搜索ANSYS Workbench 疲勞分析
2017-02-05 by:CAE仿真在線 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
本章概述
?本章將介紹疲勞模塊拓展功能的使用:
?在這部分中將包括以下內(nèi)容:
—疲勞概述
—恒定振幅下的通用疲勞程序,比例載荷情況
—變振幅下的疲勞程序,比例載荷情況
—恒定振幅下的疲勞程序,非比例載荷情況
?上述功能適用于ANSYS DesignSpacelicenses和附帶疲勞模塊的更高級(jí)的licenses。
A 疲勞概述
?結(jié)構(gòu)失效的一個(gè)常見原因是疲勞,其造成破壞與重復(fù)加載有關(guān)
?疲勞通常分為兩類:
—高周疲勞是當(dāng)載荷的循環(huán)(重復(fù))次數(shù)高(如1e4 -1e9)的情況下產(chǎn)生的。 因此,應(yīng)力通常比材料的極限強(qiáng)度低。 應(yīng)力疲勞(Stress-based)用于高周疲勞。
—低周疲勞是在循環(huán)次數(shù)相對(duì)較低時(shí)發(fā)生的。塑性變形常常伴隨低周疲勞,其闡明了短疲勞壽命。一般認(rèn)為應(yīng)變疲勞(strain-based)應(yīng)該用于低周疲勞計(jì)算。
?在設(shè)計(jì)仿真中, 疲勞模塊拓展程序(Fatigue Module add-on)采用的是基于應(yīng)力疲勞(stress-based)理論,它適用于高周疲勞。 接下來(lái),我們將對(duì)基于應(yīng)力疲勞理論的處理方法進(jìn)行討論。
…恒定振幅載荷
?在前面曾提到, 疲勞是由于重復(fù)加載引起:
—當(dāng)最大和最小的應(yīng)力水平恒定時(shí), 稱為恒定振幅載荷。 我們將針對(duì)這種最簡(jiǎn)單的形式,首先進(jìn)行討論。
—否則,則稱為變化振幅或非恒定振幅載荷。
…成比例載荷
?載荷可以是比例載荷, 也可以非比例載荷:—比例載荷, 是指主應(yīng)力的比例是恒定的,并且主應(yīng)力的削減不隨時(shí)間變化。 這實(shí)質(zhì)意味著由于載荷的增加或反作用的造成的響應(yīng)很容易得到計(jì)算?！喾? 非比例載荷沒(méi)有隱含各應(yīng)力之間相互的關(guān)系,典型情況包括:
?在兩個(gè)不同載荷工況間的交替變化
?交變載荷疊加在靜載荷上
?非線性邊界條件constant12=σσ
…應(yīng)力定義
?考慮在最大最小應(yīng)力值σmin和σmax作用下的比例載荷、恒定振幅的情況:
—應(yīng)力范圍Δσ定義為(σmax-σmin)
—平均應(yīng)力σm定義為(σmax+σmin)/2
—應(yīng)力幅或交變應(yīng)力σa是Δσ/2
—應(yīng)力比R 是σmin/ σmax
—當(dāng)施加的是大小相等且方向相反的載荷時(shí),發(fā)生的是對(duì)稱循環(huán)載荷。 這就是σm= 0 ,R = -1的情況。
—當(dāng)施加載荷后又撤除該載荷,將發(fā)生脈動(dòng)循環(huán)載荷。 這就是σm= σmax/2 , R = 0的情況。σmaxσmin
…應(yīng)力-壽命曲線
?載荷與疲勞失效的關(guān)系,采用的是應(yīng)力-壽命曲線或S-N曲線來(lái)表示:
—若某一部件在承受循環(huán)載荷, 經(jīng)過(guò)一定的循環(huán)次數(shù)后,該部件裂紋或破壞將會(huì)發(fā)展,而且有可能導(dǎo)致失效
—如果同個(gè)部件作用在更高的載荷下,導(dǎo)致失效的載荷循環(huán)次數(shù)將減少
—應(yīng)力-壽命曲線或S-N曲線,展示出應(yīng)力幅與失效循環(huán)次數(shù)的關(guān)系線性顯示對(duì)數(shù)顯示上述數(shù)據(jù)曲線,分別是用線性與對(duì)數(shù)來(lái)表示的。 由于數(shù)據(jù)的本質(zhì)原因, 采用對(duì)數(shù)繪制曲線,往往能更方便地查看S-N曲線的情況。
…應(yīng)力-壽命曲線
?S-N曲線是通過(guò)對(duì)試件做疲勞測(cè)試得到的
—彎曲或軸向測(cè)試反映的是單軸的應(yīng)力狀態(tài)
—影響S-N 曲線的因素很多, 其中的一些需要的注意,如下:
—材料的延展性, 材料的加工工藝
—幾何形狀信息,包括表面光滑度、殘余應(yīng)力以及存在的應(yīng)力集中
—載荷環(huán)境, 包括平均應(yīng)力、溫度和化學(xué)環(huán)境
