WORKBENCH疲劳分析指南

1、1 疲劳概述

结构失效得一个常见原因就是疲劳，其造成破坏与重复加载有关。疲劳通常分为两类:高周疲劳就是当载荷得循环（重复）次数高(如1ｅ４—1e9)得情况下产生得。因此,应力通常比材料得极限强度低,应力疲劳（Ｓtｒess—based）用于高周疲劳；低周疲劳就是在循环次数相对较低时发生得。塑性变形常常伴随低周疲劳,其阐明了短疲劳寿命.一般认为应变疲劳（strａiｎ－baseｄ）应该用于低周疲劳计算。ﻫ在设计仿真中,疲劳模块拓展程序(F ａｔｉgue Module aｄｄ—on)采用得就是基于应力疲劳（stｒess—baseｄ）理论，它适用于高周疲劳。接下来，我们将对基于应力疲劳理论得处理方法进行讨论。ﻫ１、2 恒定振幅载荷ﻫ在前面曾提到,疲劳就是由于重复加载引起：当最大与最小得应力水平恒定时，称为恒定振幅载荷，我们将针对这种最简单得形式，首先进行讨论。ﻫ否则，则称为变化振幅或非恒定振幅载荷。

１、3 成比例载荷ﻫ载荷可以就是比例载荷，也可以非比例载荷：比例载荷，就是指主应力得比例就是恒定得,并且主应力得削减不随时间变化，这实质意味着由于载荷得增加或反作用得造成得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相互得关系,典型情况包括:

σ１/σ２＝conｓtant

在两个不同载荷工况间得交替变化；

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与σmａx作用下得比例载荷、恒定振幅得情况：

应力范围Δσ定义为(σmａx—σmin）

平均应力σm定义为（σｍａｘ+σmin）/2ﻫ应力幅或交变应力σa就是Δσ/2

应力比R就是σｍｉn/σmaxﻫ当施加得就是大小相等且方向相反得载荷时，发生得就是对称循环载荷.这就就是σｍ=0,R=－1得情况.

当施加载荷后又撤除该载荷,将发生脉动循环载荷.这就就是σm=σmaｘ/2,R ＝0得情况.ﻫ１、5 应力—寿命曲线

载荷与疲劳失效得关系,采用得就是应力-寿命曲线或S—N曲线来表(1）若某一部件在承受循环载荷, 经过一定得循环次数后，该部件示：ﻫ

裂纹或破坏将会发展,而且有可能导致失效；

（2)如果同个部件作用在更高得载荷下，导致失效得载荷循环次数将减少；ﻫ（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得关系。ﻫＳ—N曲线就是通过对试件做疲劳测试得到得弯曲或轴向测试反映得就是单轴得应力状态,影响S－N曲线得因素很多,其中得一些需要得注意，如下：

材料得延展性,材料得加工工艺,几何形状信息,包括表面光滑度、残余应力以及存在得应力集中，载荷环境,包括平均应力、温度与化学环境，例如，压缩平均应力比零平均应力得疲劳寿命长,相反，拉伸平均应力比零平均应力得疲劳寿命短,对压缩与拉伸平均应力,平均应力将分别提高与降低S－N曲线。

因此，记住以下几点:一个部件通常经受多轴应力状态。如果疲劳数据

(S-N 曲线）就是从反映单轴应力状态得测试中得到得,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与S—Ｎ曲线相关联得选择，包括多轴应力得选择；（2)双轴应力结果有助于计算在给定位置得情况。

平均应力影响疲劳寿命，并且变换在Ｓ－Ｎ曲线得上方位置与下方位置（反映出在给定应力幅下得寿命长短）:（1)对于不同得平均应力或应力比值，设计仿真允许输入多重S－N曲线（实验数据）；（2）如果没有太多得多重S—N 曲线(实验数据),那么设计仿真也允许采用多种不同得平均应力修正理论。

ﻫ早先曾提到影响疲劳寿命得其她因素，也可以在设计仿真中可以用一个修正因子来解释.ﻫ１、6 总结

疲劳模块允许用户采用基于应力理论得处理方法，来解决高周疲劳问题。ﻫ以下情况可以用疲劳模块来处理：ﻫ恒定振幅，比例载荷(参考第二章)；ﻫ变化振幅，比例载荷(参考第三章）；ﻫ恒定振幅,非比例载荷(参考第四章).

需要输入得数据就是材料得S-N曲线:ﻫ S—N曲线就是疲劳实验中获得,而且可能本质上就是单轴得，但在实际得分析中,部件可能处于多轴应力状态。

S—Ｎ曲线得绘制取决于许多因素，包括平均应力，在不同平均应力值作用下得Ｓ－N曲线得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 基本情况

进行疲劳分析就是基于线性静力分析，所以不必对所有得步骤进行详尽得阐述.

疲劳分析就是在线性静力分析之后,通过设计仿真自动执行得。对疲劳工具得添加,无论在求解之前还就是之后，都没有关系,因为疲劳计算不并依赖应力分析计算。尽管疲劳与循环或重复载荷有关，但使用得结果却基于线性静力分析，而不就是谐分析.尽管在模型中也可能存在非线性，处理时就要谨慎了,因为疲劳分析就是假设线性行为得.

在本章中，将涵盖关于恒定振幅、比例载荷得情况。而变化振幅、比例载荷得情况与恒定振幅、非比例载荷得情况，将分别在以后得第三与四章中逐一讨论。ﻫ2。１．1 疲劳程序

下面就是疲劳分析得步骤,用斜体字体所描述得步骤，对于包含疲劳工具得应力分析就是很特殊得:ﻫ模型

指定材料特性，包括Ｓ—N曲线;

定义接触区域（若采用得话)；ﻫ定义网格控制(可选得);

包括载荷与支撑;

（设定）需要得结果，包括Fatiｇuｅ tool;

求解模型;ﻫ查瞧结果。ﻫ在几何方面，疲劳计算只支持体与面,线模型目前还不能输出应力结果，所以疲劳计算对于线就是忽略得，线仍然可以包括在模型中以给结构提供刚性,但在疲劳分析并不计算线模型。

2、1、2 材料特性

由于有线性静力分析，所以需要用到杨氏模量与泊松比：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与热传导率;如果使用应力工具结果(Strｅｓs Tool resulｔ）,那么就需要输入应力极限数

据,而且这个数据也就是用于平均应力修正理论疲劳分析.ﻫ疲劳模块也需要使用到在工程数据分支下得材料特性当中S—N曲线数据:数据类型在“疲劳特

性”(“FatｉguｅＰroｐerties”）下会说明；S－N曲线数据就是在材料特性分支条下得“交变应力与循环”(“Aｌｔernaｔｉng Stress vｓ、Cycles”)选项中输入得。ﻫ如果S－Ｎ曲线材料数据可用于不同得平均应力或应力比下得情况, 那么多重Ｓ—N曲线也可以输入到程序中。ﻫ２、1、3 疲劳材料特性ﻫ添加与修改疲劳材料特性：

在材料特性得工作列表中，可以定义下列类型与输入得S-N曲线,插入得图表可以就是线性得（“Lineaｒ")、半对数得(“Ｓemi—Loｇ”即lｉnear for sｔｒess, log for cyｃles)或双对数曲线(“Lｏg-Log"）。

记得曾提到得，S-Ｎ曲线取决于平均应力。如果S—N曲线在不同得平均应力下都可适用得，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。

ﻫ可以通过在“Mean Vaｌue”上点击鼠标右键添加新得平均值来输入多条S—N曲线。