ANSYSworkbench教程

2013-06-05 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

第一章簡介

1.1 疲勞概述

結構失效的一個常見原因是疲勞,其造成破壞與重復加載有關。疲勞通常分為兩類:高周疲勞是當載荷的循環(重復)次數高(如1e4 -1e9)的情況下產生的。因此,應力通常比材料的極限強度低,應力疲勞(Stress-based)用于高周疲勞;低周疲勞是在循環次數相對較低時發生的。塑性變形常常伴隨低周疲勞,其闡明了短疲勞壽命。一般認為應變疲勞(strain-based)應該用于低周疲勞計算。
在設計仿真中,疲勞模塊拓展程序(Fatigue Module add-on)采用的是基于應力疲勞(stress-based)理論,它適用于高周疲勞。接下來,我們將對基于應力疲勞理論的處理方法進行討論。
1.2 恒定振幅載荷
在前面曾提到,疲勞是由于重復加載引起:
當最大和最小的應力水平恒定時,稱為恒定振幅載荷,我們將針對這種最簡單的形式,首先進行討論。
否則,則稱為變化振幅或非恒定振幅載荷。
1.3 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,是指主應力的比例是恒定的,并且主應力的削減不隨時間變化,這實質意味著由于載荷的增加或反作用的造成的響應很容易得到計算。
相反,非比例載荷沒有隱含各應力之間相互的關系,典型情況包括:
    σ₁/σ₂=constant
    在兩個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。
1.4 應力定義
    考慮在最大最小應力值σ_min和σ_max作用下的比例載荷、恒定振幅的情況:
    應力范圍Δσ定義為(σ_max-σ_min)
    平均應力σ_m定義為(σ_max+σ_min)/2
    應力幅或交變應力σa是Δσ/2
    應力比R是σ_min/σ_max
    當施加的是大小相等且方向相反的載荷時,發生的是對稱循環載荷。這就是σ_m=0,R=-1的情況。
    當施加載荷后又撤除該載荷,將發生脈動循環載荷。這就是σ_m=σ_max/2,R=0的情況。
1.5 應力-壽命曲線
載荷與疲勞失效的關系,采用的是應力-壽命曲線或S-N曲線來表示:
    (1)若某一部件在承受循環載荷, 經過一定的循環次數后,該部件裂紋或破壞將會發展,而且有可能導致失效;
    (2)如果同個部件作用在更高的載荷下,導致失效的載荷循環次數將減少;
    (3)應力-壽命曲線或S-N曲線,展示出應力幅與失效循環次數的關系。
S-N曲線是通過對試件做疲勞測試得到的彎曲或軸向測試反映的是單軸的應力狀態,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、殘余應力以及存在的應力集中,載荷環境,包括平均應力、溫度和化學環境,例如,壓縮平均應力比零平均應力的疲勞壽命長,相反,拉伸平均應力比零平均應力的疲勞壽命短,對壓縮和拉伸平均應力,平均應力將分別提高和降低S-N曲線。
因此,記住以下幾點:一個部件通常經受多軸應力狀態。如果疲勞數據(S-N 曲線)是從反映單軸應力狀態的測試中得到的,那么在計算壽命時就要注意:(1)設計仿真為用戶提供了如何把結果和S-N曲線相關聯的選擇,包括多軸應力的選擇;(2)雙軸應力結果有助于計算在給定位置的情況。
平均應力影響疲勞壽命,并且變換在S-N曲線的上方位置與下方位置(反映出在給定應力幅下的壽命長短):(1)對于不同的平均應力或應力比值,設計仿真允許輸入多重S-N曲線(實驗數據);(2)如果沒有太多的多重S-N曲線(實驗數據),那么設計仿真也允許采用多種不同的平均應力修正理論。
早先曾提到影響疲勞壽命的其他因素,也可以在設計仿真中可以用一個修正因子來解釋。
1.6 總結
    疲勞模塊允許用戶采用基于應力理論的處理方法,來解決高周疲勞問題。
    以下情況可以用疲勞模塊來處理:
    恒定振幅,比例載荷(參考第二章);
    變化振幅,比例載荷(參考第三章);
    恒定振幅,非比例載荷(參考第四章)。
    需要輸入的數據是材料的S-N曲線:
    S-N曲線是疲勞實驗中獲得,而且可能本質上是單軸的,但在實際的分析中,部件可能處于多軸應力狀態。
S-N曲線的繪制取決于許多因素,包括平均應力,在不同平均應力值作用下的S-N曲線的應力值可以直接輸入,或可以執行通過平均應力修正理論實現。