Solidworks 基础及其教程- 3

Solidworkssimulation仿真教程6.1疲劳分析基础知识Solidworkssimulation仿真教程第6章 疲劳分析疲劳的基本概念疲劳的分类疲劳术语平均应力修正方法疲劳分析的应用领域疲劳的基本概念1. 疲劳失效。疲劳失效（FatigueFailure）是指材料或结构在循环载荷（交变应力）作用下，经历一定次数的应力循环后，零件或者构件的局部位置产生疲劳裂纹并扩展，即使应力幅值远低于材料的静态强度极限，仍发生突然断裂的现象。2. 疲劳强度。疲劳强度是指材料在无限多次交变载荷的作用下产生破坏的最大应力，也称疲劳极限。3. 疲劳寿命。材料或者结构在疲劳破坏之前经历的应力循环次数成为疲劳寿命。4. 疲劳失效的破坏机理。疲劳失效是材料在循环应力作用下，经历裂纹萌生、扩展和最终断裂的过程。其破坏机理涉及微观结构演变、裂纹形成及扩展动力学。2.疲劳的分类1. 高周疲劳。高周疲劳指载荷循环次数高的情况下产生的疲劳失效。工作应力通常低于材料的屈服极限，通常循环载荷在时，规划为高周疲劳。高周疲劳应力幅值起到主要的疲劳破坏作用，又称应力疲劳。2. 低周疲劳。低周疲劳是指在循环次数较低（通常少于10^4~10^5次）时发生的疲劳失效。其特点是应力水平接近或超过材料的屈服极限，导致显著的塑性应变。在此状态下，塑性应变是疲劳破坏的主控因素，因此也常被称为“应变疲劳”。该分析方法需要采用基于弹塑性力学的特定程序，本书不包含此部分。3.载荷分类。按照载荷变化情况可分为恒定振幅载荷、变化振幅载荷、比例载荷和非比例载荷2.疲劳的分类(1)恒定振幅载荷恒定振幅载荷指在循环载荷中，每个应力循环的最大应力和最小的应力均保持不变，即应力循环时具有相同的应力幅值及平均应力，成为恒定应力载荷。该载荷由交替应力、平均应力、应力比率和周期数4个参数定义。2.疲劳的分类(2)变化振幅载荷变化振幅载荷（VariableAmplitudeLoading）是指幅值随时间发生变化的动态载荷，与恒定振幅载荷相对。在实际工程环境中，绝大多数结构承受的载荷都属于变化振幅载荷。(3)比例载荷在振动分析中，比例载荷是指结构各点所受动态载荷随时间保持固定比例关系的加载状态。(4)非比例载荷在振动分析中，非比例载荷是指结构各点所受动态载荷随时间不保持固定比例关系的加载状态。3.疲劳术语1.疲劳强度在给定的周期数下，疲劳失效发生时的应力，3.疲劳术语2.疲劳极限在循环次数趋于无穷时，疲劳不发生失效的最大应力。实际中一般取一个较大的循环次数下的疲劳强度为疲劳极限，一般选取周次的循环下的疲劳强度。金属材料的疲劳极限（通常指旋转弯曲疲劳极限）与其屈服强度的比值因材料类型、加载条件和表面状态而异。3.疲劳术语3.S-N曲线（应力-寿命曲线）S-N曲线（应力-寿命曲线）是描述材料在循环载荷作用下应力幅（S）与失效循环次数（N）之间关系的曲线，是疲劳分析的核心工具之一。准确的S-N曲线可以通过实际产品或者同类型、相同材料的产品经过疲劳测试来获得。但大多数情况下，没有实验条件获取准确的实验结果，所以需要参考各种工具手册提供的S-N曲线。大多数的S-N曲线是从单轴对称循环应力周期的疲劳测试中获得。如果存在不同平均应力比率的曲线，则需要使用平均应力纠正算法来处理。