附录10 疲劳分析

1、Workbench-Simulation Introduction 11.010/10/2008 2008 ANSYS, Inc. All rights reserved.Workbench 11.0ANSYS, Inc. ProprietaryInventory #002591A10-1附录附录10疲劳分析疲劳分析10/10/2008 2008 ANSYS, Inc. All rights reserved.Inventory #002591A10-2Workbench-Simulation IntroductionANSYS, Inc. ProprietaryTraining Manual

2、Appendix 10本章概述本章概述 本章将介绍疲劳模块拓展功能的使用本章将介绍疲劳模块拓展功能的使用: 使用者要先学习第使用者要先学习第4章线性静态结构分析章线性静态结构分析. 在这部分中将包括以下内容在这部分中将包括以下内容: 疲劳概述疲劳概述 恒定幅值下的通用疲劳程序，恒定幅值下的通用疲劳程序，载荷情况载荷情况 变幅值下的疲劳程序变幅值下的疲劳程序,载荷情况载荷情况 恒定幅值下的疲劳程序，恒定幅值下的疲劳程序，非非载荷情况载荷情况 上述功能适用于上述功能适用于 ANSYS DesignSpace licenses和附带和附带 疲劳模块疲劳模块 的更高级的更高级的的licenses.10

3、/10/2008 2008 ANSYS, Inc. All rights reserved.Inventory #002591A10-3Workbench-Simulation IntroductionANSYS, Inc. ProprietaryTraining ManualAppendix 10A. 疲劳概述疲劳概述 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 疲劳通常分为两类疲劳通常分为两类:高周疲劳高周疲劳是当载荷的循环（重复）次数较高是当载荷的循环（重复）次数较高 (如如 1e4 - 1e9)的情况下产生的的情况下产生

4、的. 因因此，应力通常比材料的极限强度低此，应力通常比材料的极限强度低. 应力疲劳（应力疲劳（Stress-based ）用于高周疲劳用于高周疲劳.低周疲劳低周疲劳是在循环次数相对较低时发生的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，解释。塑性变形常常伴随低周疲劳，解释了短疲劳寿命现象。一般认为应变疲劳了短疲劳寿命现象。一般认为应变疲劳（strain-based ）应该用于低周疲劳计）应该用于低周疲劳计算算 . 在设计仿真中，疲劳模块拓展程序在设计仿真中，疲劳模块拓展程序（ Fatigue Module add-on） 采用的是采用的是基于应力疲劳基于应力疲劳（stress-b

5、ased）理论，它适用于高周疲劳。接下来，我们理论，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将对基于应力疲劳理论的处理方法进行讨论.10/10/2008 2008 ANSYS, Inc. All rights reserved.Inventory #002591A10-4Workbench-Simulation IntroductionANSYS, Inc. ProprietaryTraining ManualAppendix 10 恒定振幅载荷恒定振幅载荷 前面曾提到，疲劳是由于交变荷载引起前面曾提到，疲劳是由于交变荷载引起: 当最大和最小的应力水平恒定时当最大和

6、最小的应力水平恒定时, 称为恒定振称为恒定振幅载荷幅载荷. 我们将针对这种最简单的形式，首我们将针对这种最简单的形式，首先进行讨论先进行讨论. 否则，则称为变化振幅或非恒定振幅载荷否则，则称为变化振幅或非恒定振幅载荷 (本章之后将给予讨论本章之后将给予讨论).10/10/2008 2008 ANSYS, Inc. All rights reserved.Inventory #002591A10-5Workbench-Simulation IntroductionANSYS, Inc. ProprietaryTraining ManualAppendix 10 成比例载荷成比例载荷 载荷可以是比

7、例载荷载荷可以是比例载荷, 也可以非比例载荷也可以非比例载荷: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，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。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成的响应很容易得到计算. 相反，非比例载荷指各应力之间不存在确定的关系，典型情相反，非比例载荷指各应力之间不存在确定的关系，典型情况包括况包括: 在两个不同载荷工况间的交替变化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交变载荷叠加在静载荷上 非线性边界条件非线性边界条件constant1210/

