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 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。

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“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:\ProgramFiles\AnsysInc\v80\AISOL\CommonFiles\Language\en-us\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

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。

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：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。

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 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。

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（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。

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

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)；

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。

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(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。

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：

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。

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，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)。

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

a 建立一个应力分析(线性,比例载荷) b 定义疲劳材料特性,包括S-N曲线

c 定义载荷类型和平均应力影响的处理 d 求解和后处理疲劳结果Solve and postprocessfatigue results

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