ANSYS結(jié)構(gòu)分析指南疲勞

1、ANSYS 結(jié)構(gòu)分析指南第三章 疲勞3.1 疲勞的定義疲勞是指結(jié)構(gòu)在低于靜態(tài)極限強度載荷的重復(fù)載荷作用下，出現(xiàn)斷裂破壞的現(xiàn)象。例如一 根能夠承受 300 KN 拉力作用的鋼桿，在 200 KN 循環(huán)載荷作用下，經(jīng)歷 1,000,000 次循環(huán)后 亦會破壞。導(dǎo)致疲勞破壞的主要因素如下：載荷的循環(huán)次數(shù)；每一個循環(huán)的應(yīng)力幅；每一個循環(huán)的平均應(yīng)力；存在局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。真正的疲勞計算要考慮所有這些因素，因為在預(yù)測其生命周期時，它計算“消耗”的某個部 件是如何形成的。3.1.1 ANSYS 程序處理疲勞問題的過程ANSYS 疲勞計算以 ASME 鍋爐和壓力容器規(guī)范 (ASME Boiler and Pr

2、essure VesselCode第三節(jié)(和第八節(jié)第二部分 作為計算的依據(jù)，采用簡化了的彈塑性假設(shè)和Mimer累積疲勞準(zhǔn)則。除了根據(jù) ASME 規(guī)范所建立的規(guī)則進行疲勞計算外，用戶也可編寫自己的宏指令，或選用 合適的第三方程序，利用 ANSYS 計算的結(jié)果進行疲勞計算。 ANSYS AP DL Programmers Guide 討論了上述二種功能。ANSYS 程序的疲勞計算能力如下： 對現(xiàn)有的應(yīng)力結(jié)果進行后處理，以確定體單元或殼單元模型的疲勞壽命耗用系數(shù) (fatigue usage factors( 用于疲勞計算的線單元模型的應(yīng)力必須人工輸入 ；可以在一系列預(yù)先選定的位置上，確定一定數(shù)目的

3、事件及組成這些事件的載荷，然后把這 些位置上的應(yīng)力儲存起來；可以在每一個位置上定義應(yīng)力集中系數(shù)和給每一個事件定義比例系數(shù)。3.1.2 基本術(shù)語位置（Location> ：在模型上儲存疲勞應(yīng)力的節(jié)點。這些節(jié)點是結(jié)構(gòu)上某些容易產(chǎn)生疲勞破 壞的位置。事件（Event> :是在特定的應(yīng)力循環(huán)過程中，在不同時刻的一系列應(yīng)力狀態(tài)，見本章§ 3.2.3.4 。載荷（Loading> ：是事件的一部分，是其中一個應(yīng)力狀態(tài)。應(yīng)力幅：兩個載荷之間應(yīng)力狀態(tài)之差的度量。程序不考慮應(yīng)力平均值對結(jié)果的影響。3.2 疲勞計算完成了應(yīng)力計算后，就可以在通用后處理器 POST1 中進行疲勞計算。一般

4、有五個主要步 驟：1 、進入后處理 POST1 ，恢復(fù)數(shù)據(jù)庫；2、建立位置、事件和載荷的數(shù)目，定義材料疲勞性質(zhì)，確定應(yīng)力位置和定義應(yīng)力集中系 數(shù)；3、存儲不同事件和不同載荷下關(guān)心位置的應(yīng)力，并指定事件的重復(fù)次數(shù)和比例系數(shù)；4 、激活疲勞計算；5 、查看結(jié)果。3.2.1 進入 POST1 和恢復(fù)數(shù)據(jù)庫依照下列步驟進行疲勞計算：1 、進入 POST1命令： POST1GUI ： Main Menu>General Postproc2 、把數(shù)據(jù)庫文件 (Jobname.DB> 讀入到在內(nèi)存中 ( 如果所要做的疲勞計算是正在進行的 ANSYS 計算過程的繼續(xù) ,則 Jobname.DB 文

