Ansys nCode疲劳分析
pera ANSYS nCode DeaignLife 高级疲劳分析技术
疲劳分析背景
哈维兰彗星型客机 —第一个喷气客机（1952） -机体反复承受增压和减压引发金属疲劳 -裂缝在尖角萌生然后扩展至失效 -加压机身的失效引起整个结构的崩溃
民航历史上首次发生因金属疲劳导致的空难事件。
疲劳分析背景
据不完全统计，欧洲每年早期断裂造成的 损失达800亿欧元；
美国每年早期断裂造成的损失达1190亿 美元；
焊缝疲劳
• • • • • 焊接材料不均匀，金相组织不均匀； 焊缝处存在残余应力； 焊缝处几何不连续，存在较大的应力集中； 焊缝处经常存在焊接缺陷； 相对于母材，焊接的疲劳寿命分散性更大。
焊缝疲劳
焊缝Байду номын сангаас劳
• nCode公司与Volvo公司、Chalmers大学联合开发； • 支持多种焊接形式：贴脚焊（fillet）、搭接焊 （overlap）、激光焊（laser）； • 能够智能识别模型中焊缝的信息，从而简化疲劳分析 流程； • 具有焊缝材料拉伸、弯曲情况下的疲劳数据，适合于 weld toe, root 和 throat的破坏；
nCode分析-五框图
ANSYS nCode功能特色
强大的结果输出功能： • 云图、标记显示 • 输出自动鉴别疲劳关键区域和热点； • 疲劳分析结果表格输出； • Studio Glyph自动报告生成
nCode分析-五框图
1 CONTENTS
2
ANSYS nCode特点
3
高级疲劳分析技术
焊缝疲劳
E[0]
m2 m0
m4 E[ P] m2
振动疲劳
LaLanne • 通用宽带技术 • 许多军用标准使用 • 是 ANSYS nCode DesignLife 的默认使用方法
ANSYSnCodeDesignlife高级疲劳寿命分析
ANSYS nCode 的价值
1. 预先进行耐久性评估，减少物理 试验，避免设计和加工改变而导致 的重大损失 2. 通过模拟优化物理试验载荷谱， 大幅减少试验时间和成本
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4 用户案例
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目录
1 产品简介
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ANSYS nCode产品简介
ANSYS nCode DesignLife是 集成在ANSYS Workbench 平台上的高级疲劳分析模块， 为客户提供先进的疲劳分析 解决方案。
完全集成于ANSYS WorkBench平台
Click & Drag操作方式，易学易用
先进的疲劳分析技术 构建任意复杂的载荷谱
强大的疲劳结果输出功能
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完全集成于ANSYS WorkBench平台
支持常幅值、单时间历程、多时间历程载荷
客户定制流程开发
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目录
2 功能特色
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ANSYS nCode功能特色
焊点、焊缝的焊接疲劳计算； 高级振动疲劳分析计算（PSD）； 在多轴应力状态评估的基础上， 自动选择计算方法；
ANSYS nCode 2016中文
ANSYS Whanical使用 • Mechanical Pro,Premium, Enterprise等模块中包含
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ANSYS Confidential
DesignLife接口
Available Data
Workspace
Glyph Palette
有限元数据
结果数据
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疲劳分析
输入数据
ANSYS Confidential
ANSYS nCode DesignLife
– 低周期疲劳
• 破坏为止的周期数大（1 - 10万回以上） • 反复的负荷以振幅为基准的评价方法 • 疲劳的分析中Stress Life（应力寿命）法适合的
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ANSYS Confidential
ANSYS疲劳分析软件nCode
ANSYS nCode DesignLife
– Ksur = Ktreatment * Kuser * Kroughness
• Ktreatment = surface treatment factor
• Kuser
= user surface factor
• Kroughness = surface roughness type
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nCode疲劳材料数据库
ANSYS Confidential
Ansys nCode疲劳分析
通过“疲劳缺口系数” 修正S-N曲线中的S；
缺口附近的Von Mises 应力
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3.2 缺口应力集中对疲劳寿命的影响
应用S-N曲线，光滑试样的耐久极限应力幅除以疲劳缺口系 数Kf就得到同样耐久力情况下缺口部分的疲劳强度估计值
。
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临界平面法计算平面应力和在几个径向平面进行重新求解
− 默认是每10度 (18 个平面)
− 雨流计数法在每个平面上计算疲劳损伤 − 准则平面是最大损伤的平面
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支持的有限元结果： 静态分析(线性/非线 性) 瞬态分析 模态分析 频谱响应
能够读取ANSYS、Abaqus、 Nastran等软件的有限元计算结果
