-
细解
Ansys
疲劳寿命分析
< br>
2013-08-29 17:16
by:
有限元
来源
< br>:
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 Des
ignSpacelicenses
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
.
–
p>
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
p>
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
(
str
ess-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
< br>.
…
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
.
–<
/p>
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
< br>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)
–<
/p>
平均应力
σm
定义为
(σmax+σmin)/2
–
应力幅或交变应力
σa
是
Δσ/2
p>
–
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
,
p>
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<
/p>
-
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
p>
:
–
若某一部件在承受循环载荷
,
p>
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
–<
/p>
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<
/p>
-
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
< br>-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
–
< br>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
?<
/p>
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
,<
/p>
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<
/p>
(
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
,
p>
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
(<
/p>
参考
D
节
) <
/p>
?
需要输入的数据是材料的
S-N
曲线
:
–
S-N<
/p>
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
< br>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
–<
/p>
指定材料特性
,
包括
S-N
曲线
–
< br>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
< br>–
(
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),<
/p>
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
.
< br>?
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<
/p>
“
交变应力与循环
”(“Alterna
ting Stress vs.
Cycles”)
选项中输入的
?<
/p>
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
< br>(
“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<
/p>
曲
线
.
?
p>
材料特性信息可以保存
XML
文件或从
p>
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
–<
/p>
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
FilesAnsysIncv80AISOLCommonFilesLanguageen-
usEngineeringDataMaterials
–
“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
<
/p>
–
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(<
/p>
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
p>
?
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
: <
/p>
–
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
p>
…(
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
< br>)
?
另外,
进行疲劳计算时,<
/p>
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
(
Contou
r
)
包括
Lifes(
寿命
),
Damage(
损伤
), Safety
Factor
(
安全系数)
,
BiaxialityIndication
(双轴指示)
,
以及
Equivalent Alternating Str
ess
(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)
p>
–
这些结果的详细分析
将只做简短讨论
p>
…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
< br>-
Based”
、
“Fully
Reversed”
和给定的
“Ratio”
< br>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
< br>–
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
p>
曲线(如果定义的话)
?“SN
-
Goodman,”“SN
-
Soderber
g,”
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
(S
N-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<
/p>
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
(sca
ling=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
,
< br>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
K
f
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<
/p>
曲线
)
的疲劳循环次数
< br>.
–
Fatigue
Tool
细节栏中的应力分量
(“Stress Compon
ent”)
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
< br>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
.