大多数经过测试的S-N曲线的数据都是分散的，需要进行数学拟合的方法，得到一条光滑的曲线，为了更加安全，大多数的工件手册将拟合的S-N曲线取一个可靠系数0.52，这样虽然降低了疲劳强度，但增加了系统安全性。4.平均应力修正方法在工程结构和机械部件的疲劳寿命分析中，载荷循环的平均应力对材料的疲劳性能具有显著影响。标准的S-N曲线（应力-寿命曲线）通常基于对称循环应力，但实际工况往往存在非零的平均应力。因此，平均应力修正成为疲劳分析的关键步骤，其目的是将非对称循环应力通过修正模型（如Goodman、Gerber）将的影响量化，并转化为等效对称应力，使标准S-N曲线可直接使用。5.疲劳分析的应用领域（1）机械与装备制造（2）结构优化设计（3）飞机结构疲劳管理（4）损伤容限设计（DamageTolerance）（5）汽车工业中车辆结构疲劳分析（6）土木与建筑工程领域中结构的疲劳分析（7）电子与微机电系统（MEMS）疲劳分析6.2疲劳分析属性设置Solidworkssimulation仿真教程第6章 疲劳分析5.2屈曲分析属性设置疲劳分析之前可进行分析的属性设置，可以定义具有恒定高低幅度事件或可变高低幅度事件的研究。算例中不仅能含恒定高低幅度事件，又包含可变高低幅度事件。具体的设置页面如图6.5所示。5.2屈曲分析属性设置选项名称内容含义恒定振幅事件交互作用随意交互作用该软件会考虑将不同事件产生的峰值应力相混合来求出交替应力的可能性。只有在定义了一个以上的疲劳事件时，此选项才有意义。对于ASME锅炉和压力容器，建议采用此选项。它比“无交互作用”选项更保守（预测更大的破坏）无交互作用该软件假定事件按顺序一个接一个地发生，没有任何交互作用。对于参考多个研究的疲劳事件的研究，即使选择“无交互作用”选项，程序也会根据“随机”选项计算峰值应力计算交替应力的手段雨流记数的箱数设定可变高低幅度记录分解的箱数。例如，如果输入32，程序会将载荷分解为32个等间距的范围。每个范围内的载荷是恒定的。最大箱数为200在以下过滤载荷周期程序将滤掉范围小于最大范围的指定百分比的载荷周期。例如，如果指定3%，程序将忽略载荷范围小于载荷历史最大范围3%的周期。使用此参数可滤掉测量设备的噪声。指定大数字会扭曲可变高低幅度记录，并会导致低估破坏。为准确预测破坏，滤掉的最高交错应力不应大于任何关联的S-N曲线的对等持久极限壳体面上视为顶部外壳面执行疲劳分析下视为底部外壳面执行疲劳分析6.3实例：带孔平板疲劳分析Solidworkssimulation仿真教程第6章 疲劳分析建立静应力分析系统边界约束和施加载荷运行结果建立疲劳分析系统疲劳分析运行结果6.3实例：带孔平板疲劳分析本节将对一个带孔平板进行等幅疲劳分析，板承受对称的交变载荷。重点学习如何定义材料的S-N曲线，以及如何正确地解释疲劳结果。如图66所示，一个中间带有圆孔的平板，材料为普通碳钢，观察板在等幅交变载荷作用下的疲劳寿命分布情况。1.建立静应力分析系统疲劳分析系统的分析是需要建立在静应力分析的基础上，因此需要先建立一个静应力分析系统。单击①【新算例】在弹出的菜单中选择②【静应力分析】，将【名称】改为“带孔平板-静应力分析1”。对结构进行材料赋值，单击④【应用材料】在弹出的菜单中选择⑤【普通碳钢】单击⑥【应用】，这样完成材料的赋值，如图67所示。1.建立静应力分析系统2.边界约束和施加载荷单击【夹具】选项，在弹出的对话框中单击⑦【固定几何体】，【点线面】选择框中选择平板的底面进行固定约束。