5、件已在內(nèi)存中 >。結(jié)果文件 (Jobname.RST> 必須 已經(jīng)存在并將其讀入內(nèi)存。命令： RESUMEGUI ： Utility Menu>File>Resume from3.2.2 建立疲勞計算的規(guī)模、材料疲勞性質(zhì)和疲勞計算的位置定義下列數(shù)據(jù)：位置、事件和載荷的最大數(shù)目；材料的疲勞性質(zhì)；應(yīng)力位置與應(yīng)力集中系數(shù) (SCFs> 。1 、定義位置、事件和載荷的最大數(shù)目缺省情況下，疲勞計算最多包括 5個節(jié)點位置， 10個事件，每個事件中 3個載荷。如果 需要，可以通過下面的命令來設(shè)置較大的規(guī)模 (即較多的位置、事件和載荷 >。命令： FTSIZEGUI ：Ma

6、in Menu>General Postproc>Fatigue>Size Settings2 、定義材料的疲勞性質(zhì) 為了計算各種耗用系數(shù)，以及為了包含簡化彈塑性效應(yīng)，必須定義材料的疲勞性質(zhì)。在疲 勞計算中，感興趣的材料性質(zhì)有：S-N曲線：應(yīng)力幅(Smax-Smin>/2-疲勞循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線。ASME S-N曲線考慮了最大 平均應(yīng)力的影響。如果需要，應(yīng)把輸入的 S-N 曲線進行調(diào)節(jié)以便考慮平均應(yīng)力強度效應(yīng)。如 果不輸入 S-N 曲線，那么對于各種可能的應(yīng)力狀態(tài)的組合，應(yīng)力幅將降序排列，但不計算耗 用系數(shù)。命令： FPGUI ： Main Menu>Genera

7、l Postproc>Fatigue>S-N TableSm-T 曲線：設(shè)計應(yīng)力強度值 -溫度曲線。如要考慮檢查應(yīng)力范圍是否進入塑性，就必須定 義該曲線。命令： FPGUI ： Main Menu>General Postproc>Fatigue>Sm_T Table彈塑性材料參數(shù)M和N(應(yīng)變強化指數(shù) >。只在需要使用簡化的彈塑性準(zhǔn)則時，才輸入 M、 N。這些參數(shù)可以從ASME規(guī)范中獲得。命令： FPGUI ： Main Menu>General Postproc>Fatigue>Elas-plas Par下述例子說明了用于輸入疲勞材料性質(zhì)

8、的 FP 命令的使用方法：! Define the S-N table:FP,1,10,30,100,300,1000,10000 ! Allowable Cycles, NFP,7,100000,1000000 ! "FP,21,650,390,240,161,109,59 ! Alternating Stress-FP,27,37,26 ! Intensity Range, S, ksi! Define the Sm-T table:FP,41,100,200,300,400,500,600 ! Temperature, deg FFP,47,650,700,750,800 !

9、"FP,51,20,20,20,18.7,17.4,16.4 ! "Design Stress-IntensityFP,57,16.1,15.9.15.5,15.1 ! Value", Sm （=2/3*Sy or! 1/3 *Su>, ksi! Define the elastic-plastic material parameters:FP,61,1.7,.3 ! M and N3 、定義應(yīng)力位置和應(yīng)力集中系數(shù)下面的選項允許用戶顯式地定義疲勞計算中關(guān)心的節(jié)點位置、該位置的應(yīng)力集中系數(shù)，以 及在該位置的一個短的標(biāo)題 （可用 20 個字母 >。命令：

10、FLGUI ： Main Menu>General Postproc>Fatigue>Stress Locations注意-不是所有的疲勞分析都需要使用 FL 命令。如果使用 FS 、FSNODE 或 FSSECT 等 命令（見下>，則疲勞節(jié)點位置是自動定義的。假使在建模時包含有足夠細(xì)的網(wǎng)格，則所計算的 應(yīng)力是準(zhǔn)確的，因此不必指定應(yīng)力集中系數(shù) SCFs ( 但是如果考慮表面影響、尺寸影響和腐蝕影響，則仍然需要指定SCFs 。在計算疲勞時如果只需要考察一個位置，則可以省略標(biāo)題假使定位明確，或是不需要應(yīng)力集中系數(shù)和標(biāo)題，則可完全不使用FL命令。在不同璧這里給出了在一個圓柱筒

