ANSYSWORKBENCH疲乏分析指南

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第一章简介

1.1疲乏概述

结构失效的一个常见原因是疲乏，其造成破坏与重复加载有关。疲乏寻常分为两类：高周疲乏是当载荷的循环（重复）次数高(如1e4-1e9)的状况下产生的。因此，应力寻常比材料的极限强度低，应力疲乏（Stress-based）用于高周疲乏；低周疲乏是在循环次数相对较低时发生的。塑性变形往往伴随低周疲乏，其说明了短疲乏寿命。一般认为应变疲乏（strain-based）应当用于低周疲乏计算。

在设计仿真中，疲乏模块拓展程序（FatigueModuleadd-on）采用的是基于应力疲乏（stress-based）理论，它适用于高周疲乏。接下来，我们将对基于应力疲乏理论的处理方法进行探讨。

1.2恒定振幅载荷

在前面曾提到，疲乏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，首先进行探讨。

否则，则称为变化振幅或非恒定振幅载荷。1.3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简单得到计算。

相反，非比例载荷没有隐含各应力之间相互的关系，典型状况包括：σ1/σ2=constant

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。1.4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、恒定振幅的状况：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的状况。

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的状况。1.5应力-寿命曲线

载荷与疲乏失效的关系，采用的是应力-寿命曲线或S-N曲线来表示：（1）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；

（2）假使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；（3）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。

S-N曲线是通过对试件做疲乏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曲线的因素好多，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、剩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，例如，压缩平均应力比零平均应

力的疲乏寿命长，相反，拉伸平均应力比零平均应力的疲乏寿命短，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。

因此，记住以下几点：一个部件寻常经受多轴应力状态。假使疲乏数据(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：（1）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；（2）双轴应力结果有助于计算在给定位置的状况。

平均应力影响疲乏寿命，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)：（1）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(试验数据)；（2）假使没有太多的多重S-N曲线(试验数据)，那么设计仿真也允许采用多种不同的平均应力修正理论。

早先曾提到影响疲乏寿命的其他因素，也可以在设计仿真中可以用一个修正因子来解释。

1.6总结

疲乏模块允许用户采用基于应力理论的处理方法，来解决高周疲乏问题。以下状况可以用疲乏模块来处理：恒定振幅，比例载荷(参考其次章)；变化振幅，比例载荷(参考第三章)；恒定振幅，非比例载荷(参考第四章)。需要输入的数据是材料的S-N曲线：

S-N曲线是疲乏试验中获得，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曲线的绘制取决于大量因素，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。

其次章摩擦、自动时间步、控制

2.1摩擦

1、两个接触体的剪切或滑动行为可以是无摩擦的或有摩擦的，无摩擦时允许物体没有阻力地相互滑动；有摩擦时，物体之间会产生剪切力。

2、摩擦消耗能量，并且是路径相关行为。为获得较高的精度，时间步长必需小。

3、ANSYS中，摩擦采用库仑模型，并有附加选项可处理繁杂的粘着和剪切行为。库仑法则是宏观模型，表述物体间的等效剪力FT不能超过正压力FN的一部分：

FTPreprocessor>Modeling>Create>Elements>Surf/Contact>SurftoSurf(ESURF)对于直接生成刚性目标面，在建立目标单元之前需要要指定附加的单元属性TSHAP。

刚性目标面的自动划分不需要TSHAP。ANSYS能根据实体模型确定适合的目标单元形状。划分线(LMESH)：2－D刚性目标面；划分面(AMESH)：3－D刚性目标面；创立关键点(KMESH)－控制节点（Pilot）。

刚性目标面能与控制点联系起来，Pilot实际上是只有一个节点的单元，通过这个节点的运动可以控制整个目标面的运动。ANSYS只在Pilot节点上检查边界条件而忽略其它节点的约束。

对可变形体目标面建立目标单元的步骤是：1先选择可变形体表面上的节点；2然后在可变形体上建立单元

MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Elements>Surf/Contact>SurftoSurf。

ANSYS将根据基体的网格确定目标单元形状和外法线方向。检查外法线方向（这在自动划分刚性目标面时十分重要）图3-3，开启单元坐标系标志并重绘单元/PSYMS,ESYS,1，目标单元外法线方向应当指向接触面。假使单元法向不指向接触面，用命令使之反转：ESURF,,REVE。

Step6定义求解选项，点面接触分析中常用求解设置及本卷须知：时间步长必需足够小，假使时间步长太大，接触力的光滑传递将被破坏。为确保结果的确凿性，可以开启自动步长（Autots,on）GUI:MainMenu>Solution>LoadStepOpts>Time/Frequency>Time>TimeStep。

设置一个适合的平衡迭代次数：NEQIT,25～75，GUI:MainMenu>Solution>AnalysisType>SolˊnControls或Solution>LoadStepOpts>Nonlinear>EquilibriumIter开启时间步长预计（大转动分析除外）PRED,on：设置fullNewton-Raphson选项，同时开启自适应下降；NROPT,full：大量接触分析不收敛是由于设置的接触刚度太大（实常数KN取值太大）造成的，这时需要减小接触刚度重新进行分析。Step7求解solve

