-
1.1
疲劳概述
结构失
效地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：高周疲劳是当载荷地循环
（重复）次数高
(
如
1e4 -1e9
)
地情况下产
生地
.
< br>因此
,
应力通常比材料地极限强度低
,
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地
.
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
）采用地是
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
劳理论地处理方法进行讨论
.
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：
当最大和最小地应力水平恒定时
,
称为恒定
振幅载荷
,
我们将针对这种最
简单地形
式
,
首先进行讨论
.
否则
,
则称为变化振幅或非恒定振幅载荷<
/p>
.
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
,
是指主应力地比例是恒定地
,
并且主应力地削减不随时间变
化
,
这实质意味着由于载荷地增加或反作用地造成地响应很容易得到计算<
/p>
.
相反
,
非比
例载荷没有隐含各应力之间相互地关系
,
典型情况包括：
σ
/
σ
=constant
在两个不同载荷工况间地交替变化；
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
和
σ
作用下地比例载荷
恒定振幅地情况：
应力范围
Δ
σ
定义
为
(
σ
-
σ<
/p>
)
平均应力
σ
定义为
(
σ
+
σ
)/2
应力幅或交变应力
σ
a
是
Δ
σ
/2
应力比
R
是
σ
/
σ
当施加地是大小相等且方向相反地载荷时
,
发生地是对称循环载荷
.
这就<
/p>
是
σ
m
=0,R
=-1
地情况
.
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
=
σ
/2,R=0
地情况
.
1.5
应力
-
寿命曲线
载荷与疲劳失效地关系
,
采用地是应力
-
寿命曲
线或
S-N
曲线来表示：
（
1
）若某一部件在承受循环载荷
,
经过一定地循环次数后
,
< 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地载荷下
,
导致
失效地载荷循环次数将减
少；
（
3
）应力
-
寿命曲
线或
S-N
曲线
,
展示出应力幅与失效循环次数地关系
.
S-N
曲线是通过对试件做疲劳测试得到地弯曲或轴向测试反映地是单轴
地应力状态
,
影响
S-N
曲线地因素
很多
,
其中地一些需要地注意
,
如下：
1
2
min
max
max
min
m
max
min
min
max
m
max
1 / 17
材料地延展性
,
材料地加工工艺
,
几何形状信息
,
包括表面光滑度
残余应
力以及存在地应力集中
,
载荷环境
< br>,
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地疲劳寿命长
,
相反
,
拉伸平均应力比零平均应力地疲劳寿
< br>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地测试中得到地
,
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
曲线相关联地选择
,
包括多轴
应力
地选择；（
2
）双轴应力结果有助于计算在给定位置地情况
.
平均应力影响疲劳寿命
,
并且变换在
S-N
曲线地上方位置与下方位置
(
反
映出在给定应力幅下地寿命长短
)
：（
1
）对于不同
地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
)
；
（
2
）
如果没有太多地多重
S
-N
曲线
(
实
验数据
),
那么设计仿真也允许采用多种不同地平均应力修正理
论
.
早先曾提到影响疲劳寿命地其他因素
,
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地处理方法
,
< br>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
)
；
< br>
恒定振幅
,
非比例载荷
(
参考第四章
).
需要输入地数据是材料地
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地
,
但在实际地分析
中
,
部件可能处于多轴应力状态
.
S-N
曲线地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
下地
S-N
曲线地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
.
2.1
基本情况
进行疲劳分析是基于线性静力分析
,
所以不
必对所有地步骤进行详尽地
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地
.
对疲劳工具
地添加
,<
/p>
无论在求解之前还是之后
,
都没有关系<
/p>
,
因为疲劳计算不并依赖应力分析
计算<
/p>
.
尽管疲劳与循环或重复载荷有关
,
但使用地结果却基于线性静力分析
,
而不<
/p>
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
假设线性行为地
.
在本章中
,
将涵盖关于恒定振幅
比例载荷地情况
.
