ansys疲劳分析资料

1.1疲劳概述

构造失效II勺•种常见因索是疲劳，其导致破坏与反复加载有关。疲劳•般分为两类：高周疲劳是当

载荷的循环(反史)次数高(如le4Te9)的状况下产生的。因此，应力一般比材料的极限强度低，应力疲

劳(Stress-based)用于高周疲劳：低周疲劳是在循环次数相对较低时发生H勺。塑性变形常常隙着低周疲

劳，其阐明了短疲劳寿命。•般觉得应变疲劳(strain-based)应当用于低周疲劳计兑。

在设计仿真中，疲劳模块拓展程序(FatigueModuleadd-on)采用的是基「应力疲劳(slress-based)

理论，它合用于高周疲劳。接下来，我们将对基于应力疲劳理论的解决措施进行讨论。

1.2恒定振幅载荷

在前面曾提到，疲劳是由于反且加载引起：

当最大和最小的应力水平恒定期，称为恒定振幅载荷，我们将针对这种最简朴的形式，一方面进行

讨论。

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

的增长或反作用时导致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互相的关系，典型状况涉及：

°J°kconstant

在两个不同载荷工况间的交替变化：

交变载荷筏加在除载荷上；

非线性边界条件。

1.4应力定义

考虑在最大最小应力值。岬和。…作用下小J比例载荷、恒定振幅的状况：

应力范畴A。定义为

平均应力。”定义为(。7+。公/2

应力幅或交变应力。a是9。/2

应力比R是。…

当施加的是大小相等且方向相反的载荷时，发生的是时称循环载荷。这就是。♦=0,R=T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。.=。3/2,R=0的状况。

1.5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曲线来表达：

(1)若某一部件在承受循环载荷，通过一定的循环次数后，该部件裂纹或破坏将会发展，并且有也

许导致失效：

<2)如果同个部件作用在更高的载荷下，导致失效的我荷循环次数将减少；

(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仙线是通过对试件做疲劳测试得到的弯曲或轴向测试反映II勺是单轴的应力状态，影响SN曲线

的因素诸多，其中的某些需要的注意，如下：

材料的延展性，材料的加工工艺，几何形状信息，涉及表面光滑度、残存应力以及存在的应力集中，

载荷环境，涉及平均应力、温度和化学环境，例如，压缩平均应力比零平均应力口勺疲劳寿命长，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减少S-N曲线.

因此，记住如下几点：一种部件一般经受多轴应力状态。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II勺，那么在计算寿命时就要注意：(1)设计仿真为顾客提供了如何把成果和S、曲线

有关联I向选择，涉及多轴应力的选择：(2)双轴应力成果有助于计算在给定位置的状况。

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）：（1）对「不同的平均应力或应力比值，设计仿真容许输入多重S-N曲线（实验数据）；（2）如果

没有太多的多重S-N曲线（实验数据），那么设计仿真也容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种修正因子来解释。

1.6总结

疲劳模块容许顾客采用基于应力理论时解决措施，来解决高周疲劳问题。

如下状况可以用疲劳模块来解决：

恒定振幅，比例载荷（参照第二章）；

变化振幅，比例载荷（参照第三章）：

恒定振幅，非比例载荷（参照第四章）。

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，并且也许本质上是单轴的，但在实际的分析中，部件也许处在多轴应

力状态。

S-N曲线的绘制取决;许多因素，涉及平均应力，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。

2.1基本状况

进行疲劳分析是基于线性静力分析，因此不必对所有的环节进行详尽的论述。

疲劳分析是在线件静力分析之后,通过设计仿直白动执行的.对痣劳「具的添加.无论在求解之前

还是之后，都没有关系，由于疲劳计算不并依赖应力分析计算。尽管疲劳与循环或反红载荷有关，但使用

的成果却基于线性静力分析，而不是谐分析。尽管在模型中也也许存在非线性,解决时就要谨慎了，由于疲

劳分析是假设线性行为的。

在本章中，将涵盖有关恒定振幅、比例我荷的状况。而变化振幅、比例载荷的状况和恒定振幅、祚

比例载荷的状况，将分别在后来的第三和四章中逐个讨论。

2.1.1疲劳程序

下面是疲劳分析的环节，用斜体字体所描述的环节，对于涉及疲劳工具的应力分析是很特殊的：

模型

指定材料特性,涉及S-N曲线:

定义接触区域（若采用的话）：

定义网格控制（可选的）：

涉及载荷和支擦：

（设定）需要的成果,涉及Fatiguetool：

求解模型；

查当作果。

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成果，因此疲劳计算对于线是忽

视的，线仍然可以涉及在模型中以给构造提供刚性，但在疲劳分析并不计算线模型。

2.1.2材料埼性

由于有线性静力分析，因此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：如果使用应力工具成果［StressToolresult）,那么就需