11、分析中應(yīng)用FL命令的例子。整體坐標(biāo) 丫軸為旋轉(zhuǎn)軸厚交界處的外壁給出了應(yīng)力集中系數(shù) SCFs （針對軸向線性化應(yīng)力。FL,1,281,Li ne 1 at in sideFL,2,285,1.85, Li ne 1 at outsideFL,3,311,丄ine 2 at in sideFL,4,315,2.11,Line 2 at outside圖3-1圓柱筒應(yīng)力集中系數(shù)SCFs儲存應(yīng)力、指定事件循環(huán)次數(shù)和比例因子3.2.3.1 儲存應(yīng)力個事為了進行疲勞計算，程序必須知道每一個位置上不同事件和載荷時的應(yīng)力，以及每 件的循環(huán)次數(shù)。可采用下列選項來存儲每一個位置、事件和載荷組合情況下的應(yīng)力：人工儲

12、存應(yīng)力；從（Jobname.RBT文件中取得節(jié)點應(yīng)力；橫截面應(yīng)力警告：程序從不假定存在 0 應(yīng)力條件。如果一定要考慮零應(yīng)力條件，就必須在每一個事 件中明確地輸入何處產(chǎn)生零應(yīng)力。下面的命令序列，說明如何存儲應(yīng)力。在某些情況下，用戶也可以用 LCASE 命令代替 SET 命令。人工儲存應(yīng)力： FS從 Jobname.RST 中取出節(jié)點應(yīng)力： SET ， FSNODE橫截面應(yīng)力： PATH ，PPATH ，SET，F(xiàn)SSECT（ 橫截面計算也需從 Jobname.RST 的數(shù)據(jù)中取得 >可以用不同的方法在一個事件中儲存應(yīng)力。下面說明各種不同的方法。3.2.3.1.1 人工儲存應(yīng)力可以人工存儲應(yīng)

13、力和溫度 （不是直接從 Jobname.RST 的結(jié)果文件取得 >。在這種情況下， 實際并沒有將 POST1 的疲勞模塊作為后處理器，而是僅僅作為疲勞計算器使用。線單元 （如 梁單元>的應(yīng)力必須人工輸入，因為疲勞模塊不能如體元或殼元那樣從結(jié)果文件中讀取數(shù)據(jù)。命令： FSGUI ： Main Menu>General Postproc>Fatigue>-Store Stresses-Specified Val面的例子說明用上述命令輸入的方式：FS,201,1,2,1,-2.0,21.6,15.2,4.5,0.0,0.0FS,201,1,2,7,450.3在這個例子中

14、，只輸入了全應(yīng)力（16項和溫度。如果還要輸入線性化應(yīng)力，它們將緊隨 在溫度后面，即813項。注意-對只有軸向應(yīng)力的梁單元，只需輸入一個應(yīng)力分量（SX，其余各項空白3.2.3.1.2 從結(jié)果文件中提取應(yīng)力該方法把包含有 6 個分量的節(jié)點應(yīng)力向量直接儲存在結(jié)果的數(shù)據(jù)庫內(nèi)。隨后可以用 FS 命SHELL 命令。 SET 命令修正存入的應(yīng)力分量注意-在執(zhí)行 FSNODE 命令之前，必須使用 SET 命令，可能還有 令從數(shù)據(jù)庫的 Jobname.RST 文件中讀取某一特殊載荷子步下的結(jié)果， SHELL 命令可選擇從 殼單元的頂面、中面或底面讀取結(jié)果 （缺省是從頂面讀取結(jié)果 。命令： FSNODEGUI