8、10/2008 2008 ANSYS, Inc. All rights reserved.Inventory #002591A10-6Workbench-Simulation IntroductionANSYS, Inc. ProprietaryTraining ManualAppendix 10 应力定义应力定义 考虑在最大最小应力值考虑在最大最小应力值 min 和和 max作用下的比例载荷、恒定振幅的情况作用下的比例载荷、恒定振幅的情况: 应力范围应力范围 DD 定义为定义为 ( max- min) 平均应力平均应力 m 定义为定义为 ( max+ min)/2 应力幅或交变应力应力幅或交

9、变应力 a是是DD/2 应力比应力比 R 是是 min/ 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. 这就是这就是 m = 0 ,R = -1的情况的情况.当施加载荷后又撤除该载荷，将发生脉动循环载荷当施加载荷后又撤除该载荷，将发生脉动循环载荷. 这就是这就是 m = max/2 , R = 0的情况的情况. max min10/10/2008 2008 ANSYS, Inc. All rights reserved.Inventory #002591A10-7Workbench-Simulation Intro

10、ductionANSYS, Inc. ProprietaryTraining ManualAppendix 10 小结小结 疲劳模块（附加）允许用户进行疲劳模块（附加）允许用户进行:基于应力基于应力-寿命的高周疲劳寿命的高周疲劳基于应变基于应变-寿命的低周疲劳寿命的低周疲劳 以下情况可以用疲劳模块处理以下情况可以用疲劳模块处理: 应力应力-寿命方法寿命方法: 恒定振幅恒定振幅,比例载荷比例载荷(参考参考 B节节) 变化振幅变化振幅,比例载荷比例载荷(参考参考 C节节) 恒定振幅恒定振幅,非比例载荷非比例载荷(参考参考 D节节) 应变应变-寿命寿命 方法方法: 恒定振幅恒定振幅, 比例加载比例加

11、载 (参考参考 E节节)Workbench-Simulation Introduction 11.010/10/2008 2008 ANSYS, Inc. All rights reserved.Workbench 11.0ANSYS, Inc. ProprietaryInventory #002591A10-8基于应力的方法基于应力的方法10/10/2008 2008 ANSYS, Inc. All rights reserved.Inventory #002591A10-9Workbench-Simulation IntroductionANSYS, Inc. ProprietaryTra

12、ining ManualAppendix 10B. 疲劳程序疲劳程序 (基本情况基本情况) 进行疲劳分析是基于线性静力分析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，因为疲劳计算过程与应对疲劳工具的添加，无论在求解之前还是之后，都没有关系，因为疲劳计算过程与应力分析计算是相互独立的力分析计算是相互独立的. 尽管疲劳与循环或交变载荷有关，但使用的结果却基于线性静力分析，而不是

13、谐分析尽管疲劳与循环或交变载荷有关，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。为的。 在本节中，将涵盖关于恒定振幅在本节中，将涵盖关于恒定振幅-比例载荷的情况比例载荷的情况. 而变化振幅而变化振幅-比例载荷的情况比例载荷的情况和恒定振幅和恒定振幅-非比例载荷的情况，将分别在以后的非比例载荷的情况，将分别在以后的C 和和 D节中逐一讨论节中逐一讨论.10/10/2008 2008 ANSYS, Inc. All rights reserved

14、.Inventory #002591A10-10Workbench-Simulation IntroductionANSYS, Inc. ProprietaryTraining ManualAppendix 10 疲劳程序疲劳程序 下面青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下面青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: 模型模型指定材料特性指定材料特性,包括包括S-N曲线曲线 定义接触区域定义接触区域 (若采用的话若采用的话) 定义网格控制定义网格控制 (可选的可选的) 包括载荷和支撑包括载荷和支撑 (设定设定)需要的结果，包括需要的结果，包括Fa

15、tigue tool 求解模型求解模型 查看结果查看结果10/10/2008 2008 ANSYS, Inc. All rights reserved.Inventory #002591A10-11Workbench-Simulation IntroductionANSYS, Inc. ProprietaryTraining ManualAppendix 10 几何几何 疲劳计算只支持体和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体是忽略的线模型目前还不能输出应力结果，所以疲劳计算对于线体是忽略的. 线体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