?例如,壓縮平均應(yīng)力比零平均應(yīng)力的疲勞壽命長(zhǎng),相反,拉伸平均應(yīng)力比零平均應(yīng)力的疲勞壽命短。
?對(duì)壓縮和拉伸平均應(yīng)力,平均應(yīng)力將分別提高和降低S-N曲線。
?因此,記住以下幾點(diǎn):
—一個(gè)部件通常經(jīng)受多軸應(yīng)力狀態(tài)。如果疲勞數(shù)據(jù)(S-N 曲線)是從反映單軸應(yīng)力狀態(tài)的測(cè)試中得到的,那么在計(jì)算壽命時(shí)就要注意
?設(shè)計(jì)仿真為用戶提供了如何把結(jié)果和S-N 曲線相關(guān)聯(lián)的選擇,包括多軸應(yīng)力的選擇
?雙軸應(yīng)力結(jié)果有助于計(jì)算在給定位置的情況
—平均應(yīng)力影響疲勞壽命,并且變換在S-N曲線的上方位置與下方位置(反映出在給定應(yīng)力幅下的壽命長(zhǎng)短)
?對(duì)于不同的平均應(yīng)力或應(yīng)力比值,設(shè)計(jì)仿真允許輸入多重S-N曲線(實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù))
?如果沒(méi)有太多的多重S-N曲線(實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)),那么設(shè)計(jì)仿真也允許采用多種不同的平均應(yīng)力修正理論
—早先曾提到影響疲勞壽命的其他因素,也可以在設(shè)計(jì)仿真中可以用一個(gè)修正因子來(lái)解釋
疲勞模塊
…總結(jié)
?疲勞模塊允許用戶采用基于應(yīng)力理論的處理方法,來(lái)解決高周疲勞問(wèn)題。
?以下情況可以用疲勞模塊來(lái)處理:
—恒定振幅,比例載荷(參考B節(jié))
—變化振幅,比例載荷(參考C節(jié))
—恒定振幅,非比例載荷(參考D節(jié))
?需要輸入的數(shù)據(jù)是材料的S-N曲線:
—S-N曲線是疲勞實(shí)驗(yàn)中獲得,而且可能本質(zhì)上是單軸的,但在實(shí)際的分析中,部件可能處于多軸應(yīng)力狀態(tài)
—S-N曲線的繪制取決于許多因素, 包括平均應(yīng)力。 在不同平均應(yīng)力值作用下的S-N曲線的應(yīng)力值可以直接輸入, 或可以執(zhí)行通過(guò)平均應(yīng)力修正理論實(shí)現(xiàn)。
B 疲勞程序(基本情況)
?進(jìn)行疲勞分析是基于線性靜力分析, 所以不必對(duì)所有的步驟進(jìn)行詳盡的闡述。
—疲勞分析是在線性靜力分析之后,通過(guò)設(shè)計(jì)仿真自動(dòng)執(zhí)行的。
?對(duì)疲勞工具的添加,無(wú)論在求解之前還是之后,都沒(méi)有關(guān)系, 因?yàn)槠谟?jì)算不并依賴應(yīng)力分析計(jì)算。
?盡管疲勞與循環(huán)或重復(fù)載荷有關(guān), 但使用的結(jié)果卻基于線性靜力分析,而不是諧分析。 盡管在模型中也可能存在非線性,處理時(shí)就要謹(jǐn)慎了,因?yàn)槠诜治鍪羌僭O(shè)線性行為的。
—在本節(jié)中,將涵蓋關(guān)于恒定振幅、比例載荷的情況。 而變化振幅、比例載荷的情況和恒定振幅、非比例載荷的情況,將分別在以后的C 和D節(jié)中逐一討論。
…疲勞程序
?下面用黃色斜體字體所描述的步驟,對(duì)于包含疲勞工具的應(yīng)力分析是很特殊的:
—模型
—指定材料特性,包括S-N曲線
—定義接觸區(qū)域(若采用的話)
—定義網(wǎng)格控制(可選的)
—包括載荷和支撐
—(設(shè)定)需要的結(jié)果,包括Fatigue tool
—求解模型
—查看結(jié)果
…幾何
?疲勞計(jì)算只支持體和面
?線模型目前還不能輸出應(yīng)力結(jié)果,所以疲勞計(jì)算對(duì)于線是忽略的。
—線仍然可以包括在模型中以給結(jié)構(gòu)提供剛性, 但在疲勞分析并不計(jì)算線模型
…材料特性
?由于有線性靜力分析,所以需要用到楊氏模量和泊松比
—如果有慣性載荷,則需要輸入質(zhì)量密度
—如果有熱載荷,則需要輸入熱膨脹系數(shù)和熱傳導(dǎo)率
—如果使用應(yīng)力工具結(jié)果(Stress Tool result),那么就需要輸入應(yīng)力極限數(shù)據(jù),而且這個(gè)數(shù)據(jù)也是用于平均應(yīng)力修正理論疲勞分析。