15、：Main Menu>General Postproc>Fatigue>-Store Stresses-From rst File面給出用 FSNODE 命令在一個事件的一個節(jié)點位置輸入應(yīng)力結(jié)果的例子：SET,1 ! Defi ne data set for load step 1FSNODE,123,1,1 ! Stress vector at n ode 123 assig ned to eve nt 1, ! load ing 1.SET,2 ! Define data set for load step 2FSNODE,123,1,2 ! .event 1, load

16、ing 2SET,3 ! .load step 3FSNODE,123,1,3 ! .event 1, loading 3圖3-2 一個事件中的三個荷載323.1.3 橫截面應(yīng)力本選項計算和存儲截面路徑（它是由以前的PATH和PPATH命令定義的 >端點的線性化應(yīng) 力。因為通常線性化應(yīng)力計算是在能代表兩個表面的最短距離的線段上進行的，因此，只需在 兩個表面上各取一個點來描述 PPATH命令中的路徑。這一步驟將從計算結(jié)果的數(shù)據(jù)庫中獲得 應(yīng)力；因此必須在SET命令之前使用FSSECT命令。用FSSECT命令儲存的應(yīng)力分量可用 FS命令修正。命令：FSSECTGUI : Main Menu&g

17、t;General Postproc>Fatigue> -Store Stresses -At Cross Sect使用FSSECT命令的方法可用下述例子說明。如果節(jié)點位置沒有在FL命令中指定，則在3-3。該例子中命令FSSECT將自動給兩個路徑節(jié)點391和395設(shè)定位置編號。見圖圖3-3在執(zhí)行FSSECT命令之前由PPATH命令識別的表面節(jié)點323.2列表、顯示或刪除儲存的應(yīng)力用下列選項對儲存的應(yīng)力進行列表、繪圖或刪除。1、列出每一個位置、每一個事件、每一種載荷或每一種應(yīng)力狀態(tài)下的儲存應(yīng)力:命令：FSLISTGUI : Main Menu>General Postproc&

18、gt;Fatigue>-Store Stresses-List Stresses2、對某一位置和事件，以載荷號的函數(shù)來顯示應(yīng)力項:命令：FSPLOTGUI : Main Menu>General Postproc>Fatigue>-Store Stresses-Plot Stresses3、刪除儲存在某一位置、事件和載荷下的應(yīng)力狀態(tài):命令：FSDELEGUI : Main Menu>General Postproc>Fatigue>-Store Stresses-Dele Stresses4 、刪除某一位置上的所有應(yīng)力： 命令： FLGUI ： Mai

19、n Menu>General Postproc>Fatigue>Stress Locations5 、刪除在某一事件中各種載荷下的所有應(yīng)力：命令： FEGUI ： Main Menu>General Postproc>Fatigue>Erase Event Data3.2.3.3 設(shè)定事件重復(fù)次數(shù)和比例系數(shù)也可對該事件中構(gòu)成載荷的本選項確定事件重復(fù)次數(shù) （對該事件的所有荷載和所有位置 > 。 所有應(yīng)力施加比例系數(shù)。命令： FEGUI ： Main Menu>General Postproc>Fatigue>Assign Events下

20、面給出該步驟的一個例子：FE,1,-1 ! Erase all parameters and fatigue stresses formerly! used for event 1.FE,2,100,1.2 ！ Assign 100 occurrences to events 2, 3 and 4, *REPEAT,3,1 ! and scale by 1.2.FE,5,500 ! Assign 500 occurrences to event 5.3.2.3.4 獲得準(zhǔn)確的耗用系數(shù)結(jié)構(gòu)常常承受各種最大和最小應(yīng)力，它們發(fā)生的順序是未知的（甚至是隨機的 。因此就必須小心地考慮如何在各種可能的應(yīng)力