16、模型线体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 10/10/2008 2008 ANSYS, Inc. All rights reserved.Inventory #002591A10-12Workbench-Simulation IntroductionANSYS, Inc. ProprietaryTraining ManualAppendix 10 材料特性材料特性 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

17、数和热传导率如果有热载荷，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，那么就需要输入应力极限数据，而且这个数据也用于疲劳分析中的平均应力修正。而且这个数据也用于疲劳分析中的平均应力修正。 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曲线数据曲线数据 数据类型在数据类型在“疲劳特性疲劳特性” (“Fatigue Properties”)下会说明下会说明 S-N曲线数据是在材料特性分支条下的曲线数据是在材料特性分支条下的 “交变应力交变应

18、力-循环循环” (“Alternating Stress vs. Cycles” )选项中输入的选项中输入的 如果用于不同的平均应力或应力比下的情况，需要输入多重如果用于不同的平均应力或应力比下的情况，需要输入多重S-N曲线数据到程序曲线数据到程序 10/10/2008 2008 ANSYS, Inc. All rights reserved.Inventory #002591A10-13Workbench-Simulation IntroductionANSYS, Inc. ProprietaryTraining ManualAppendix 10 应力应力-寿命曲线寿命曲线 载荷与疲劳失效

19、的关系，采用的是应力载荷与疲劳失效的关系，采用的是应力-寿命曲线或寿命曲线或S-N曲线来表示曲线来表示: 若某一部件承受循环载荷若某一部件承受循环载荷, 经过一定的循环次数后，该部件由于断裂或者损伤而经过一定的循环次数后，该部件由于断裂或者损伤而发生失效发生失效 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 应力应力-寿命曲线或寿命曲线或S-N曲线展示了应力幅与失效循环次数的关系曲线展示了应力幅与失效循环次数的关系Linear PlotLogarithmic PlotThe same data is shown her

20、e with both a linear and logarithmic plot. Because of the nature of the data, it is often easier to use a logarithmic plot to view the S-N curve.10/10/2008 2008 ANSYS, Inc. All rights reserved.Inventory #002591A10-14Workbench-Simulation IntroductionANSYS, Inc. ProprietaryTraining ManualAppendix 10 应

21、力应力-寿命曲线寿命曲线 S-N曲线是通过对试件做疲劳测试得到的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弯曲或轴向测试反映的是单轴的应力状态 影响影响S-N 曲线的因素很多，其中一些需要注意，如下曲线的因素很多，其中一些需要注意，如下: 材料的延展性材料的延展性, 材料的加工工艺材料的加工工艺 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例如：压

22、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曲线曲线.10/10/2008 2008 ANSYS, Inc. All rights reserved.Inventory #002591A10-15Workbench-Simulation IntroductionANSYS, Inc. ProprietaryTraining ManualAppendix 10 应力应力-寿命曲线寿命曲线 因此，记住以下几点因此，记住以下几点: 一个部件通常经受多轴应力

23、状态。如果疲劳数据一个部件通常经受多轴应力状态。如果疲劳数据(S-N 曲线曲线)是从反映单轴应力状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设计仿真为用户提供了如何把S-N 曲线结果向多轴应力修正曲线结果向多轴应力修正双轴应力结果有助于计算在给定位置的情况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，并且变换在平均应力影响疲劳寿命，并且变换在S-N曲线的上下移动曲线的上下移动 (反映出在给定应力幅反映出在给定应力幅下的寿命长短下的寿命长短) 对于不同的平均应力或应力比值，仿真允许输入多重对于

24、不同的平均应力或应力比值，仿真允许输入多重S-N曲线曲线(实验数据实验数据) 如果没有太多的多重如果没有太多的多重S-N曲线曲线(实验数据实验数据)，那么仿真也允许采用多种不同的平均应力修，那么仿真也允许采用多种不同的平均应力修正理论正理论 早先曾提到影响疲劳寿命的其他因素，也可以在仿真中用一个修正因子加以考早先曾提到影响疲劳寿命的其他因素，也可以在仿真中用一个修正因子加以考虑虑10/10/2008 2008 ANSYS, Inc. All rights reserved.Inventory #002591A10-16Workbench-Simulation IntroductionANSYS

