细解Ansys疲劳寿命分析概要

2021年2月12日发(作者：上香)

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

.

–

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

（

str ess-based

）理论，它适用于高周疲劳

.

< p>
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

,

< p>
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

< p>
?

非线性边界条件

…

应力定义

?

考虑在最大最小应力值

< p>
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

–

应力比

R

是

σmin/ σmax

< p>
–

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< /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

:

–

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

–< /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

< p>
(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

< p>
,

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

,

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

< p>
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

< p>
?

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

< p>
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

.

?

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

–< /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

?

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

< p>
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

< 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)

–

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

< 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

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

< p>
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

.