況除外，