21、范圍內(nèi)，得到正確的重復(fù)循環(huán)次數(shù)，以獲得有效的疲勞壽 命耗用系數(shù)。ANSYS 程序自動計算所有可能的應(yīng)力范圍，同時采用我們通常所知道的“雨流”法記數(shù)，跟 蹤這些應(yīng)力發(fā)生的次數(shù)。在選定的節(jié)點位置，對所有事件進行搜索，以尋找產(chǎn)生最大應(yīng)力幅的 載荷對（應(yīng)力矢量 。記錄這些應(yīng)力幅的重復(fù)次數(shù)，同時包含這些載荷的事件的剩余重復(fù)次數(shù)隨 之減少。最終至少有一個事件在某一位置被“用光”，而屬于這一事件的其它應(yīng)力狀態(tài)，在隨后 的過程中將被忽略。這一過程一直進行著，直到所有的應(yīng)力幅及重復(fù)次數(shù)都被計及后結(jié)束。警告通常容易誤用疲勞模塊的記數(shù)功能。如果需要使疲勞計算得到正確的耗用系數(shù)，就 必須小心地設(shè)計好事件。設(shè)計事件時遵

22、循下列規(guī)則：1、了解 ANSYS 的內(nèi)部邏輯記數(shù)算法，參見 ANSYS Theory Reference § 19.5 ，詳細(xì) 地講述 ANSYS 程序如何記數(shù)。2 、因為在三維應(yīng)力狀態(tài)，很難預(yù)測哪一個載荷步具有極值應(yīng)力，因此可以對每一個事件 采用多個載荷群，以便成功獲得極值應(yīng)力 （見圖 3-2 。3 、如果在某一給定的事件中，只包含一個極值應(yīng)力，則將獲得一個較保守的結(jié)果。如果 在一個事件中，引入不止一個極值應(yīng)力，則有時將產(chǎn)生不保守的結(jié)果。如下例所示：考察一個加載歷程，由兩個稍有不同的循環(huán)構(gòu)成：載荷循環(huán)1:做500次循環(huán)，Sx = +50.0-50.1 ksi。載荷循環(huán)2 :做100

23、0次循環(huán)，Sx = +50.1-50.0 ksi 。顯然這是應(yīng)力幅為 50 Ksi 的 1500 次循環(huán)。然而，如果不小心把這些載荷劃分成兩個事 件，則將導(dǎo)致不正確的記數(shù)結(jié)果。請看該結(jié)果如何：事件 1 載荷 1： Sx = 50.0 500 次循環(huán)載荷 2 ： Sx = -50.1事件 2 載荷 1： Sx = 50.1 1000 次循環(huán)載荷 2 ： Sx = -50.0可能的應(yīng)力幅是：a 、從 E1,L1 到 E1,L2: 50.05 ksi b 、從 E1,L1 到 E2,L1: 0.05 ksic、從 E1,L1 至 U E2, L2: 50.00 ksid、從 E1,L2 至 U E2

24、,L1: 50.10 ksie、從 E1,L2 至 U E2,L 2: 0.05 ksif、從 E2,L1 至 U E2, L2: 50.05 ksi把這些應(yīng)力幅從大至小排列：d、從 E1,L2 至 U E2,L1: 50.10 ksia、從 E1,L1 至 U E1, L2: 50.05 ksif、從 E2,L1 至 U E2, L2: 50.05 ksic、從 E1,L1 至 U E2, L2: 50.00 ksib、從 E1,L1 到 E2,L1: 0.05 ksie、從 E1,L2 至 U E2,L 2: 0.05 ksi則記數(shù)將如此：d 、從 E1,L2 到 E2,L1 500 次循

25、環(huán) - E1 和 E2 用去 500 次循環(huán)a、從E1,L1到E1,L2 0次循環(huán)-E1已用光f、從E2,L1到E2,L2 500次循環(huán)-E2又用去500次循環(huán)c、從E1,L1到E2,L2 0次循環(huán)-兩個事件都用光b、從E1,L1到E2,L1 0次循環(huán)-兩個事件都用光e、從E1,L2到E2,L2 0次循環(huán)-兩個事件都用光上面記錄了 50 ksi 應(yīng)力幅的 1000 次循環(huán)，而不是已知的 1500 次循環(huán)。這個錯誤的結(jié)果是 因為不恰當(dāng)?shù)氖录M合導(dǎo)致的。假使載荷被描述為各自分離的事件 （如 E1,L1 => E1 。 E1,L2 => E2 。 E2,L1 => E3 。 E2,