要输入应力极限数据，并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”（“FatigueProperties"）下会阐明：S-N曲线数据是在材料特性分支条下的“交变应力与循

环”（^AlternatingStressvs.Cyclesw）选项中输入的。

如果S-N仙线材料数据可用于不同的平均应力或应力比下的状况，那么多垂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『'JSN曲线，插入的图表可以是线性口勺

("Linear")、半对数I向("Scui-Log"即linearforstress,logforcycles)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合用11勺，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“MeanValue”上点击鼠标右键添加新II勺平均值来输入多条S-N曲线。

2.1.4疲劳特性曲线

材料特性信息可以保存XML文献或从XML文献提取，保存材料数据文献，在material条上按右键，

然后用“Export…”保存成XML外部文献，疲劳材料特性将自动写到XML文献中，就像其他材料数据同样。

某些例举I付材料特性在如下安装途径下可以找到：

C:\ProgramFiles\AnsysInc\v80\AIS0L\CommonFiles\Language\en-us\EngineeringData\Materials,

“Aluminum”和"StructuralSteel”的XML文献,包具有范例疲劳数据可以作为参照，疲劳数据随着材

料和测试措施的不同而TT所变化，因此很重要•点就是，顾客要选用能代表自己部件疲劳性能的数据

2.1.5接触区域

接触区域可以涉及在疲劳分析中，注意，对于在恒定振幅、成比例载荷状况下解决疲劳时，只能涉

及绑定（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可

以涉及在内，但也许不再满足成比例载荷的规定。例如，变化载荷的方向或大小，如果发生分离，则也许

导致主应力轴向发生变化：如果有非线性接触发生，那么顾客必须小心使用，并且仔细判断：对于非线性

接触，若是在恒定振幅的状况下，则可以采用非比例载荷的措施替代计算疲劳寿命。

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也许使用，但有些类型的战荷和支撑不导致比例载荷：螺栓

致荷对压缩圆柱表面侧施加均布力，相反，圆柱的相反•侧的载荷将变化：预紧螺栓载荷•方面施加预紧

载荷，然后是外载荷，因此这种载荷是分为两个载荷步作用口勺过程：压缩支撑（CompressionOnlySupport）

仅制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佳不要用于恒定振幅和

比例载荷的疲劳计算。

2.1.7（设定）需要的成果

对于应力分析的任何类型成果，都也许需要用到：应力、应变和变形-接触成果（如果版本支持）：

应力工JI（StressTool）«

此外，进行疲劳计算时，需要插入疲劳工具条（FatigueTool）：在Solution子菜单下，从有关

的工具条上添加“Tools>FatigueTool",EatigueTool的明细窗中将控制疲劳计算的求解选项:疲劳

工具条（FatigueTool）将出目前相应的位置中，并且也可添加相应的疲劳云图或成果曲线，这些是在分

析中会被用到的疲劳成果，如寿命和破坏。

2.1.8需要的成果

在疲劳计算被具体地定义后来，疲劳成果可卜在FatigueTool卜指定；等值线成果（Contour）涉

及Lifes（寿命）,Damage（损伤）,SafetyFactor（安全系数），Biaxialitylndication（双轴批示），以

及EquivalentAlternatingStress（等效交变应力）：曲线图成果（grajhresults））仅涉及对于恒定振

幅分析的疲劳敏感性（fatiguesensitivity）；这些成果的具体分析将只做简短讨论。

2.2FatigueTool

2.2.1载荷类型

当FatigueTool在求解子菜单下插入后来，就可以在细节栏中输入疲劳阐明：载荷类型可以在

“Zero-Based"、“FullyReversed”和给定的“Rati。”之间定义；也可以输入一种比例因子，来按比例

缩放所有的应力成果。

2.2.2平均应力影响

在前面曾提及，平均应力会影响S-N曲线的成果.而“AnalysisType”阐明了程序对平均应力的

解决措施：

“SN-None”：忽视平均应力的影响

uSN-MoanStroseCurves**t使用多重S-N曲线(如果定义的话)

“SN-Goodman,”“SN-Soderberg,”和“SNferber"：可以使用平均应力修正理论。

如果有可用的实验数据，那么建议使用多重S-N曲线(SN-McanStressCurves)：

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，这里的措施在于

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，随着平均应力的增长，应力幅将有所减少：

2.随着应力幅趋近零，平均应力将趋近于极限(屈服)强度：

3.尽管平均压缩应力一般可以提供诸多的好处，但保守地讲，也存在着许多不利的因素

(sealing=l=constant)。

Goodman理论合用于低韧性材料，对压缩平均应力没能做修正，Soderberg理论比Goodman理论更

保守，并且在有些状况下可用于脆性材料，Gerbei,理论可以对韧性材料叼拉伸平均应力提供较好的拟合，

但它不能对的地预测山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>ControlPanel：Fatiguc>AnalysisType”中进行设立