nCode分析-五框图
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ANSYS nCode 的功能特色
创建内存模板材料 用户可自定义材料； 丰富的材料数据库； 利用material manager自定义材料
最大剪切应力
最大主应力
标记的 Von-Mises
应力是最常用的
− 用于脆性材料
绝对最大主应力 任一分量的应力 临界平面法
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3.4 多轴状态对疲劳寿命的影响
如果加载过程中主应力方向改变，计算应力范围使用一个派生的单轴应力可 能是不正确的
临界平面法可用于计算主应力方向改变的情况
nCode分析-五框图
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ANSYS nCode 的功能特色
时间序列 恒幅载荷
时间步载荷
AnsysMechanical内嵌nCode疲劳仿真工具
AnsysMechanical内嵌nCode疲劳仿真工具疲劳分析是分析结构受到周期性载荷作用下，结构应力远小于强度极限情况，甚至结构应力比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏的情况。
Ansys nCode是国际著名的疲劳耐久性仿真分析软件，其多个版本以前已经可以和Ansys Mechanical进行无缝以进行联合分析。
而在最新版的Ansys Mechanical 2020R2中可以进一步将nCode进行内嵌，完成结构分析后即可进行疲劳仿真设置，从而提高疲劳仿真效率。
已安装完成nCode Embedded DesignLifeEmbedded nCode 疲劳分析模块内嵌系统分析流程树示意图Embedded nCode Designlife内嵌到Mechanical模块中，需要使用到以下插件MechanicalEmbeddedDesignLife.wbex，其操作方法参见附录。
下面是笔者实际工作中的一个疲劳仿真案例，说明如何在Ansys Mechanical中使用Embedded nCode分析工具。
如下图，为某空调压缩机模型，外壳通过三处安装柱以螺纹形式进行固定，皮带轮在外载荷作用下，带动内部压缩阀等部件转动，进而实现空气压缩。
由于压缩机工作过程为高速运转过程，同时其上的皮带轮所受到的外部载荷具有较大的波动性，因此容易造成压缩机壳体等部件在工作过程中发生疲劳失效，进而影响压缩机的正常工作，从而需要对压缩机壳体等部件进行疲劳仿真计算。
之前版本的Ansys Mechanical软件需要在完成结构分析后，在拖入nCode的相应模块进行疲劳仿真，如下图所示。
要进行疲劳仿真需要打开nCode界面，并在nCode模块中进行设置，此种方式的优势在于可以使用全面的nCode功能。
但是缺点在于需要在不同的界面进行切换以及数据传递更新。
新的Ansys Mechanical 2020R2 将nCode的部分功能内嵌到Mechanical，在完成结构分析或者调整后，可以直接在同一个界面下进行仿真计算。
ANSYS nCode Designlife高级疲劳分析
ANSYS nCode功能特色
完全集成于ANSYS WorkBench平台 Click & Drag操作方式，易学易用 先进的疲劳分析技术 构建任意复杂的载荷谱 强大的疲劳结果输出功能
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案例3 焊缝疲劳分析
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案例4 风电主轴疲劳寿命分析
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Thank You
完全集成于ANSYS WorkBench平台
以流程图形式建立分析任务； 无缝读取ANSYS计算结果； 与ANSYS共享材料数据库； 在WB平台上统一进行参数管 理，可用DX进行优化。
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Click & Drag操作方式，易学易用
能够读取ANSYS、Abaqus、 Nastran等软件的有限元计算结果
支持常幅值、单时间历程、多时间历程载荷
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录
2 功能特色
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ANSYS nCode 的主要用途
提供专业的疲劳分析技术，协助用户在产品设计中：
1. 避免设计缺陷引起的疲劳破坏 产品出现不应当发生 的疲劳失效，会使企 业的信誉受损，经济 损失更大！ 2. 避免过于保守的设计
ANSYS nCode DesignLife疲劳分析材料属性定义
nCode Material Data
• DesignLife requires specific material information – particular information depends on material type – duplicate similar material
5 Box Trick
• CAE fatigue process can be described in 5 basic steps
FE Input
Material Mapping
Load Mapping
CAE Fatigue Analysis
Fatigue Results Display
Material mapping defines the fatigue properties for the materials
• Each material in the DesignLife material library typically has either stress-life (SN) or strain-life (EN) fatigue properties, although some have both.