25、, Inc. ProprietaryTraining ManualAppendix 10 疲劳材料属性疲劳材料属性 增加或者移除疲劳材料属性增加或者移除疲劳材料属性:10/10/2008 2008 ANSYS, Inc. All rights reserved.Inventory #002591A10-17Workbench-Simulation IntroductionANSYS, Inc. ProprietaryTraining ManualAppendix 10 疲劳材料特性疲劳材料特性 在材料特性的工作列表中，可以定义下列输入类型的在材料特性的工作列表中，可以定义下列输入类型的S-N曲

26、线曲线 插入的图表可以是线性的（插入的图表可以是线性的（“Linear”） 、半对数的（、半对数的（“Semi-Log”即即linear for stress, log for cycles）或双对数曲线（或双对数曲线（ “Log-Log”） 前面提到，前面提到，S-N曲线与平均应力有关。如果曲线与平均应力有关。如果S-N曲线用于不同的平均应力情况，曲线用于不同的平均应力情况，需要输入多重需要输入多重S-N曲线曲线 每个每个S-N曲线可以在不同平均应力下直接输入曲线可以在不同平均应力下直接输入 每个每个S-N曲线也可以在不同应力比下输入曲线也可以在不同应力比下输入10/10/2008 2008

27、 ANSYS, Inc. All rights reserved.Inventory #002591A10-18Workbench-Simulation IntroductionANSYS, Inc. ProprietaryTraining ManualAppendix 10 疲劳材料属性疲劳材料属性 多重多重 S-N 曲线可以通过右键点击曲线可以通过右键点击“Mean Value”栏添加，并指定相应的平均栏添加，并指定相应的平均应力数值。应力数值。 每个平均应力对应一个交变应力数表每个平均应力对应一个交变应力数表10/10/2008 2008 ANSYS, Inc. All rights r

28、eserved.Inventory #002591A10-19Workbench-Simulation IntroductionANSYS, Inc. ProprietaryTraining ManualAppendix 10 疲劳特性曲线疲劳特性曲线 材料特性信息可以保存材料特性信息可以保存XML文件或从文件或从XML文件提取文件提取 保存材料数据文件，在保存材料数据文件，在material 条上按右键，然后用条上按右键，然后用“Export ” 保存成保存成XML外部文件外部文件 疲劳材料特性将自动写到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。文件中，就像其他材料数据一样。

29、 一些列举的材料特性在如下安装路径下可以找到一些列举的材料特性在如下安装路径下可以找到:C:Program FilesAnsys Incv110AISOLCommonFilesLanguageen-usEngineeringDataMaterials “Aluminum” 和和 “Structural Steel” 的的XML 文件，包含有范例疲劳数据文件，包含有范例疲劳数据可以作为参考可以作为参考 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，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用户要选用能代表自己部件疲劳性

30、能的数据10/10/2008 2008 ANSYS, Inc. All rights reserved.Inventory #002591A10-20Workbench-Simulation IntroductionANSYS, Inc. ProprietaryTraining ManualAppendix 10 接触区域接触区域 接触区域可以包括在疲劳分析中接触区域可以包括在疲劳分析中 注意，对于在恒定振幅注意，对于在恒定振幅-比例载荷情况下处理疲劳时，只能包含绑定（比例载荷情况下处理疲劳时，只能包含绑定（Bonded）和不分离（和不分离（No-Separation）的线性接触的线性接触 尽

31、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，但可能不再满足比例载荷的要求足比例载荷的要求 例如，如果发生分离，载荷方向或大小的改变可能导致主应力轴向发生改变例如，如果发生分离，载荷方向或大小的改变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，若是在恒定幅值的情况下，则可以采用非比例载荷的方法代对于非线性接触，若是在恒定幅值的情况下，则可以采用非比例载荷的方法代替计算疲劳寿命替计算疲劳寿命10/10/2008 200