-如果存在多重S-N曲线，但顾客想要使用平均应力修正理论，那么将会用到在。m=0或R=-lINS-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，尚有其他某些影响ST曲线的因素，这些其他即响因素可以集中体目前疲

劳强度（减少）因子Kf中，其值可以在FaiigueTool的细节栏中输入，这个值应小于1,以便阐明实际部

件和试件的差别，所计算II勺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，注意到疲劳实验一般测定的是单轴应力状态，必须把单.轴应力状态转换到一种标量值，

以决定某•应力幅下（S-N曲线）的疲劳循环次数。FatigueTool细节栏中的应力分后（“Stress

Component”）容许顾客定义应力成果如何与疲劳曲线S-N进行比较。6个应力分量的任何一种或最大剪切

应力、最大主应力、或等效应力也都也许被使用到。所定义的等效应力标示的是最大绝对主应力，以便阐

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行完后来自动地进行，与应力分析il•算相比，恒定振幅状况的疲劳”•算一

般会快得多。如果•种应力分析已经完毕，那么仅选择Solution或FatigueTool分支并点击Solve,便

可开始疲劳计算。在求解菜单中（solutionbranch）I向工作表将没有.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查看疲劳成果

对「恒定振幅和比例载荷状况，有几种类型的疲劳成果供选择：

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曲线失效叼最大循环次数是lc6,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（Detailsview）中定义，设计

寿命的缺省值可通过卜面进行定义MTools>ControlPanel:Fatigue>DesignLife.

SafetyFactor（安全系数）：安全系数等值线是有关一种在给定设计寿命下的失效，设计寿命值

在细节栏（Detailsview）输入，给定最大安全系数SF值是15。

Biaxialilylndicalion：应力双轴等值线有助于拟定局部的应力状态，双轴批示

（Biaxialityindication）是较小与较大主应力的比值（对于主应力接近0时被忽视）.因此，单轴应力局

部区域为B值为0,纯剪切的为T,双轴的为1。

等效交变应力（EquivalentAlternatingStress）：等值线在模型上绘出了部件H勺等效交变应力,

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（que»）S-N曲线II勺应力。

疲劳敏感性（FatigueSensitivity）：一种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，可以输入载荷变化的极限（涉及负比率），曲线图的缺省选项，“Toolsmenu>

Oplions…Simulation：Fatigue>Sensitivity"。

任何疲劳选项的范畴可以是选定的部件（parts）和/或部件的表面，收敛性可用于等值线成果。收

敛和警告对疲劳敏感性图是无效的，由于这些图提供有关我荷的敏感性（例如，没有为了收敛目的而指定的

标量选项）C

疲劳工具也可以与求解组合一起使用，在求解组合中，多重环境也许被组合。疲劳计算将基于不同

环境的线性组合的成果。

2.5总结

CQ，

虹•・一7••

a建立一种应力分析（线性，比例载荷）b定义疲劳材料特性,涉及ST曲线

C定义载荷类型和平均应力影响的解决d求解和后解决疲劳成果Solveandpostprocessfatigue

results

第三章不稳定振幅的疲劳

在前面一章中,考察了恒定振幅和比例载荷的状况，并波及到最大和最小振幅在保持恒定时状况下

的循环或反复我荷。在本章将针对不定振情、比例载荷状况,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。

不规律教荷的历程和循环（HistcryandCycles）

对于不规律载荷历程,需要进行特殊解决：

计算不规律载荷历程的循环所使用的是“南流”rainflow循环计算，“南流”循环计算

（Rainflowcyclecounting）是用于把不规律应力历程转化为用于疲劳计算的循环II勺一种技术（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”循环完毕疲劳计算。

