细解Ansys疲劳寿命分析ANSYS Workbench 疲劳分析
本章将介绍疲劳模块拓展功能的使用: 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 …恒定振幅载荷
·在前面曾提到, 疲劳是由于重复加载引起: …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:·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
…应力定义
·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-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:
·S-N曲线是通过对试件做疲劳测试得到的
·因此,记住以下几点: …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. 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: …几何
·疲劳计算只支持体和面 …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 ·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.
·材料特性信息可以保存XML文件或从XML文件提取 …接触区域
·接触区域可以包括在疲劳分析中 …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: …(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 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(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
…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)·“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曲线(SN-Mean Stress Curves) 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。 --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 –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
…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.
…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) …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 –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
–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 –BiaxialityIndication ·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
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(biaxialityindication)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. –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 > Options…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
·疲劳工具也可以与求解组合一起使用 ·疲劳分析步骤总结:
C. 疲劳: 不定振幅情况
·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.
…不规律载荷的历程和循环 ·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(Rainflowcycle 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. –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. –“雨流”循环计算和Palmgren-Miner损伤累加都用于不定振幅情况
–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 –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.
…不定振幅程序 ·归纳一下不定振幅的步骤:
·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: …定义载荷类型
·在Fatigue Tool的Details 栏中, 载荷类型“Type”指的是历程数据“History Data”
…定义无限寿命
–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. …定义binsize
–“竖条尺寸”(“Bin Size”)也可以在Fatigue Tool 的Details栏中定义
…定义竖条尺寸
–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. …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 …求解不定振幅情况
·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. …查看疲劳结果
·结果与恒定振幅情况相似: ·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.
D. 疲劳:非比例载荷
·在B部分中,讨论了恒定振幅和比例载荷情况. …非比例程序
·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.建立两个载荷环境( two loading environments:) 2.从模型分支条下增加一个求解组合( Solution Combination )–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.
3.求解组合(solution combination)添加Fatigue Tool
4.(定义)所需的其他结果并求解
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来自: 蓝冰若曦 > 《workbench》