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ansys公司培训教材疲劳分析


ANSYS Workbench 疲劳分析

疲劳模块

本章概述
? ? 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.

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ANSYS Workbench – Simulation ANSYS Workbench – Simulatio

n ANSYS Workbench – Simulation ANSYS Workbench – Simulation

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 比例 – 变振幅下的疲劳程序, 比例载荷情况 比例 – 恒定振幅下的疲劳程序,非比例载荷情况 比例

?

上述功能适用于 ANSYS DesignSpace licenses和 附带疲劳模 块的更高级的licenses.

February 20, 2004 Inventory #002018 14-2

疲劳模块

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

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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(Stressbased )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(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.

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疲劳模块

… 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.

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– 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).

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… 成比例载荷
?

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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

σ2 = constant σ1

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… 应力定义
?

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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) – 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 – 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.

σmax σmin
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… 应力-寿命曲线
?

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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 – 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-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

线性显示

对数显示

上述数据曲线,分别是用线性与对数来表示的. 由于数据的本质原因, 采用对数绘制曲线,往往 能更方便地查看S-N曲线的情况.

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疲劳模块

…应力-寿命曲线
? 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 ?
?

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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.

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…应力-寿命曲线
? 因此,记住以下几点:

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– 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(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

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… 总结
? ?

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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(参考 D节)

?

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.

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B. 疲劳程序 (基本情况)
?

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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.

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… 疲劳程序
?

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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 – 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Fatigue tool – 求解模型 – 查看结果

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… 几何
? ? 疲劳计算只支持体和面

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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

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… 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

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– 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 Properties”)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

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… 疲劳材料特性

?

添加和修改疲劳材料特性:

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… 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

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– 插入的图表可以是线性的(“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

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… 疲劳材料特性

?

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.

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… 疲劳特性曲线
? 材料特性信息可以保存XML文件或从XML文件提取

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– 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。

?

一些例举的材料特性在如下安装路径下可以找到:
C:\Program Files\Ansys Inc\v80\AISOL\CommonFiles\Language\enus\EngineeringData\Materials

– “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

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… 接触区域
? 接触区域可以包括在疲劳分析中

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– 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

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… 载荷与支撑
?

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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: – 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

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… (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)

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?

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 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

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疲劳模块

… 需要的结果
?

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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), Biaxiality Indication(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 振幅分析的疲劳敏感性(fatigue sensitivity) – 这些结果的详细分析将只做简短讨论

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… Fatigue Tool – 载荷类型
?

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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-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
从部分 A知道Ratio=0时与 “ZeroBased” 载荷相同, Ratio=-1 相当于 “Fully Reversed” 载荷.载荷类型说明最 大最小振幅。“历程数据”载荷类型将在 Section C中讨论,因为它是不定振幅载 荷。

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… Fatigue Tool – 平均应力影响
– 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)

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? “SN-Goodman,” “SN-Soderberg,” 和 “SN-Gerber” :可以使用平均应 力修正理论

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February 20, 2004 Inventory #002018 14-24

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… Fatigue Tool – 平均应力的影响
– 如果有可用的试验数据,那么建议使用多重S-N曲线(SN-Mean Stress Curves)

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– 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)

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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。

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February 20, 2004 Inventory #002018 14-25

疲劳模块

… Fatigue Tool – 平均应力的影响
– 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

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– 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
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… Fatigue Tool – 强度因子
?

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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.

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February 20, 2004 Inventory #002018 14-27

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… 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

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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)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.

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February 20, 2004 Inventory #002018 14-28

疲劳模块

… 求解疲劳分析
? ? ?

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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. – 疲劳模块没有使用 ANSYS /POST1 的疲劳命令 (FSxxxx, FTxxxx)

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February 20, 2004 Inventory #002018 14-29

疲劳模块

… 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: – Life(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

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– Damage(损伤)
? 设计寿命与可用寿命的比值 ? 设计寿命在细节栏( Details 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”
Damage = LifeDesign Life Available

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February 20, 2004 Inventory #002018 14-30

疲劳模块

… 查看疲劳结果
– 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
FS =

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σ @design life σ @location

– Biaxiality Indication
? 应力双轴等值线有助于确定局部的应力状态 ? 双轴指示(Biaxiality indication)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

B=

σi σj

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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). 双轴指示(biaxiality indication)有助于确定所关心的区域的应力状态是否与试验条件下的 20, 2004 February 相似.在本例中,所关心的区域(中心)的B值是-1,所以剪切占主导. Inventory #002018
14-31

疲劳模块

…查看疲劳结果
– 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

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– 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 > Options… Simulation: Fatigue > Sensitivity”

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February 20, 2004 Inventory #002018 14-32

疲劳模块

…查看疲劳结果
? ?

