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疲劳分析指南
ANSYSWORKBENCH
疲劳分析指南
发表时间：
2009-2-19
作者
:
安世亚太
来源
: e-works
关键字
: CAE ansys Workbench
疲劳分析
第一章
简介
1.1
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
< br>）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-base
d
）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（
stress-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。
1.2
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。
否则，则称为变化振幅或非恒定振幅载荷。
1.3
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：
σ
1
/σ
2
=constant
在两个不同载荷工况间的交替变化；
交变载荷叠加在静载荷上；
非线性边界条件。
1.4
应力定义
考虑在最大最小应力值
σ
min
和
σ
max
作用下的比例载荷、
恒定振幅的情况：
应力范围
Δσ
定义为(σ
max
-
σ
min
)
平均应力
σ
m
定义为(σ
max
+
σ
min
)/2
应力幅或交变应力
σa
是
< br>Δσ/2
应力比
R
是
σ
min
/
σ
max
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
σ
m
=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
σ
m
=
σ
max
/2
，
R=0
的情况。
1.5
应力
-
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：
1
/
19
疲劳分析指南
（
1
）若某一部件在承受循环载荷
,
经过一定的循环次数后
,
< br>该部件裂纹
或破坏将会发展，而且有可能导致失效；
（
2
）如果同个部件作用在更高的载荷下<
/p>
,
导致失效的载荷循环次数将减
少；
（
3
）应力
-
寿命曲线或
S-N
< br>曲线
,
展示出应力幅与失效循环次数的关系。
S-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，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，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，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：（
1
）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；（
2
）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
)
：（
1
）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
(<
/p>
实验数据
)
；（
2
）如果没有太多的多重
S-N
曲线<
/p>
(
实
验数据
)<
/p>
，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。
1.6
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
(
参考第二章
)
；
变化振幅，比例载荷
(
参考第三章
)
；
恒定振幅，非比例载荷
(
参考第四章
)
。
需要输入的数据是材料的
S-N
曲线：
S-N
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。
第二章
疲劳程序
2.1
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。
在本章中，将涵盖关于恒定振幅、比例载荷的情况。而变化振幅、比例
2
/
19
疲劳分析指南
载荷的情况和恒定振幅
、
非比例载荷的情况，
将分别在以后的第三和四章中逐一
讨论。
2.1.1
疲劳程序
下面是疲劳分析的步骤，用斜体字
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
指定材料特性，包括
S-N
曲线；
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；
(
设定
)
需要的结果，包括
< br>Fatigue tool
；
求解模型；
查看结果。
在几何
方面，
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。
2.1.2
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),
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。
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
Pr
operties”)下会说明；
S-N
曲线数据是在材料
特性分支条下的“交变应力与循环”(“Alternating Stress vs.
Cycles”)选
项中输入的。
如果<
/p>
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。
2.1.3
疲劳材料特性
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
3
/
19
疲劳分析指南
图表可以是线性的
（“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
曲线。
2.1.4
疲劳特征曲线
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
“E
xport
…”保存成
XML
外部文
件
，疲劳材料
特性将自动写到
XML<
/p>
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:ProgramFilesAnsysI
ncv80AISOLCommonFilesLanguageen-usEnginee
ringDataMaterials
，“Aluminum”和“Structu
ral
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
2.1.5
接触区域
接触区域可以包括在疲劳分析中，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
（
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。
4
/
19
疲劳分析指南
2.1.6
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，
< br>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 Sup
port
）
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。
2.1.7 (
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
）。
另外，进行疲劳计算时，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
Too
l
的明细窗中将控制疲劳计算的求解选项；疲劳工具条（
Fat
igue 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。
2.1.8
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（
Con
tour
）包括
Lifes(
寿命
)
，
Damage(
损伤
)
，
Safety
Factor
（安
全系数），
BiaxialityIndication
（双轴指示），以及
< br>Equivalent
Alternating
St
ress
（等效交变应力）；曲线图结果
(graph res
ults)
）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。
2.2
Fatigue Tool
2.2.1
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
< br>说明：
载荷类型可以在“Zero
-
Based”、
“Fully
Reversed”和给定
的“Ratio”
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。
2.2.2
平均应力影响
5
/
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疲劳分析指南
在前面
曾提及，
平均应力会影响
S-N
曲线的
结果
.
而“Analysis
Ty
pe”
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 C
urves”：使用多重
S-N
曲线（如果定义的话）
“SN
-
Goodman,”“SN
-
Soderberg,”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
< br>曲线
(SN-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
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
(scaling=1=constant)
。
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，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，如下
图所示。
6
/
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疲劳分析指南
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。
2.2.3
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
Kf
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。
2.2.4
应力分析
在第一章中，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<
/p>
(S-N
曲线
)
的疲劳循环次数。
Fatigue
Tool
细节栏中的应力分量(“Stress Component”)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。
7
/
19
疲劳分析指南
2.3
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
Solution
或
Fatigue
Tool
分支并点击
Solve
，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，疲劳模块没有使用
ANSYS
/POST1
的疲劳命令
(FSxxxx, FTxxxx)
。
2.4
查看疲劳结果
对于恒定振幅和比例载荷情况，有几种类型的疲劳结果供选择：
Li
fe
（寿命）：等值线显示由于疲劳作用直到失效的循环次数，如果交
< br>变应力比
S-N
曲线中定义的最低交变应力低，则使用该
寿命（循环次数）
(
在本
例中，
S-N
曲线失效的最大循环次数是
1e6
，于是那就是最大寿命。
Damage
< br>（
损伤）
：
设计寿命与可用寿命
的比值，
设计寿命在细节栏
（
Deta
ils
view
）中定义，设计寿命的缺省值可通过下面进行
定义“Tools > Control
Panel:Fatigue >
Design Life
。
Safety
Factor
（安全系数）：安全系数等值线是关于一个在给定设计寿
命下的失效，设计寿命值在细节栏（
Details view
）输入，给定最大安全系数
SF
值是
15
。
BiaxialityIndi
cation
：应力双轴等值线有助于确定局部的应力状态，
双
轴指示（
Biaxialityindication
）是较小
与较大主应力的比值
(
对于主应力接
近
0
的被忽略
)
。因此，单轴应力局部区域为
B
值为
0
，纯剪切的为
-1
，双轴的
为
1
。
8
/
19
疲劳分析指南
等效交变应力
(Equivalent
Alternating Stress
）：等值线在模型上绘
出了部件的等效交变应力，
它是基于所选择应力类型，
在考虑了
载荷类型和平均
应力影响后，用于询问（
query
）
S-N
曲线的应力。
疲劳敏感性
(
Fatigue
Sensitivity
)
：一个疲
劳敏感曲线图显示出部件的寿命、
损伤或安全系数在临界区域随载荷的变化而变化，能够
输入载荷变化的极限
(
包
括负比率
)
，曲线图的缺省选项，“Tools menu > Optio
ns…Simulation：
Fatigue>Sensitivity”。
任何疲劳选项的范围可以是选定的部件（
parts
）和
/
或部件的表面，
收
敛性可用于等值线结果。
收敛和警告对疲劳敏感性图是无效的
，
因为这些图提供
关于载荷的敏感性
(
例如，没有为了收敛目的而指定的标量选项
)
< br>。
疲劳工具也可以与求解组合一起使
用，在求解组合中，多重环境可能被
组合。疲劳计算将基于不同环境的线性组合的结果。
2.5
总结
9
/
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