损伤累加是通过Palmgren-'liner法则完毕I付，Palmgren-Miner法则的基本思想是：在一种给定的

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。对于在一种给定应力竭下的循环次数Ni,

随着循环次数达到失效次数Nfi时，寿命用尽，达到失效。

“南流”循环计算和Palmgren-Miner损伤累加都用「不定振幅状况。

因此，任何任意载荷历程都可以切提成一种不同I向平均值和范畴值的循环阵列（“多种竖条”）.右

图是“雨流”阵列，指出了在•将个平均值和范叨值下所计鼻的循环次数，较岛值次达这些循环的将出目前

载荷历程中。

在一种疲劳分析完毕后来，每个“竖条”（即“循环”）导致的损伤量将被绘出，对于“雨流”阵列

中的每个“竖条”（bin）,显示II勺是相应的所用掠的寿命量的比例。在这个例子中，虽然大多数循环发生在

低范畴/平均值，但高范畴（range）循环仍会导致重要的损伤。根据PerMiner法则，如果损伤累加到1（100$）,

那么招发生失效。

3.2不定振幅程序

a建立引领分析（线性，比载荷）b定义疲劳材料特性（涉及ST曲线）

a定义载荷历程数据，并以及平为应力的影响的解决b为“雨流”循环次数的计算定义bins的数成

e求解并查看疲劳成果（例如，损伤matrix,损伤等值线图，寿命等值线等）

对于建立.基于不定振幅、匕例载荷状况下疲劳分析的过程，与前面讲过的第二章中简介非常相似,

但有两个例外：载荷类型的定义不同，查看的疲劳成果中涉及变化的“雨流”和损伤阵列。

3.3.定义

3.3.】定义载荷类型

在FatigueToolDetails栏中，载荷类型“Type”指的是历程数据"HistoryData”,既而，

在“HistoryDataLocation”下定义一种外部文献.这个文本文献将会涉及一组循环(或周期)的载荷历程

点，由于历程数据文本文献的数值发达的是载荷的倍数,因此比例因子"ScaleFactor"也可以用于放大我

荷。

3.3.2定义无限寿命

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，载荷历程将被划提成多种平均应力和应力幅的“竖条”(“bins”)。由「损伤是累积起来

的，这些小应力也许导致相称大的彩响，即当循环次数很高时。因此，如果应力幅比ST曲线的最低点低，

“无限寿命”值可以在FatigueTool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『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”设立较大值，小应力幅循环(“Range”)的鹘响导致的损伤将很小，由于损伤

比率较小(damageratio)(.

3.3.3定义binsize

“鞋条尺寸”(“BinSize')也可以在FatigueTool的Details栏中定义，rainflow阵列尺寸是

bin_sizexbin_size。Binsize越大,排列的阵列就越大,「是平均(mean)和范畴(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。

3.3.4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口勺载荷历程数据将产生与第二章中所讲叫恒定

振幅相似的成果。注意，这样的一种载荷历程将产生一种与恒定振幅状况下同样的平均应力和应力幅II勺计

算。这个成果也许与恒定振幅状况有轻微差别取决「竖条的尺寸，由「range的均分方式也许与确切值不

一致，因此，如果应用的话，推荐使用恒定振幅法。

前面的讨论非常清晰地指出“bins”的数目影响求解精度。这是由于交互和平均应力在计免部分损

伤前先被输入到“bins”中。这就是“QuickCounting"技术。

默认措施（由于其效率高）“QuickRainflowCounting”可以在"Detailsview”中关闭，在这种

状况下，部分损伤发现前数据不会被输入到“bins”，因此“bins”的戮目不会影响成果。

虽然这种措施很精确，但它会耗费更多的内存和计算时间。

3.4查看疲劳成果

定义了需要的成果后来,不定振幅状况就可以采用恒定振幅状况相似的方式，与应力分析一起或在

应力分析后来进行求解。由于求解的时间取决于载荷历程和竖条尺寸，所在进行的求解也许要比恒定振幅

状况的时间长，但它仍比常规FEM的求解快。

成果与恒定振幅状况相似：

替代疲劳循环次数，寿命成果报告「直到失效的载荷‘块’的数星。举个例子，如果载荷历程数据

描述了•种给定的时间'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（DamageandSafetyFactor）基于在Details栏中输入的设计寿命基esignLife）,

但仍然是以'块'形式浮现,而不是循环。

Biaxialitylndication（双轴批示）与恒定振幅状况同样，时「不定振幅载荷均可用。

对于不定振幅状况，EquivalentAlternatingStress（等效交变应力）,不能作为成果输出。这是

由于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种值.

FatigueSensitivity（疲劳敏感性）对于寿命‘块’也是可用的。

在不定振幅状况中也有某些自身独特的成果：

Rainflow阵列，虽然不是其实的成果，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提成竖条的信息。

损伤阵列显示的是指定的实体（scopedentities）的评估位置的扳伤。它反映了所生成的每个竖条

损伤的大小。注意，成果是在指定的部件或表面的临界位置上的成果。

第四章非比例载荷的疲劳分析

在第二章中，讨论了恒定振幅和比例载荷状况，本节将针对恒定振幅非比例载荷状况进行简介。其

基本思想是用两个加载环境替代单一加载环境，进行疲劳计算，不采用应力比,而是采用两个我荷环境的

应力值来决定以大最小值。由于同一组应力成果不并不成比例，这就是为什么这种措施称为非比例

(non-proportional)H勺因索，但是两构成果都会使用到，由于需要两个解，因此可以采用求解组合来实现。

对于恒定振幅，非比例状况啊解决过程与恒定振幅、比例毂荷的求峰基本相似，除