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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)

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February 20, 2004 Inventory #002018 14-33

疲劳模块

… 查看疲劳结果
?

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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.

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February 20, 2004 Inventory #002018 14-34

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… 总结
? 疲劳分析步骤总结:

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建立一个应力分析(线性,比例载荷)

定义疲劳材料特性,包括S-N曲线

定义载荷类型和平均应力影响的处理

求解和后处理疲劳结果Solve and postprocess fatigue results

Model shown is from a sample Solid Edge part.

February 20, 2004 Inventory #002018 14-35

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C. 疲劳: 不定振幅情况
? ?

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在前面一节中,考察了恒定振幅和比例载荷的情况,并涉及到最大 和最小振幅在保持恒定的情况下的循环或重复载荷. 在本节, 将针对不定振幅、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.

February 20, 2004 Inventory #002018 14-36

疲劳模块

… 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:
– 计算不规律载荷历程的循环所使用的是“雨流” rainflow循环计算
? “雨流”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 计算的循环的一种技术(如右面例子) ? 先计算不同的“平均”应力和应力幅(“range”)的 循环,然后使用这组“雨流”循环完成疲劳计算.
σ

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time

– 损伤累加是通过Palmgren-Miner 法则完成的
? Palmgren-Miner法则的基本思想是:在一个给定的平均应力 和应力幅下,每次循环用到有效寿命占总和的百分之几.对于在 一个给定 应力幅下的循环次数Ni,随着循环次数达 到失效次数Nfi时 ,寿命用尽,达到失效.

Ni ∑ N =1 fi

– “雨流”循环计算和 Palmgren-Miner损伤累加都用于不定振幅情况

关于“雨流”和palmgren miner”法则超出了本教程的范围.可以查看疲劳工具书以获取更多的细节

February 20, 2004 Inventory #002018 14-37

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…不规律载荷的历程和循环 (History and Cycles)
– 因此,任何任意载荷历程都可以切分成一个不同的 平均值和范围值的循环阵列 (“多个竖条”) ,
? 右图是“雨流”阵列,指出了在每个平均值和范 围值下所计算的循环次数 ? 较高值表示这些循环的将出现在载荷历程中

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– 在一个疲劳分析完成以后,每个“竖条”(即“循环” ) 造成的损伤量将被绘出
? 对于“雨流” 阵列 中的每个“竖条”(bin),显示的是 对应的所用掉的寿命量的百分比 ? 在这个例子中,即使大多数循环发生在低范围/平均 值,但高范围(range)循环仍会造成主要的损伤. ? 依据Per Miner法则,如果损伤累加到1 (100%),那么 将发生失效.

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… 不定振幅程序
? 归纳一下不定振幅的步骤:

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建立引领分析(线性,比载荷)

定义疲劳材料特性(包括S-N曲线)

定义载荷历程数据,并以及平均应力 的影响的处理

为“雨流”循环次数的计算定义bins的 数量

求解并查看疲劳结果(例如,损伤matrix,损伤等值线图,寿命等值线等)

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… 不定振幅程序
?

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对于建立基于不定振幅、比例载荷情况下疲劳分析的过程,与前 面讲过的B部分中介绍非常相似,但有两个例外:
– 载荷类型的定义不同 – 查看的疲劳结果中包括变化的“雨流”和损伤阵列

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… 定义载荷类型
?

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在Fatigue Tool的Details 栏中, 载荷类型“Type”指的是历程数据 “History Data”
– 既而, 在“History Data Location” 下定义一个外部文件. 这个文本文 件将会包含一组循环(或周期)的载荷历程点 – 由于历程数据文本文件的数值表示的是载荷的倍数,所以比例因子 “Scale Factor” 也能够用于放大载荷.