32、8 ANSYS, Inc. All rights reserved.Inventory #002591A10-21Workbench-Simulation IntroductionANSYS, Inc. ProprietaryTraining ManualAppendix 10 载荷与支撑载荷与支撑 能产生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能产生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能形成比例载荷能形成比例载荷:螺栓载荷螺栓载荷 对压缩圆柱表面一侧施加均布力，相反一侧的载荷将改变对压缩圆柱表面一侧施加均布力，相反一侧的载荷将改变预紧螺栓载荷预紧螺

33、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荷步作用的过程压缩支撑压缩支撑（Compression Only Support）仅阻止压缩法线正方向的移动仅阻止压缩法线正方向的移动，但但不会限制反方向的移动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像这些类型的载荷最好不要用于恒定振幅-比例载荷的疲劳计算比例载荷的疲劳计算10/10/2008 2008 ANSYS, Inc. All rights reserved.Inventory #002591A10-22Workbench-Simula

34、tion IntroductionANSYS, Inc. ProprietaryTraining ManualAppendix 10设定结果设定结果 对于应力分析的任何类型结果，都可能需要用到：对于应力分析的任何类型结果，都可能需要用到： 应力、应变和变形应力、应变和变形 接触结果接触结果 (如果版本支持如果版本支持)应力工具（应力工具（Stress Tool） 另外，进行疲劳计算时，需要插入疲劳工具条（另外，进行疲劳计算时，需要插入疲劳工具条（Fatigue Tool ） 在在Solution子菜单下，从相关的工具条上添加子菜单下，从相关的工具条上添加“Tools Fatigue Tool”

35、 Fatigue Tool 的明细窗中将控制疲劳计算的求解选项的明细窗中将控制疲劳计算的求解选项 疲劳工具条（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，如寿命和损伤这些是在分析中会被用到的疲劳结果，如寿命和损伤10/10/2008 2008 ANSYS, Inc. All rights reserved.Inventory #002591A10-23Workbench-Simulation IntroductionANSYS, Inc. Prop

36、rietaryTraining ManualAppendix 10 设定结果设定结果 在疲劳设置完成后，需要在在疲劳设置完成后，需要在Fatigue Tool分之下设定疲劳结果分之下设定疲劳结果 云图结果包括：疲劳寿命、损伤、安全因子、双轴指示和等效交变应力云图结果包括：疲劳寿命、损伤、安全因子、双轴指示和等效交变应力 图标结果只涉及等幅值分析中的疲劳敏感度图标结果只涉及等幅值分析中的疲劳敏感度 上述结果会在后面陆续介绍上述结果会在后面陆续介绍10/10/2008 2008 ANSYS, Inc. All rights reserved.Inventory #002591A10-24Workb

37、ench-Simulation IntroductionANSYS, Inc. ProprietaryTraining ManualAppendix 10载荷类型载荷类型 当当Fatigue Tool在求解子菜单下插入以后，就可以在细节栏中进行疲劳设置在求解子菜单下插入以后，就可以在细节栏中进行疲劳设置 载荷类型可以在载荷类型可以在“Zero-Based” 、“Fully Reversed” 和给定和给定“Ratio”之间定义之间定义 也可以输入一个比例因子，按比例缩放所有的应力结果也可以输入一个比例因子，按比例缩放所有的应力结果从从A章节知道章节知道 Ratio=0 与与 “Zero-Bas

38、ed” 载荷相同，载荷相同，Ratio=-1 相当于相当于 “Fully Reversed” 载荷，载荷类型说明了最大载荷，载荷类型说明了最大最小幅值。最小幅值。“历程数据历程数据”载荷类型将在载荷类型将在C章节中讨论，因为它是变幅值载荷。章节中讨论，因为它是变幅值载荷。10/10/2008 2008 ANSYS, Inc. All rights reserved.Inventory #002591A10-25Workbench-Simulation IntroductionANSYS, Inc. ProprietaryTraining ManualAppendix 10平均应力效应平均应力效

39、应 前面曾提及，平均应力会影响前面曾提及，平均应力会影响S-N曲线，而曲线，而 “Analysis Type”说明了程序对平说明了程序对平均应力的处理方法均应力的处理方法: “SN-None”：忽略平均应力的影响忽略平均应力的影响 “SN-Mean Stress Curves” ：使用多重使用多重S-N曲线（如果定义的话）曲线（如果定义的话） “SN-Goodman”、“SN-Soderberg” 和和 “SN-Gerber” ：平均应力修正理论平均应力修正理论10/10/2008 2008 ANSYS, Inc. All rights reserved.Inventory #002591A1