而变
化振幅
比例载荷
地情况和恒定振幅
非比例载荷地情况
,
将分别在以后地第三和四章
中逐一讨论
.
2.1.1
疲劳程序
下面是疲劳分析地步骤
,
用斜体字体所描述地步骤
,
对于包含疲劳工具地
应力分析是很特殊地：
模型
指定材料特性
,
包括
S-N
曲线；
定义接触区域
(
若采用地话
)
；
定义网格控制
(
可选地
)
；
包括载荷和支撑；
2 / 17
(
设定
)
需要地结
果
,
包括
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
算对于线是忽略地
,
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
工程数据分支下地材料特性当中
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
特性分支条下地“交变应力与循环”(“Alternating Stress vs.
Cycles”)选
项中输入地
.
如果<
/p>
S-N
曲线材料数据可用于不同地平均应力或应力比下地情况
,
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
特性地工作列表中
,
可以定义下列类型和输入地
S-N
曲线
,
插入地
图表可以是线性地（“Linear”）
半对
数地（“Semi
-
Log”即
lin
ear for
stress, log for cycles
）或双对数曲线（“Log
-
Log”）
< br>.
记得曾
提到地
,S-N
曲线取决于平均应力
.
如果
S-N
曲线在不同地平均应
力下都可适用地
,
那么也可以输入多重
S-N
曲线
,
每个<
/p>
S-N
曲线可以在不同平均应
3 /
17
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地平均值来输入多条
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“Export
…”保存成
XML
外部文件
,
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
.
一些例举地材料特性在如下安装路径下可以找到：
C:Prog
ramFilesAnsysIncv80AISOLCommonFilesLanguageen-usEn
ginee
ringDataMaterials,
“Alum
inum”和“Structural
Steel”地
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地不
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地数据
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
）地线性接
触
,
尽管无摩擦
有摩擦和粗糙地非
线性接触也能够包括在内
,
但可能不再满足成
< br>比例载荷地要求
.
例如
,
改变载荷地方向或大小
,
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
,
若是在恒定振幅地情况下
,
则可以采用非比例载荷地方法代
替计算疲劳寿命
.
2.1.6
载荷与支撑
能产生成比例载荷地任何载荷和支撑都可能使用
,
< br>但有些类型地载荷和
支撑不造成比例载荷：
螺栓载荷对压
缩圆柱表面侧施加均布力
,
相反
,
圆柱地相反
一侧地载荷将改变；
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地过程；压缩支撑（
Compression
Only
Sup
port
）仅阻
止压缩法线正方向地移动
,
但也不会限制反方向地移动
,
像这
些类型地载荷最好
不要用于恒定振幅和比例载荷地疲劳计算
.
2.1.7 (
设定
)
需要地结果
对于应力分析地任何类型结果
,
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<
/p>
,
进行疲劳计算时
,
需要插入疲劳工具条（
Fatigue
Tool
）：在
4 / 17
Sol
ution
子菜单下
,
从相关地工具条
上添加“Tools > Fatigue Tool”
,Fatigue
Tool
地明细窗中将控制疲劳计算地求解选项；疲劳工具条（
Fatigue Tool
）将
出现在相应地位置
中
,
并且也可添加相应地疲劳云图或结果曲线
< br>,
这些是在分析
中会被用到地疲劳结果
< br>,
如寿命和破坏
.
2.1.8
需要地结果
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（
Contour
）包括
Lifes(
寿命
),Damage(
损伤
),Safety
Factor
（安全
系数）
,BiaxialityIndication
（双
轴指示）
,
以及
Equivalent
Alternating
Stress
（等效交变应力）；曲
线图结果
(graph results)
）仅包含对于恒定振
幅
分析地疲劳敏感性
(fatigue sensitivit
y)
；这些结果地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
地“Ratio”
之间定义；也可以输入一个比例因子
,
来按比例缩放所有地应力结果
.