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在定义完包含载荷点的外部文本文件后 ,其曲线图将在工作表中显示出来. 注意一点,一旦文本文件读入程序,那么 数值就保存在Design Simulation 中. 数据不是动态的(例如,要改变文本文件 中的数据需要重新把它们读入Design Simulation.样本历程载荷数据可以在 安装路径下找到: C:\Program Files\Ansys Inc\v80\AISOL\CommonFiles\La nguage\enus\EngineeringData\Load Histories

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… 定义无限寿命

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– 在恒定振幅载荷中,如果应力低于S-N曲线中最低限,曾提过的最后定 义的循环次数将被使用. 但在不定振幅载荷下,载荷历程将被划分成 各种平均应力和应力幅的“竖条”(“bins”).由于损伤是累积起来的,这 些小应力可能造成相当大的影响,即当循环次数很高时. 因此,如果应 力幅比S-N曲线的最低点低,“无限寿命”值可以在Fatigue Tool 的 Details 栏中输入,以定义所采用循环次数的值.
? 损伤的定义是循环次数与失效时次数的比值,因此对于没有达到S-N曲线 上的失效循次数的小应力,“无限寿命”就提供这个值. ? 通过对“无限寿命”设置较大值,小应力幅循环(“Range”)的影响造成的损 伤将很小,因为损伤比率较小(damage ratio).

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… 定义bin size
? rainflow 阵列尺寸 是 bin_size x bin_size.

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– “竖条尺寸” (“Bin Size”)也可以在 Fatigue Tool 的Details 栏中定义
? Bin size越大, 排列的阵列就越大,于是平均(mean)和范围(range)可以考虑的 更精确,否则将把更多的循环次数放在在给定的竖条中 (看下图). ? 但是对于疲劳分析,竖条的尺寸越大,所需要的内存和CPU成本会越高.

Bin Size=10

Bin Size=32

Bin Size=64

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bin size 范围可以从10到200. 缺省值是32 ,可以在Control Panel 中修改.

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… 定义 竖条尺寸

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– 另一方面请注意,我们可以看到单根锯齿或正弦曲线的载荷历程数据 将产生与B部分中所讲的恒定振幅相似的结果.
? 注意,这样的一个载荷历程将产生一个与恒定振幅情况下同样的平均应力 和应力幅的计算. ? 这个结果可能与恒定振幅情况有轻微差异取决于竖条的尺寸,因为range 的均分方式可能与确切值不一致,所以,如果应用的话,推荐使用恒定振幅 法.

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… Quick Counting
? 前面的讨论非常清楚地指出“ bins”的数目影 响求解精度。这是因为交互和平均应力在计 算部分损伤前先被输入到“bins”中。这就是 “Quick Counting” 技术
– 默认方法(因为其效率高)

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?

“Quick Rainflow Counting”可以在“Details view”中关闭. 在这种情况下,部分损伤发现 前数据不会被输入到“bins”,因此“bins”的 数目不会影响结果
– 虽然这种方法很准确,但它会耗费更多的内存 和计算时间

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… 求解不定振幅情况
? ?

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定义了需要的结果以后,不定振幅情况就可以采用恒定振幅情况相 似的方式,与应力分析一起或在应力分析以后进行求解. 由于求解的时间取决于载荷历程和竖条尺寸,所在进行的求解可能 要比恒定振幅情况的时间长,但它仍比常规FEM的求解快.

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… 查看疲劳结果
? 结果与恒定振幅情况相似:

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– 代替疲劳循环次数,寿命结果报告了直到失效的载荷‘块’的数量. 举个 例子,如果载荷历程数据描述了一个给定的时间‘块’ (假设是一周的时 间),以及指定的最小寿命是50,那么该部件的寿命就是50 ‘块’ 或50周. – 损伤和安全系数(Damage and Safety Factor)基于在Details 栏中输 入的设计寿命(Design Life),但仍然是以 ‘块’形式出现,而不是循环. – Biaxiality Indication(双轴指示)与恒定振幅情况一样,对于不定振幅 载荷均可用. – 对于不定振幅情况,Equivalent Alternating Stress(等效交变应力) ,不能作为结果输出。这是因为单个值不能用于决定失效的循环次 数,因而采用基于载荷历程的多个值. – Fatigue Sensitivity(疲劳敏感性) 对于寿命‘块’也是可用的.

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…查看疲劳结果
?