?疲勞模塊也需要使用到在工程數(shù)據(jù)分支下的材料特性當(dāng)中S-N曲線數(shù)據(jù)
—數(shù)據(jù)類型在“疲勞特性”(“Fatigue Properties”)下會(huì)說(shuō)明
—S-N曲線數(shù)據(jù)是在材料特性分支條下的“交變應(yīng)力與循環(huán)”(“Alternating Stress vs。 Cycles”)選項(xiàng)中輸入的
?如果S-N曲線材料數(shù)據(jù)可用于不同的平均應(yīng)力或應(yīng)力比下的情況, 那么多重S-N曲線也可以輸入到程序中
…疲勞材料特性
?添加和修改疲勞材料特性:
…疲勞材料特性
?在材料特性的工作列表中,可以定義下列類型和輸入的S-N曲線—插入的圖表可以是線性的(“Linear”)、半對(duì)數(shù)的(“Semi-Log”即linear for stress, log for cycles)或雙對(duì)數(shù)曲線(“Log-Log”)
—記得曾提到的,S-N曲線取決于平均應(yīng)力。如果S-N曲線在不同的平均應(yīng)力
下都可適用的,那么也可以輸入多重S-N曲線
?每個(gè)S-N曲線可以在不同平均應(yīng)力下直接輸入
?每個(gè)S-N曲線也可以在不同應(yīng)力比下輸入
…疲勞材料特性
?可以通過(guò)在“Mean Value”上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵添加新的平均值來(lái)輸入多條S-N曲線。
…疲勞特性曲線
?材料特性信息可以保存XML文件或從XML文件提取
—保存材料數(shù)據(jù)文件,在material條上按右鍵,然后用“Export …”保存成XML外部文件
—疲勞材料特性將自動(dòng)寫到XML文件中,就像其他材料數(shù)據(jù)一樣。
?一些例舉的材料特性在如下安裝路徑下可以找到:
C:\Program Files\AnsysInc\v80\AISOL\CommonFiles\Language\en-
us\EngineeringData\Materials
—“Aluminum”和“Structural Steel”的XML 文件,包含有范例疲勞數(shù)據(jù)可以作為參考—疲勞數(shù)據(jù)隨著材料和測(cè)試方法的不同而有所變化,所以很重要一點(diǎn)就是,用戶要選用能代表自己部件疲勞性能的數(shù)據(jù)
…接觸區(qū)域
?接觸區(qū)域可以包括在疲勞分析中—注意,對(duì)于在恒定振幅、成比例載荷情況下處理疲勞時(shí),只能包含綁定(Bonded)和不分離(No-Separation)的線性接觸—盡管無(wú)摩擦、有摩擦和粗糙的非線性接觸也能夠包括在內(nèi),但可能不再滿足成比例載荷的要求
?例如,改變載荷的方向或大小,如果發(fā)生分離,則可能導(dǎo)致主應(yīng)力軸向發(fā)生改變。
?如果有非線性接觸發(fā)生,那么用戶必須小心使用,并且仔細(xì)判斷
?對(duì)于非線性接觸,若是在恒定振幅的情況下,則可以采用非比例載荷的方法代替計(jì)算疲勞壽命
…載荷與支撐
?能產(chǎn)生成比例載荷的任何載荷和支撐都可能使用,但有些類型的載荷和支撐不造成比例載荷:
—螺栓載荷對(duì)壓縮圓柱表面?zhèn)仁┘泳剂?相反,圓柱的相反一側(cè)的載荷將改變
—預(yù)緊螺栓載荷首先施加預(yù)緊載荷,然后是外載荷,所以這種載荷是分為兩個(gè)載荷步作用的過(guò)程—壓縮支撐(Compression Only Support)僅阻止壓縮法線正方向的移動(dòng),但也不會(huì)限制反方向的移動(dòng)
?像這些類型的載荷最好不要用于恒定振幅和比例載荷的疲勞計(jì)算
…(設(shè)定)需要的結(jié)果
?對(duì)于應(yīng)力分析的任何類型結(jié)果,都可能需要用到:—應(yīng)力、應(yīng)變和變形—接觸結(jié)果(如果版本支持)—應(yīng)力工具(Stress Tool)?另外,進(jìn)行疲勞計(jì)算時(shí),需要插入疲勞工具條(Fatigue Tool)—在Solution子菜單下,從相關(guān)的工具條上添加“Tools > Fatigue Tool”?Fatigue Tool 的明細(xì)窗中將控制疲勞計(jì)算的求解選項(xiàng)—疲勞工具條(Fatigue Tool)將出現(xiàn)在相應(yīng)的位置中,并且也可添加相應(yīng)的疲勞云圖或結(jié)果曲線?這些是在分析中會(huì)被用到的疲勞結(jié)果,如壽命和破壞