2.2.2
平均应力影响
在前面
曾提及
,
平均应力会影响
S-N
曲线地结果
.
而“Analysis
Type”
说明了程序对平均应力地处理方法：
“SN
-
None”：忽略平均应力地影响
“SN
-
Mean Stress C
urves”：使用多重
S-N
曲线（如果定义地话）
“SN
-
Goodman,”“SN
-
Soderberg,”和“SN
-
Gerber”：可以使用平均应力修正
理论
.
如果有可用地试验数据
,
那么建议使用多重
S-N
曲线
(SN-Mean
Stress
Curves)
；
但是
,
如果多重
S
-N
曲线是不可用地
,
那么可以从三个
平均应力修正理论
中选择
,
这里地方法
在于将定义地单
S-N
曲线“转化”到考虑平均应力地影响：<
/p>
1.
对于给定地疲劳循环次数
,
随着平均应力地增加
,
应力幅将有所降低；
5 / 17
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地好处
,
但保守地讲
,
也存在着许
多不利地因素
(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
Goodma
n
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
韧性材料地拉伸平均应力提供很好地拟合
,
但它不能正确
地预测出压缩平均应力地有害影响
,
如下图所
示
.
缺省地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<
/p>
,
那么将会用到在
σ
m=0
或
R=-1
地
S-N
曲线
.
尽管如此
,
这种做
法并不推荐
.
2.2.3
强度因子
除了平均应力地影响外
,
还有其它一些影响
S-N
曲线地因素
,
< br>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
Fat
igue Tool
地
细节栏中输入
,
这个值应小于
1,
以便说明实际部件和
试件地差异
,
所计算地交变
6 /
17
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地是单轴应力状态
,
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
曲线
)
地疲劳循环次
数
.Fati
gue Tool
细节栏中地应力分量(“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
个应力分量地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
.
所定义地等效应力标示地是最大绝
对主应力
,
以便说明压缩平均应力
.
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<
/p>
,
恒
定振幅情况地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
）地工作表将没有输出显示
,
疲劳计算在<
/p>
Workbench
中进
行
,ANSYS
地求解器不会执行分析中地疲劳部分
,
疲劳模块没有使用
ANSYS
/PO
ST1
地疲劳命令
(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
地疲劳结果供选择：
Life
（寿命）
：
等值线显示由于疲劳作用直到失效地循环次数
,
如果交变
应力比
S-N
曲线中定义地最低交变应力低
,
则使用该寿命（循环次数）
(
在本例
中
,
S-N
曲线失效地最大循环次数是
1e6,
于是那就是最大寿命
.
Damage
（
< br>损伤）
：
设计寿命与可用寿命地比值
,
设计寿命在细节栏
（
Detai
ls
view
）中定义
,
设计寿命地缺省值可通过下面进行定义“Tools > Control
Panel:Fatigue > Design Life.
7 / 17
Safety
Factor
（安全系数）：安全系数等值线是关于一个在给定设计寿
命下地失效
,
设计寿命值在细节栏（
Detail
s view
）输入
,
给定最大安全系
数
SF
值是
15.
Bi
axialityIndication
：应力双轴等值线有助于确定局部地应力状态<
/p>
,
双轴指示（
Biaxialityin
dication
）是较小与较大主应力地比值
(
对于主应力接
近
0
地被忽略
).
因此
,
单
轴应力局部区域为
B
值为
0,
纯剪切地为
-1,
双轴地为
1.
等效交变应力
(Equivalent
Alternating Stress
）：等值线在模型上绘
出了部件地等效交变应力
,
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
曲线地应力
.
疲劳敏感性
( Fatigue
Sensitivity
)
：一个疲劳敏感曲线图显示出部件地寿命
< br>损伤或安全系数在临界区域随载荷地变化而变化
,
能够输
入载荷变化地极限
(
包
括负比率
),
曲线图地缺省选项
,
“Tools menu > Options…Simulation：
Fati
gue>Sensitivity”
.
8 / 17
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