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在不定振幅情况中也有一些自身独特的结果: – Rainflow 阵列, 虽然不是真实的结果, 对于输出是有效的,在前面已
经讨论了. 它提供了如何把交变和平均应力从载荷历程 划分成竖条的信息. – 损伤阵列 显示的是指定的实体(scoped entities) 的评定位置的损伤. 它反映了所生成的每个竖条损伤的 大小. 注意,结果是在指定的部件或表面的临界位置上的结果.
这里出示的是源于同样载荷 历程的两个结果,左边显示了 大部分损伤发生在低应力幅 下 ,而右边显示了大部分损伤 发生在最高应力幅下.

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D. 疲劳:非比例载荷 (Non-Proportional Case)
? ? 在 B部分中,讨论了恒定振幅和比例载荷情况. 本节将针对恒定振幅非比例载荷情况进行介绍. – 其基本思想是用两个加载环境 代替单一加载环境,进行疲劳计算.

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– 不采用应力比,而是采用两个载荷环境的应力值来决定最大最小值.由 于同一组应力结果不并不成比例,这就是为什么这种方法称为非比 例(non-proportional)的原因,但是两组结果都会使用到. – 由于需要两个解,所以可以采用求解组合来实现.

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… 非比例程序
?

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对于恒定振幅,非比例情况的处理过程与恒定振幅、比例载荷的求 解基本相同,除了下面所提出的以外 :
1. 建立两个带不同载荷条件的环境(two Environment )分支条 2. 增加一个求解组合分支条( Solution Combination branch),并定 义两个环境 3. 为求解组合(solution combination)添加 Fatigue Tool (和其他结果 ) ,并将载荷类型定义“非比例”(Non-Proportional)”. 4. (定义)所需的结果并求解

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…非比例程序
1. 建立两个载荷环境( two loading environments:)

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– 这两个载荷环境可以有两组不同的载荷以模仿两载荷的交互形式(支撑也 是一样)
? 例如, 一个是弯曲载荷,另一个是扭转载荷作为两个环境(Environments),这样 的疲劳载荷计算将假定为在这样的两个载荷环境下的交互受载的.

– 一个交互载荷可以叠加到静载荷上
? 例如,有一个恒定压力和一个力矩载荷.对于其中一个环境(Environment)仅定 义恒定压力,而另一个环境定义为恒定压力力矩载荷.这就将模仿成一个恒定压 力和交变力矩.

– 非线性支撑/接触(supports/contact)或非比例载荷的使用
? 例如,仅有一个压缩支撑.只要阻止刚体运动,那么两个环境应该反映的是某一 方向和其相反的方向的载荷.

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…非比例程序
2.从模型分支条下增加一个求解组合( Solution Combination )

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– 在工作表(Worksheet)中, 添加用于计算的两个环境 (Environments).注意,系数可以是一个数值,只有一种情况除外,即 结果是被缩放的. – 注意, 两个环境将会很好地用于非比例载荷.从两个环境( Environments)产生的应力结果将决定对于给定位置的应力范围.

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…非比例程序
3. 求解组合(solution combination)添加 Fatigue Tool

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– “Non-Proportional” 必须作为 “Type” 在Details 栏中定义.任何其 他选项将把两个环境(two Environments)当作线性组合(见 sectionB的结尾) – 比例系数、疲劳强度系数(因子)、分析类型以及应力组分都可以进行 相应地设置.

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…非比例程序
4. (定义)所需的其他结果并求解

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– 对于非比例载荷,用户可能需要获得与作用在比例载荷情况下同样的 结果. – 唯一的差别在于双轴指示(Biaxiality Indication).由于所进行的分析 是在作用在非比例载荷条件下,所以对于给定的位置,没有单个应力双 轴性存在.应力双轴性的平均或标准偏差可以在 Details 栏中进行设 置.
? 平均应力双轴性是直接用来解释的.标准偏差显示的是在给定位置的应力 状态改变量.因此,一个小标准偏差值是指行为接近比例载荷;而大的标准 偏差值,则是指在主应力方向上的足够变化.

– 在两个环境(two Environments )首先得到求解以后,疲劳求解将自 动进行.

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作业 A12
? 目标:

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– 目标在于完成一个连杆模型的疲劳分析(ConRod.x_t). 具体地,我们将分析两个 载荷环境(environments): 1) 4500 N的恒定振幅载荷 Fully Reversed ;2) 4500N的任意载荷.

February 20, 2004 Inventory #002018 14-55


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