…需要的結(jié)果
?在疲勞計(jì)算被詳細(xì)地定義以后,疲勞結(jié)果可下在Fatigue Tool下指定—等值線結(jié)果(Contour
)包括Lifes(壽命),
Damage(損傷),
Safety Factor(安全系數(shù)),
BiaxialityIndication(雙軸指示),
以及Equivalent Alternating Stress(等效交變應(yīng)力)
—曲線圖結(jié)果(graph results))
僅包含對(duì)于恒定振幅分析的疲勞敏感性(fatigue sensitivity)
—這些結(jié)果的詳細(xì)分析將只做簡(jiǎn)短討論
…Fatigue Tool —載荷類型
?當(dāng)Fatigue Tool在求解子菜單下插入以后,就可以在細(xì)節(jié)欄中輸入疲勞說(shuō)明
—載荷類型可以在“Zero-Based”、“Fully Reversed”和給定的“Ratio”之間定義
—也可以輸入一個(gè)比例因子,來(lái)按比例縮放所有的應(yīng)力結(jié)果。(如下圖)
…Fatigue Tool —平均應(yīng)力影響
—在前面曾提及,平均應(yīng)力會(huì)影響S-N曲線的結(jié)果。 而“Analysis Type”說(shuō)明了程序?qū)ζ骄鶓?yīng)力的處理方法:?“SN-None”:忽略平均應(yīng)力的影響?“SN-Mean Stress Curves”:使用多重S-N曲線(如果定義的話)?“SN-Goodman,”“SN-Soderberg,”和“SN-Gerber”:可以使用平均應(yīng)力修正理論
…Fatigue Tool —平均應(yīng)力的影響
—如果有可用的試驗(yàn)數(shù)據(jù),那么建議使用多重S-N曲線(SN-Mean Stress Curves)
—但是,如果多重S-N曲線是不可用的,那么可以從三個(gè)平均應(yīng)力修正理論中選擇。這里的方法在于將定義的單S-N曲線“轉(zhuǎn)化”到考慮平均應(yīng)力的影響:
1。對(duì)于給定的疲勞循環(huán)次數(shù),隨著平均應(yīng)力的增加,應(yīng)力幅將有所降低
2。隨著應(yīng)力幅趨近零,平均應(yīng)力將趨近于極限(屈服)強(qiáng)度
3。盡管平均壓縮應(yīng)力通常能夠提供很多的好處,但保守地講,也存在著許多不利的因素(scaling=1=constant)
…Fatigue Tool —平均應(yīng)力的影響
—Goodman理論適用于低韌性材料,對(duì)壓縮平均應(yīng)力沒(méi)能做修正?！猄oderberg理論比Goodman理論更保守,并且在有些情況下可用于脆性材料?！狦erber理論能夠?qū)g性材料的拉伸平均應(yīng)力提供很好的擬合,但它不能正確地預(yù)測(cè)出壓縮平均應(yīng)力的有害影響, 如左圖所示—缺省的平均應(yīng)力修正理論可以從“Tools > Control Panel: Fatigue > Analysis Type”中進(jìn)行設(shè)置—如果存在多重S-N曲線,但用戶想要使用平均應(yīng)力修正理論,那么將會(huì)用到在σm=0 或R=-1的S-N曲線。盡管如此, 這種做法并不推薦
…Fatigue Tool —強(qiáng)度因子
?除了平均應(yīng)力的影響外,還有其它一些影響S-N曲線的因素
—這些其它影響因素可以集中體現(xiàn)在疲勞強(qiáng)度(降低)因子Kf中, 其值可以在Fatigue Tool的細(xì)節(jié)欄中輸入。
—這個(gè)值應(yīng)小于1,以便說(shuō)明實(shí)際部件和試件的差異。
—所計(jì)算的交變應(yīng)力將被這個(gè)修正因子Kf分開,而平均應(yīng)力卻保持不變。
…Fatigue Tool —應(yīng)力成分
?在A部分中,注意到疲勞試驗(yàn)通常測(cè)定的是單軸應(yīng)力狀態(tài)?必須把單軸應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換到一個(gè)標(biāo)量值,以決定某一應(yīng)力幅下(S-N曲線)的疲勞循環(huán)次數(shù)。