40、0-26Workbench-Simulation IntroductionANSYS, Inc. ProprietaryTraining ManualAppendix 10 平均应力效应平均应力效应 如果有可用的试验数据，那么建议使用多重如果有可用的试验数据，那么建议使用多重S-N曲线曲线(SN-Mean Stress Curves) 但是，如果无法使用多重但是，如果无法使用多重S-N曲线，那么可以从三个平均应力修正理论中选择。曲线，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这里的方法在于将定义的单S-N曲线进行曲线进行“移动移动”以考虑平均应力的影响：以考虑平均应力的影响

41、：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，如果不考虑的话，结果偏保守尽管平均压缩应力通常能够提供很多的好处，如果不考虑的话，结果偏保守 (scaling=1=constant)123可以将该曲线看作单个可以将该曲线看作单个S-N曲线的乘子。水曲线的乘子。水平线乘子是平线乘子是1.0，对于拉伸平均应力，对于拉伸平均应力，S-N曲线将向下移动。曲线将向下移动。10/10

42、/2008 2008 ANSYS, Inc. All rights reserved.Inventory #002591A10-27Workbench-Simulation IntroductionANSYS, Inc. ProprietaryTraining ManualAppendix 10 平均应力效应平均应力效应 Goodman 理论适用于低韧性材料，理论适用于低韧性材料， 对压缩平均应力不做修正对压缩平均应力不做修正. Soderberg 理论比理论比Goodman理论理论 更保守，并且在有些情况下可用于脆性材料更保守，并且在有些情况下可用于脆性材料. Gerber 理论能够对韧性材

43、料的拉伸平均应力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” 中进行设置中进行设置 如果存在多重如果存在多重S-N曲线，但用户想要使用平均应力修正理论，那么将会用到在曲线，但用户想要使用平均应力修正理论，那么将会用到在 m=0 或或R=-1的的S-N曲线。尽管如此，这种做法并不推荐。曲线。尽管如此，这种做法并不推荐。

44、10/10/2008 2008 ANSYS, Inc. All rights reserved.Inventory #002591A10-28Workbench-Simulation IntroductionANSYS, Inc. ProprietaryTraining ManualAppendix 10 强度因子强度因子 除了平均应力的影响外，还有其它一些影响除了平均应力的影响外，还有其它一些影响S-N曲线的因素曲线的因素 这些影响因素可以集中体现在疲劳强度这些影响因素可以集中体现在疲劳强度(降低降低)因子因子Kf中中，其值可以在，其值可以在Fatigue Tool 的细节栏中输入。的细节栏

45、中输入。 这个值应小于这个值应小于1，以便说明实际部件和试件的差异。，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所计算的交变应力将被这个修正因子Kf除，而平均应力却保持不变除，而平均应力却保持不变.10/10/2008 2008 ANSYS, Inc. All rights reserved.Inventory #002591A10-29Workbench-Simulation IntroductionANSYS, Inc. ProprietaryTraining ManualAppendix 10 应力成分应力成分 在在A部分中，注意到疲劳试验通常测定的是单轴应力状态部

46、分中，注意到疲劳试验通常测定的是单轴应力状态 必须采用一些转换方法将多轴应力转换成一个简单的标量值，以决定某一应必须采用一些转换方法将多轴应力转换成一个简单的标量值，以决定某一应力幅下力幅下(S-N曲线曲线)的疲劳循环次数的疲劳循环次数. Fatigue Tool细节栏中的应力分量细节栏中的应力分量( “Stress Component” )允许用户定义应力允许用户定义应力结果如何与疲劳曲线结果如何与疲劳曲线S-N进行比较进行比较 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。用到。 signed

47、 equivalent stress采用绝对值最大的主应力的符号，以便考虑压采用绝对值最大的主应力的符号，以便考虑压缩平均应力。缩平均应力。10/10/2008 2008 ANSYS, Inc. All rights reserved.Inventory #002591A10-30Workbench-Simulation IntroductionANSYS, Inc. ProprietaryTraining ManualAppendix 10 求解疲劳分析求解疲劳分析 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