Step8后处理，接触分析的结果主要包括位移、应力、应变和接触信息。

接触信息包括：接触压力、单元的现在和过去状态：分开（没有接触）；接触粘合状态；接触滑动状态；粘合=1；滑动=2或-2；分开=3或4；两个表面间的距离，假使是正值，两表面是分开的（STAT=3或4），假使是负值代表穿透量（STAT=1或2）；法向力Fn；滑动力Fs；通过动画显示接触结果随时间的变化规律是接触分析有效的、常用的处理方法。点—接触单元接触结果后处理需要使用ETABLE。

第五章点－点接触单元

5.1概述

点—点接触单元是ANSYS早期开发的单元，但改进工作一直在进行。点—点接触单元是最简单也是最高效的接触单元。当模型可以使用此类单元时，它们可以高效地模拟广泛的接触问题。

1、常用的点—点接触单元

假使将Contac52和Contac178所有UZ自由度约束住，也可用于2D分析。三种点—点接触单元中CONTA178单元提供最强的功能：更多的接触算法，确切的接触约束协调性（“0〞穿透），更多的接触行为选项，定义接触法向更灵活

2、点—点接触单元可以模拟面—面接触问题，假使：相对滑动变形量可以忽略，两个面的偏移（转动）保持很小

3、点—点接触单元在节点处传递力，此特性限制它们只能用低能单元（角节点），由于带中间节点的单元节点上约束反力不均匀。5.2点—点接触单元的生成方法有三种方法生成点—点接触单元：1、直接生成；

2、在重合节点（或接近重合）上生成单元Step1.在表面上选择节点，Step2.为点—点接触单元设置单元属性，Step3生成单元MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Elements>AutoNumbered>AtCoincidNd；

3、在偏移节点上生成单元：对非重合节点很便利MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Elements>AutoNumbered>offsetNodes。

注意：此特性要求面间的分开必需小于重合容差，且必需小于每个面上节点间的距离。

5.3点—点接触单元选项

1接触协调性，CONTA178提供不同的接触算法：K2：纯拉格朗日乘子法，几乎0穿透和滑移，不需要接触刚度，更多的自由度出现震颤问题，用PCG求解器时不要使用，修正的拉格朗日方法，需要FKN和TOLN，纯罚函数方法，法向拉格朗日乘子法和切向罚函数法，CONTAC12和ConTAC52只限于罚函数法，指定接触刚度，单位：力/长度。

2摩擦和接触行为，三种单元都支持摩擦，可为MU指定非0值，Conta178支持与面—面接触单元同样类型的接触行为：

标准－粗糙－不分开（滑动）－绑定－不分开（永远）－绑定接触（永远）－绑定接触（初始接触），Contac12和Contac52只限于标准摩擦行为。3初始穿透，Conta178允许渐近化初始穿透，Contac12和Contac52支持初始间隙或初始穿透，但不能是渐进化的。

4后处理，这些单元接触结果后处理需要采用ETABLE操作。5.4以下接触分析用GUI与命令流做

Step1.恢复数据库文件UtilityMenu>File>Resumefrom，Node-to-node.dbStep2.添加3D点—点接触单元/prep7et,3,conta178

Step3.为接触单元定义实常数，MainMenu>preprocessor>Add/Edit/DeleteStep4.设置单元属性Type,3!Conta178Mat,1Real,1

Step5.在重合节点建立点-点接触单元MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Elements>AutoNumbered>AtCoincidNdToleranceofCoincidence=0.0001NodalnumberOrdering=“Lowtohigh〞或命令:EINTF,0.0001

Step6.求解接触分析/Solusolve

注意：假使Conta178节点重合，则必需通过实常数NX,NY,NZ（间隙方向矢量的全局笛卡尔坐标X,Y,Z的分量）指定间隙方向。对本模型、接触方向平行于Y轴，因此矢量坐标为=。

Step7指定接触法向方向矢量GUI:MainMenu>Preprocessor>RealConstants>Add/Edit/Delete→选set1→→Type3CONTA178→→Definedgapnormal_Xcomp.NX=0→Definedgapnormal_Ycomp.NY=1→Definedgapnormal_Zcomp.NZ=0或命令:RMODIF,1,6,0,1,0。

Step8求解小位移接触分析（注意：conta178单元不支持大变形）无论小变形还是大变形分析中单元保持其初始方向。/Solusolve。

Step9.后处理Esel,s,Ename,,solid185→/POST1→PLNSOL,S,EQV→或MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu→StressVonMisesSEQV→。Step10.选择接触单元进行后处理，UtilityMenu>Select>Entities→Elements→ByElemNameElementNAME=Conta178→或命令:ESEL,S,Ename,,Conta178。

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