—Fatigue Tool細(xì)節(jié)欄中的應(yīng)力分量(“Stress Component”)允許用戶定義應(yīng)力結(jié)果如何與疲勞曲線S-N進(jìn)行比較—6個(gè)應(yīng)力分量的任何一個(gè)或最大剪切應(yīng)力、最大主應(yīng)力、或等效應(yīng)力也都可能被使用到。 所定義的等效應(yīng)力標(biāo)示的是最大絕對(duì)主應(yīng)力,以便說(shuō)明壓縮平均應(yīng)力。
…求解疲勞分析
?疲勞計(jì)算將在應(yīng)力分析實(shí)施完以后自動(dòng)地進(jìn)行。與應(yīng)力分析計(jì)算相比,恒定振幅情況的疲勞計(jì)算通常會(huì)快得多
?如果一個(gè)應(yīng)力分析已經(jīng)完成,那么僅選擇Solution或Fatigue Tool 分支并點(diǎn)擊Solve符號(hào)
,便可開始疲勞計(jì)算。
?在求解菜單中(solution branch)的工作表將沒(méi)有輸出顯示?！谟?jì)算在Workbench中進(jìn)行,ANSYS的求解器不會(huì)執(zhí)行分析中的疲勞部分。—疲勞模塊沒(méi)有使用ANSYS /POST1 的疲勞命令(FSxxxx, FTxxxx)
…查看疲勞結(jié)果
?對(duì)于恒定振幅和比例載荷情況,有幾種類型的疲勞結(jié)果供選擇:
—Life(壽命)?等值線顯示由于疲勞作用直到失效的循環(huán)次數(shù)?如果交變應(yīng)力比S-N曲線中定義的最低交變應(yīng)力低,則使用該壽命(循環(huán)次數(shù))(在本例中,S-N曲線失效的最大循環(huán)次數(shù)是1e6,于是那就是最大壽命
—Damage(損傷)?設(shè)計(jì)壽命與可用壽命的比值?設(shè)計(jì)壽命在細(xì)節(jié)欄(Details view)中定義
?設(shè)計(jì)壽命的缺省值可通過(guò)下面進(jìn)行定義“Tools > Control Panel:Fatigue > Design Life”
…查看疲勞結(jié)果
—Safety Factor(安全系數(shù))
?安全系數(shù)等值線是關(guān)于一個(gè)在給定設(shè)計(jì)壽命下的失效
?設(shè)計(jì)壽命值在細(xì)節(jié)欄(Details view)輸入?給定最大安全系數(shù)SF值是15
—BiaxialityIndication
?應(yīng)力雙軸等值線有助于確定局部的應(yīng)力狀態(tài)
?雙軸指示(Biaxialityindication)是較小與較大主應(yīng)力的比值(對(duì)于主應(yīng)力接近0的被忽略)。因此,單軸應(yīng)力局部區(qū)域?yàn)锽值為0,純剪切的為-1,雙軸的為1
…查看疲勞結(jié)果
—等效交變應(yīng)力(Equivalent Alternating Stress):
?等值線在模型上繪出了部件的等效交變應(yīng)力,它是基于所選擇應(yīng)力類型,在考慮了載荷類型和平均應(yīng)力影響后,用于詢問(wèn)(query)S-N曲線的應(yīng)力
—疲勞敏感性( Fatigue Sensitivity ):
?一個(gè)疲勞敏感曲線圖顯示出部件的壽命、損傷或安全系數(shù)在臨界區(qū)域隨載荷的變化而變化
?能夠輸入載荷變化的極限(包括負(fù)比率)
?曲線圖的缺省選項(xiàng)
?“Tools menu > Options…Simulation: Fatigue > Sensitivity”
…查看疲勞結(jié)果
?任何疲勞選項(xiàng)的范圍可以是選定的部件(parts)和/或部件的表面
?收斂性可用于等值線結(jié)果
—收斂和警告對(duì)疲勞敏感性圖是無(wú)效的,因?yàn)檫@些圖提供關(guān)于載荷的敏感性(例如,沒(méi)有為了收斂目的而指定的標(biāo)量選項(xiàng))
…查看疲勞結(jié)果
?疲勞工具也可以與求解組合一起使用
—在求解組合中, 多重環(huán)境可能被組合。疲勞計(jì)算將基于不同環(huán)境的線性組合的結(jié)果。
…總結(jié)
?疲勞分析步驟總結(jié):
1、建立一個(gè)應(yīng)力分析(線性,比例載荷) 2、定義疲勞材料特性,包括S-N曲線3、定義載荷類型和平均應(yīng)力影響的處理4、求解和后處理疲勞結(jié)果Solve and postprocessfatigue results
疲勞模塊
…不規(guī)律載荷的歷程和循環(huán)(History and Cycles)
?對(duì)于不規(guī)律載荷歷程,需要進(jìn)行特殊處理:
—計(jì)算不規(guī)律載荷歷程的循環(huán)所使用的是“雨流”rainflow循環(huán)計(jì)算