48、，恒定幅值的疲劳计算通常会快得多。幅值的疲劳计算通常会快得多。 如果一个应力分析已经完成，那么仅选择如果一个应力分析已经完成，那么仅选择Solution 或或Fatigue Tool 分支并分支并点击点击Solve符号符号 ，便可开始疲劳计算。，便可开始疲劳计算。 在求解菜单中（在求解菜单中（solution branch）的工作表将没有输出显示。的工作表将没有输出显示。 疲劳计算在疲劳计算在Workbench 中进行中进行，ANSYS求解器不会执行分析中的疲劳部分求解器不会执行分析中的疲劳部分. 疲劳模块没有使用疲劳模块没有使用 ANSYS/POST1 的疲劳命令的疲劳命令 (FSxxxx,

49、 FTxxxx)10/10/2008 2008 ANSYS, Inc. All rights reserved.Inventory #002591A10-31Workbench-Simulation IntroductionANSYS, Inc. ProprietaryTraining ManualAppendix 10 查看疲劳结果查看疲劳结果 对于恒定振幅对于恒定振幅-比例载荷情况，有几种类型的疲劳结果供选择比例载荷情况，有几种类型的疲劳结果供选择: Life（寿命）寿命） 云图显示由于疲劳作用直到失效的循环次数云图显示由于疲劳作用直到失效的循环次数 如果交变应力比如果交变应力比S-N曲线

50、中定义的最低交变曲线中定义的最低交变 应力低，则使用该寿命（循环次数）应力低，则使用该寿命（循环次数） (在本例中，在本例中，S-N曲线失效的最大循环次数是曲线失效的最大循环次数是1e6， 于是那就是最大寿命于是那就是最大寿命 Damage（损伤）损伤） 设计寿命与可用寿命的比值设计寿命与可用寿命的比值 设计寿命在细节栏（设计寿命在细节栏（ Details view ）中定义）中定义 设计寿命的缺省值可通过下面进行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”AvailableDesignLifeLifeDamage

51、10/10/2008 2008 ANSYS, Inc. All rights reserved.Inventory #002591A10-32Workbench-Simulation IntroductionANSYS, Inc. ProprietaryTraining ManualAppendix 10 查看疲劳结果查看疲劳结果 Safety Factor（安全系数）安全系数） 安全系数云图显式在给定设计寿命下的失效安全系数云图显式在给定设计寿命下的失效 设计寿命值在细节栏（设计寿命值在细节栏（ Details view ）输入）输入 给定最大安全系数给定最大安全系数SF值是值是15 Bia

52、xiality Indication（双轴指示）（双轴指示） 双轴指示云图有助于确定局部的应力状态双轴指示云图有助于确定局部的应力状态 双轴指示（双轴指示（Biaxiality indication）是较小与较大主应是较小与较大主应力的比值力的比值 (对于主应力接近对于主应力接近0的被忽略的被忽略)。因此，单轴应。因此，单轴应力局部区域为为力局部区域为为0，纯剪切的为，纯剪切的为-1，双轴的为，双轴的为1 locationlifedesign SFjiB回忆一下，通常疲劳试验数据是光滑试件在单轴应力作用下测定的（回忆一下，通常疲劳试验数据是光滑试件在单轴应力作用下测定的（而扭转试验将针对纯剪切

53、）。而扭转试验将针对纯剪切）。双轴指示（双轴指示（biaxiality indication）有助于确定所关心的区域的应力状有助于确定所关心的区域的应力状态是否与试验条件相似。在本例中，所关心的区域（中心）的态是否与试验条件相似。在本例中，所关心的区域（中心）的B值是值是-1，所以剪切占主导。，所以剪切占主导。10/10/2008 2008 ANSYS, Inc. All rights reserved.Inventory #002591A10-33Workbench-Simulation IntroductionANSYS, Inc. ProprietaryTraining ManualAp