单击【外部载荷】选项，在弹出的对话框中选择⑧【力】，在【点线面】选择框中选择平板的顶面施加一个方向向外的拉力，拉力值为20000N。3.运行结果单击【运行】选项后，系统自动运行通常会计算应力、应变和变形三个结果值。在应力分析中默认为von-Mises应力，本次分析结果最大von-Mises应力值为141MPa，材料屈服强度为221MPa，分析结果占屈服强度的63.8%，根据前面内容可知，钢铁材料的疲劳极限通常为屈服强度的35%~60%，即本次分析的结果表明，该结构的最大应力是超过材料的疲劳极限的，在循环载荷作用下是可能发生疲劳破坏的。那到底多少次的周期循环载荷会让材料产生疲劳破坏呢？下一步进行疲劳系统分析，3.运行结果4.建立疲劳分析系统右键单击①【新算例】选项，在弹出菜单中选择②【疲劳】中的第一个选项【已定义周期的恒定高低幅度事件】，单击③【名称】将分析名称定义为“带孔平板-疲劳1”。在名称④“带孔平板-疲劳1”上单击右键鼠标，弹出对话框中选择⑤【属性】4.建立疲劳分析系统单击⑥【无交互作用】，即考虑单作用载荷，不考虑多个载荷之间的交互影响作用。如果需要考虑交替应力的影响，选择单击⑦【对等应力（von-Mises）】，单击⑧无平均应力纠正，对于平均应力不等于0的周期性载荷，需要进行平均应力修正。4.建立疲劳分析系统在“带孔平板（ASME碳钢）”上单击鼠标右键，在弹出的对话框中单击⑨【应用/编辑疲劳数据】，在弹出的对话框中单击⑪【疲劳SN曲线】选项，单击⑫【插值】这里选择“双对数”差值，前章节中已经介绍线性插值法、双对数插值法和半对数插值法，以及每种插值法与材料的匹配问题。由于本次实例属于钢材的高周疲劳问题，所以更适用于双对数插值法。【定义】选项中，选择“曲线0（R=-1）”即应力比等于-1，即平均应力为0，且最小应力与最大应力之比为-1。单击⑬【从材料弹性模量派生】，从选项中选择⑭“基于ASME碳钢曲线”。选择后，即可在【表格数据】选项中推导出材料SN的疲劳寿命曲线。单击⑮【视图】选项，可以曲线形式展示出材料的SN曲线。4.建立疲劳分析系统4.建立疲劳分析系统单击⑯【负载（恒定负载）】选项，在弹出的对话框中单击⑰【添加事件】选项，在弹出对话框中单击⑱【周期】选项框中输入100000次的循环周期。【负载类型】选择“完全翻转（LR=-1）”。5.疲劳分析运行结果在①【结果】选项上单击鼠标右键，在弹出对话框中单击②【定义疲劳图解选项】，本软件可以展示“生命”、“损坏”、“载荷因子”和“双轴性指示符”四种选项，从四个角度以图解的形式展示材料的疲劳结果。单击③【列出疲劳结果】可以从四个角度以数据的形式来展示材料的疲劳结果。5.疲劳分析运行结果【高级选项中】④“极端值”和⑤“范围”规划显示数据的取值范围。④“极端值”包含“绝对最大值”、“代数最大值”和“代数最小值”，可以以百分比的形式展示出所有节点中前5%的节点的“极端值”数值。还可以单击⑥【范围】选项卡，以节点变化范围的形式，确定数据的展示范围，5.疲劳分析运行结果“损坏图解”可以将疲劳导致的损坏率以百分比的形式展示出来，也可理解为由定义的疲劳事件造成的结构生命的百分比。本次分析中，方板内孔中间位置即红色区域的最大损坏百分比为108.65%。1、【损坏】图解5.疲劳分析运行结果将定义的疲劳事件造成的结构生命周期以图解的形式展示出来，可以展示出每个部位在疲劳事件作用下的生命周期数量。2、【