?“雨流”循環(huán)計(jì)算(Rainflowcycle counting)是用于把不規(guī)律應(yīng)力歷程轉(zhuǎn)化為用于疲勞計(jì)算的循環(huán)的一種技術(shù)(如右面例子)
?先計(jì)算不同的“平均”應(yīng)力和應(yīng)力幅(“range”)的循環(huán),然后使用這組“雨流”循環(huán)完成疲勞計(jì)算。
—損傷累加是通過(guò)Palmgren-Miner 法則完成的
?Palmgren-Miner法則的基本思想是:在一個(gè)給定的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅下,每次循環(huán)用到有效壽命占總和的百分之幾。對(duì)于在一個(gè)給定應(yīng)力幅下的循環(huán)次數(shù)Ni,隨著循環(huán)次數(shù)達(dá)到失效次數(shù)Nfi時(shí),壽命用盡,達(dá)到失效。
—“雨流”循環(huán)計(jì)算和Palmgren-Miner損傷累加都用于不定振幅情況σtimeΣ=1fiiNN
關(guān)于“雨流”和palmgrenminer”法則超出了本教程的范圍。可以查看疲勞工具書以獲取更多的細(xì)節(jié)
…不規(guī)律載荷的歷程和循環(huán)(History and Cycles)
—因此,任何任意載荷歷程都可以切分成一個(gè)不同的平均值和范圍值的循環(huán)陣列(“多個(gè)豎條”) ,
?右圖是“雨流”陣列,指出了在每個(gè)平均值和范圍值下所計(jì)算的循環(huán)次數(shù)
?較高值表示這些循環(huán)的將出現(xiàn)在載荷歷程中
—在一個(gè)疲勞分析完成以后,每個(gè)“豎條”(即“循環(huán)”)造成的損傷量將被繪出
?對(duì)于“雨流”陣列中的每個(gè)“豎條”(bin),顯示的是對(duì)應(yīng)的所用掉的壽命量的百分比
?在這個(gè)例子中,即使大多數(shù)循環(huán)發(fā)生在低范圍/平均值,但2荷{高范圍(range)循環(huán)仍會(huì)造成主要的損傷。
?依據(jù)Per Miner法則,如果損傷累加到1 (100%),那么將發(fā)生失效。
…不定振幅程序
?歸納一下不定振幅的步驟:1、建立引領(lǐng)分析(線性,比載荷) 2、定義疲勞材料特性(包括S-N曲線)3、定義載荷歷程數(shù)據(jù),并以及平均應(yīng)力的影響的處理4、為“雨流”循環(huán)次數(shù)的計(jì)算定義bins的數(shù)量5、求解并查看疲勞結(jié)果(例如,損傷matrix,損傷等值線圖,壽命等值線等)
…不定振幅程序
?對(duì)于建立基于不定振幅、比例載荷情況下疲勞分析的過(guò)程,與前面講過(guò)的B部分中介紹非常相似,但有兩個(gè)例外:
—載荷類型的定義不同
—查看的疲勞結(jié)果中包括變化的“雨流”和損傷陣列
…定義載荷類型
?在Fatigue Tool的Details 欄中, 載荷類型“Type”指的是歷程數(shù)據(jù)“History Data”
—既而, 在“History Data Location”下定義一個(gè)外部文件。 這個(gè)文本文件將會(huì)包含一組循環(huán)(或周期)的載荷歷程點(diǎn)
—由于歷程數(shù)據(jù)文本文件的數(shù)值表示的是載荷的倍數(shù),所以比例因子“Scale Factor”也能夠用于放大載荷。
…定義無(wú)限壽命
—在恒定振幅載荷中,如果應(yīng)力低于S-N曲線中最低限,曾提過(guò)的最后定義的循環(huán)次數(shù)將被使用。 但在不定振幅載荷下,載荷歷程將被劃分成各種平均應(yīng)力和應(yīng)力幅的“豎條”(“bins”)。由于損傷是累積起來(lái)的,這些小應(yīng)力可能造成相當(dāng)大的影響,即當(dāng)循環(huán)次數(shù)很高時(shí)。 因此,如果應(yīng)力幅比S-N曲線的最低點(diǎn)低,“無(wú)限壽命”值可以在Fatigue Tool 的Details欄中輸入,以定義所采用循環(huán)次數(shù)的值。
?損傷的定義是循環(huán)次數(shù)與失效時(shí)次數(shù)的比值,因此對(duì)于沒(méi)有達(dá)到S-N曲線上的失效循次數(shù)的小應(yīng)力,“無(wú)限壽命”就提供這個(gè)值。