54、pendix 10 查看疲劳结果查看疲劳结果等效交变应力等效交变应力 (Equivalent Alternating Stress）：）： 云图绘出了部件的等效交变应力，它用于在确定应力类云图绘出了部件的等效交变应力，它用于在确定应力类型，并考虑了载荷类型和平均应力影响后，查询型，并考虑了载荷类型和平均应力影响后，查询S-N曲曲线。线。疲劳敏感性疲劳敏感性 ( Fatigue Sensitivity ): 疲劳敏感性曲线显示出部件的寿命疲劳敏感性曲线显示出部件的寿命、损伤或安全系数在损伤或安全系数在临界区域随载荷的变化情况临界区域随载荷的变化情况 能够输入载荷变化的极限能够输入载荷变化的极限

55、(包括负比率包括负比率) 曲线图的缺省选项曲线图的缺省选项 “Tools Control Panel: Fatigue Sensitivity”10/10/2008 2008 ANSYS, Inc. All rights reserved.Inventory #002591A10-34Workbench-Simulation IntroductionANSYS, Inc. ProprietaryTraining ManualAppendix 10 查看疲劳结果查看疲劳结果 任何疲劳选项的范围可以是选定的部件（任何疲劳选项的范围可以是选定的部件（parts）和和/或部件的表面或部件的表面 收敛性

56、可用于云图结果收敛性可用于云图结果 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）如没有为了收敛目的而指定的标量选项）10/10/2008 2008 ANSYS, Inc. All rights reserved.Inventory #002591A10-35Workbench-Simulation IntroductionANSYS, Inc. ProprietaryTraining ManualAppendix 10 查看疲劳结果查看疲劳结果疲劳工具疲劳工具也可以与

57、也可以与 求解组合求解组合 一起使用一起使用 在在求解组合求解组合中，多个环境可能被组合，疲劳计算将基于不同环境的线性组合的中，多个环境可能被组合，疲劳计算将基于不同环境的线性组合的结果。结果。10/10/2008 2008 ANSYS, Inc. All rights reserved.Inventory #002591A10-36Workbench-Simulation IntroductionANSYS, Inc. ProprietaryTraining ManualAppendix 10 总结总结 疲劳分析步骤总结疲劳分析步骤总结:Model shown is from a sampl

58、e Solid Edge part.建立一个应力分析（线性，比建立一个应力分析（线性，比例载荷）例载荷）求解和后处理疲劳结果求解和后处理疲劳结果定义疲劳材料特性，包括定义疲劳材料特性，包括S-N曲线曲线定义载荷类型和平均应力影响定义载荷类型和平均应力影响的处理的处理10/10/2008 2008 ANSYS, Inc. All rights reserved.Inventory #002591A10-37Workbench-Simulation IntroductionANSYS, Inc. ProprietaryTraining ManualAppendix 10C. 疲劳疲劳: 变幅值情况

59、变幅值情况 在前面一节中，考察了恒定振幅在前面一节中，考察了恒定振幅-比例载荷的情况，涉及到最大和最小值保比例载荷的情况，涉及到最大和最小值保持恒定的情况下的循环或重复载荷。持恒定的情况下的循环或重复载荷。 本节将针对变幅值本节将针对变幅值-比例载荷情况，尽管载荷仍是成比例的，但应力幅和平比例载荷情况，尽管载荷仍是成比例的，但应力幅和平均应力却是随时间变化的。均应力却是随时间变化的。10/10/2008 2008 ANSYS, Inc. All rights reserved.Inventory #002591A10-38Workbench-Simulation IntroductionANS

60、YS, Inc. ProprietaryTraining ManualAppendix 10 不规律载荷的历程和循环不规律载荷的历程和循环 (History and Cycles) 对于不规律载荷历程，需要进行特殊处理对于不规律载荷历程，需要进行特殊处理: 计算不规律载荷历程的循环所使用的是计算不规律载荷历程的循环所使用的是“雨流雨流” rainflow循环循环计算计算 “雨流雨流”循环计算循环计算(Rainflow cycle counting) 是用于把不规律应力历程转化为用于疲劳是用于把不规律应力历程转化为用于疲劳计算的应力循环的一种技术计算的应力循环的一种技术(如右面例子如右面例子)