26、L2 => E4> ，則將得到下列的記數(shù)范圍：d 、從 E2 到 E3 的 500 次循環(huán)，用去 500 次 循環(huán)a、從E1到E2的0次循環(huán)，因為E2 “用光”了f、從E3到E4的500次循環(huán)，E3又用去500次循環(huán)，E4用去500次循環(huán)c、從E1到E4的500次循環(huán)，E4又用去500次循環(huán)d、從E1到E3的0次循環(huán)，因為E3 “用光”了e、從E2到E4的0次循環(huán)，因為E2和E4都“用光”了。上述情況恰當(dāng)?shù)赜涗浟死鄯e疲勞損傷被，即 50 ksi 應(yīng)力幅的 1500 次循環(huán)4 、相反，對每一個最大和最小應(yīng)力條件應(yīng)用分離的事件，則將使記錄變得太保守。在這 種情況下，應(yīng)小心地選擇應(yīng)被一起

27、記數(shù)的載荷，將它們劃分為同一事件。下面的示例說明一些 事件如何才能夠包括多個極值應(yīng)力條件。考慮由兩個載荷循環(huán)組成的載荷歷程：載荷循環(huán) 1 ：從 Sx = +100.1 到 +100.0 ksi ，做 500 次循環(huán)載荷循環(huán) 2 ：從 Sx = +50.1 到 +50.0 ksi ，做 1000 次循環(huán)顯然這些循環(huán)的最不利組合為以大約 25 ksi 的應(yīng)力幅做 500 次循環(huán)。 在本例中，如果將載荷劃分為兩個事件，則產(chǎn)生了 25 ksi 范圍內(nèi)進行 500 次循環(huán)的正確記 錄。如每一個載荷作為一個獨立的事件，將產(chǎn)生一種過于保守的記錄，形成 25 ksi 應(yīng)力幅的 1000 次循環(huán)。3.2.4 激

28、活疲勞計算現(xiàn)在有了位置、應(yīng)力、事件及所有指定的材料參數(shù)，可在指定位置執(zhí)行疲勞計算。位置的 確定可用節(jié)點本身，也可用位置編號。命令： FTCALC3.2.5 查看計算結(jié)果疲勞計算結(jié)果被輸出在輸出窗口。如果你將輸出轉(zhuǎn)向 /OUTPUT 到文件中 （如 Jobname.OUT> ，就可打開該文件查看結(jié)果。命令： *LISTGUI ： Utility Menu>List>Files>Other>Jobname.OUT如果用戶已輸入 S-N 曲線，則所有部位的應(yīng)力幅 （從大到小排列 > 與相應(yīng)的事件 /載荷、使用循環(huán)次數(shù)、允許循環(huán)次數(shù)、溫度和階段耗用系數(shù)一起以表格形式輸出。隨后輸出累積壽命耗 用系數(shù)。正如前面提到的， FTCALC 輸出時，將對任一給定的應(yīng)力幅顯示相應(yīng)的事件和載荷，這些 信息能幫助分離出那些引起最大的疲勞損傷的事件與載荷。修正事件的一個方便的方法是把所有的疲勞數(shù)據(jù)寫入 Jobname.FATG 文件中 （它可以在執(zhí) 行 FTCALC 命令前或后做 > 。寫入 Jobname.FATG 文件的數(shù)據(jù)是疲勞模塊的命令流?？赏ㄟ^ 編輯 Jobname.FATG 文件（文本文件 >來修改事件，然后用 /INPUT 命令重新讀入被修改的疲勞 命令。命