?通過(guò)對(duì)“無(wú)限壽命”設(shè)置較大值,小應(yīng)力幅循環(huán)(“Range”)的影響造成的損傷將很小,因?yàn)閾p傷比率較小(damage ratio)。
定義binsize
—“豎條尺寸”(“Bin Size”)也可以在Fatigue Tool 的Details欄中定義
?rainflow陣列尺寸是bin_size x bin_size。
?Binsize越大, 排列的陣列就越大,于是平均(mean)和范圍(range)可以考慮的更精確,否則將把更多的循環(huán)次數(shù)放在在給定的豎條中(看下圖)。
?但是對(duì)于疲勞分析,豎條的尺寸越大,所需要的內(nèi)存和CPU成本會(huì)越高。。
…定義豎條尺寸
—另一方面請(qǐng)注意,我們可以看到單根鋸齒或正弦曲線的載荷歷程數(shù)據(jù)將產(chǎn)生與B部分中所講的恒定振幅相似的結(jié)果。
?注意,這樣的一個(gè)載荷歷程將產(chǎn)生一個(gè)與恒定振幅情況下同樣的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅的計(jì)算。
?這個(gè)結(jié)果可能與恒定振幅情況有輕微差異取決于豎條的尺寸,因?yàn)閞ange的均分方式可能與確切值不一致,所以,如果應(yīng)用的話,推薦使用恒定振幅法。
…Quick Counting
?前面的討論非常清楚地指出“bins”的數(shù)目影響求解精度。這是因?yàn)榻换ズ推骄鶓?yīng)力在計(jì)算部分損傷前先被輸入到“bins”中。這就是“Quick Counting”技術(shù)
—默認(rèn)方法(因?yàn)槠湫矢?
?“Quick RainflowCounting”可以在“Details view”中關(guān)閉。 在這種情況下,部分損傷發(fā)現(xiàn)前數(shù)據(jù)不會(huì)被輸入到“bins”,因此“bins”的數(shù)目不會(huì)影響結(jié)果
—雖然這種方法很準(zhǔn)確,但它會(huì)耗費(fèi)更多的內(nèi)存和計(jì)算時(shí)間
…求解不定振幅情況
?定義了需要的結(jié)果以后,不定振幅情況就可以采用恒定振幅情況相似的方式,與應(yīng)力分析一起或在應(yīng)力分析以后進(jìn)行求解。
?由于求解的時(shí)間取決于載荷歷程和豎條尺寸,所在進(jìn)行的求解可能要比恒定振幅情況的時(shí)間長(zhǎng),但它仍比常規(guī)FEM的求解快。
…查看疲勞結(jié)果
?結(jié)果與恒定振幅情況相似:
—代替疲勞循環(huán)次數(shù),壽命結(jié)果報(bào)告了直到失效的載荷‘塊’的數(shù)量。 舉個(gè)例子,如果載荷歷程數(shù)據(jù)描述了一個(gè)給定的時(shí)間‘塊’(假設(shè)是一周的時(shí)間),以及指定的最小壽命是50,那么該部件的壽命就是50 ‘塊’或50周。
—損傷和安全系數(shù)(Damageand Safety Factor)基于在Details欄中輸入的設(shè)計(jì)壽命(Design Life),但仍然是以‘塊’形式出現(xiàn),而不是循環(huán)。
—BiaxialityIndication(雙軸指示)與恒定振幅情況一樣,對(duì)于不定振幅載荷均可用。
—對(duì)于不定振幅情況,Equivalent Alternating Stress(等效交變應(yīng)力),不能作為結(jié)果輸出。這是因?yàn)閱蝹€(gè)值不能用于決定失效的循環(huán)次數(shù),因而采用基于載荷歷程的多個(gè)值。
—Fatigue Sensitivity(疲勞敏感性)對(duì)于壽命‘塊’也是可用的
…查看疲勞結(jié)果
?在不定振幅情況中也有一些自身獨(dú)特的結(jié)果:
—Rainflow陣列, 雖然不是真實(shí)的結(jié)果, 對(duì)于輸出是有效的,在前面已經(jīng)討論了。 它提供了如何把交變和平均應(yīng)力從載荷歷程劃分成豎條的信息。
—損傷陣列顯示的是指定的實(shí)體(scoped entities)的評(píng)定位置的損傷。 它反映了所生成的每個(gè)豎條損傷的大小。 注意,結(jié)果是在指定的部件或表面的臨界位置上的結(jié)果。
D 疲勞:非比例載荷(Non-Proportional Case)
?在B部分中,討論了恒定振幅和比例載荷情況。
?本節(jié)將針對(duì)恒定振幅非比例載荷情況進(jìn)行介紹。
—其基本思想是用兩個(gè)加載環(huán)境代替單一加載環(huán)境,進(jìn)行疲勞計(jì)算。
—不采用應(yīng)力比,而是采用兩個(gè)載荷環(huán)境的應(yīng)力值來(lái)決定最大最小值。由于同一組應(yīng)力結(jié)果不并不成比例,這就是為什么這種方法稱為非比例(non-proportional)的原因,但是兩組結(jié)果都會(huì)使用到。
—由于需要兩個(gè)解,所以可以采用求解組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。
…非比例程序
?對(duì)于恒定振幅,非比例情況的處理過(guò)程與恒定振幅、比例載荷的求解基本相同,除了下面所提出的以外:
1。建立兩個(gè)帶不同載荷條件的環(huán)境(two Environment )分支條
2。增加一個(gè)求解組合分支條( Solution Combination branch),并定義兩個(gè)環(huán)境
3。為求解組合(solution combination)添加Fatigue Tool (和其他結(jié)果) ,并將載荷類型定義“非比例”(Non-Proportional)”。
4。(定義)所需的結(jié)果并求解
…非比例程序
1。建立兩個(gè)載荷環(huán)境( two loading environments:)
—這兩個(gè)載荷環(huán)境可以有兩組不同的載荷以模仿兩載荷的交互形式(支撐也是一樣)
?例如, 一個(gè)是彎曲載荷,另一個(gè)是扭轉(zhuǎn)載荷作為兩個(gè)環(huán)境(Environments),這樣的疲勞載荷計(jì)算將假定為在這樣的兩個(gè)載荷環(huán)境下的交互受載的。
—一個(gè)交互載荷可以疊加到靜載荷上
?例如,有一個(gè)恒定壓力和一個(gè)力矩載荷。對(duì)于其中一個(gè)環(huán)境(Environment)僅定義恒定壓力,而另一個(gè)環(huán)境定義為恒定壓力力矩載荷。這就將模仿成一個(gè)恒定壓力和交變力矩。
—非線性支撐/接觸(supports/contact)或非比例載荷的使用
?例如,僅有一個(gè)壓縮支撐。只要阻止剛體運(yùn)動(dòng),那么兩個(gè)環(huán)境應(yīng)該反映的是某一方向和其相反的方向的載荷。
2。從模型分支條下增加一個(gè)求解組合( Solution Combination )—在工作表(Worksheet)中, 添加用于計(jì)算的兩個(gè)環(huán)境(Environments)。注意,系數(shù)可以是一個(gè)數(shù)值,只有一種情況除外,即結(jié)果是被縮放的。 —注意, 兩個(gè)環(huán)境將會(huì)很好地用于非比例載荷。從兩個(gè)環(huán)境(Environments)產(chǎn)生的應(yīng)力結(jié)果將決定對(duì)于給定位置的應(yīng)力范圍。
3。求解組合(solution combination)添加Fatigue Tool
—“Non-Proportional”必須作為“Type”在Details 欄中定義。任何其他選項(xiàng)將把兩個(gè)環(huán)境(two Environments)當(dāng)作線性組合(見sectionB的結(jié)尾)
—比例系數(shù)、疲勞強(qiáng)度系數(shù)(因子)、分析類型以及應(yīng)力組分都可以進(jìn)行相應(yīng)地設(shè)置。
4\(定義)所需的其他結(jié)果并求解
—對(duì)于非比例載荷,用戶可能需要獲得與作用在比例載荷情況下同樣的結(jié)果。
—唯一的差別在于雙軸指示(BiaxialityIndication)。由于所進(jìn)行的分析是在作用在非比例載荷條件下,所以對(duì)于給定的位置,沒(méi)有單個(gè)應(yīng)力雙軸性存在。應(yīng)力雙軸性的平均或標(biāo)準(zhǔn)偏差可以在Details欄中進(jìn)行設(shè)置。
?平均應(yīng)力雙軸性是直接用來(lái)解釋的。標(biāo)準(zhǔn)偏差顯示的是在給定位置的應(yīng)力狀態(tài)改變量。因此,一個(gè)小標(biāo)準(zhǔn)偏差值是指行為接近比例載荷;而大的標(biāo)準(zhǔn)偏差值,則是指在主應(yīng)力方向上的足夠變化。
—在兩個(gè)環(huán)境(two Environments )首先得到求解以后,疲勞求解將自動(dòng)進(jìn)行。
綜合自網(wǎng)絡(luò)
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