Rename New Material
• After duplicating > rename material
Modify Properties
• Modify propertiesand “Refresh Project”
Defining New Material
• New material is now available in Mechanical and for downstream use in DesignLife
ANSYS nCode DesignLife 疲劳仿真
应力-寿命方法
⚫ 应力-寿命（SN）疲劳方法假设疲劳损伤是由波动的应力产生的 • 仅适用于弹性应力，因此限于低应力/高循环应用 ✓ 通常对于韧性金属来说，疲劳失效需要超过100,000个循环 • 疲劳寿命基于交变应力范围和Wöhler疲劳曲线（S-N曲线） • 原始的数值疲劳方法 • 丰富的行业经验 • 简单的技术 • 通常可以通过手工计算进行验证
阶段 II 裂纹
⚫ 微裂纹穿过 2-3 个晶粒边界后，发展成疲劳裂纹（阶段 II 裂纹） ✓ 相对于材料的微观结构，疲劳裂纹较大 ✓ 裂纹本身在物理上中断了应力的流动
⚫ 应力集中导致裂纹尖端出现塑性应力 ✓ 局部塑性应力导致裂纹改变方向
⚫ 裂纹的生长现在由裂纹尖端的循环塑性应力驱动 ⚫ 裂纹方向垂直于最大主应力
疲劳破坏
•如果存在足够的能量，阶段 II 裂纹会继续生长，直到发生拉伸破坏 • 大多数裂纹缺乏足够的能量穿越晶粒边界 • 裂纹“停滞”
滑移带
微裂纹
疲劳裂纹
拉伸破坏
初始裂纹
疲劳损伤 产生条纹 （又称“海滩标记”）
快速最终断裂由于拉伸破坏 - 无条纹
CAE疲劳分析
•CAE可以在虚拟环境中预测疲劳损伤 ✓ 评估可以在设计阶段进行 ✓ 可以评估由多个载荷引起的累积损伤
⚫ 疲劳方法 • 使用计算出的应力/应变和材料疲劳曲线来预测失效的周期数（寿命） •两种基本的疲劳分析方法
• 应力-寿命（SN） ✓ 使用弹性应力
• 应变-寿命（EN） ✓ 使用弹性-塑性应变
CAE疲劳方法
⚫ 应力-寿命（SN）方法使用弹性计算的应力和应力与循环疲劳失效曲线（S-N曲线） • 假设应力驱动疲劳 • 仅适用于高循环疲劳 • 对于韧性金属来说，通常指超过100,000个循环
ANSYS nCode DesignLife疲劳分析之时间步定义
Time Step Access Mechanical
• highlight Model cell of Mechanical system Bending Load FY TimeStep > RMB > Edit
4
Time Step Verify Boundary Conditions
• Fixed end • Use 6 separate steps apply FY load history
• Load mapping for this case will be Auto-Configured • Run and compare results with TimeStep approach
Time Step Exit DesignLife
• File > Exit
Time Step Exit Workbench
Time Step View load/stress history
Note: Can manually reorder the stress history by switching off Auto-Configure and building your own Time Step history of load cases
• File > Exit
Time Step Setup an equivalent TimeSeries approach
• Edit nCode and make available load history .s3t file
Time Step Setup an equivalent TimeSeries approach
Time Step Solve
ANSYS nCode_DesignLif疲劳分析软件
Fatigue Life
Report Generation
C A D模型多种方式 导入到Workbench
自动生成用于有限 元分析的网络
ANSYS StructuralTM 中进行应力计算
ANSYS nCode DesignLife基于加载 历史计算疲劳寿命
仿真报告自动生成
5 ANSYS nCode DesignLife
1 ANSYS nCode DesignLife
可靠耐久性技术
优化后的挂钩具有两倍于原始零件的疲劳寿命
ANSYS nCode DesignLife 软件提供先进的、业界公认的疲劳分析能力。软件可以模拟所 有类型的疲劳破坏，包括：
● 高周疲劳的应力寿命（SN）计算 ● 低周和高周疲劳的应变寿命（EN）计算 ● 裂纹扩展 ● 复杂加载条件下预测耐久极限、安全因子（Dang Van） ● 焊点和焊缝的焊接疲劳计算 ● 高级振动疲劳分析计算（PSD） ● 混合载荷加载的实现
Dang Van求解器
● Dang Van多轴分析 ● 计算安全因子，危险因子等
SAE轴疲劳寿命分析 多轴载荷加载历史
ANSYS nCode DesignLife 4
典型分析流程
CAD
Meshing
与 ANSYS Workbench 无缝集成
ANSYS Fatigue
Stress Calcuiation
测试数据的相关性
ANSYS nCode DesignLife包含用于将实验数据和仿真结果进行联合和修正的工具。广泛 的数据处理流程能够对测试数据进行各种操作、编辑和显示。虚拟应变片可定位于有限元 模型上，以便提取应力或应变时间序列，帮助验证材料模型的直接相关性。时间序列数据 也能用于裂纹扩展分析。采用线弹性断裂力学预测裂纹源的扩展趋势。
ANSYS疲劳分析
ANSYS疲劳分析疲劳是指结构在低于静态极限强度载荷的重复载荷作用下，出现断裂破坏的现象。
例如一根能够承受300 KN 拉力作用的钢杆，在200 KN 循环载荷作用下，经历1,000,000 次循环后亦会破坏。
导致疲劳破坏的主要因素如下：载荷的循环次数；每一个循环的应力幅；每一个循环的平均应力；存在局部应力集中现象。
真正的疲劳计算要考虑所有这些因素，因为在预测其生命周期时，它计算“消耗”的某个部件是如何形成的。
1.ANSYS程序处理疲劳问题的过程ANSYS 疲劳计算以ASME锅炉和压力容器规范(ASME Boiler and Pressure Vessel Code)作为计算的依据，采用简化了的弹塑性假设和Mimer累积疲劳准则。
除了根据ASME 规范所建立的规则进行疲劳计算外，用户也可编写自己的宏指令，或选用合适的第三方程序，利用ANSYS 计算的结果进行疲劳计算。
《ANSYS APDL Programmer’s Guide》讨论了上述二种功能。
ANSYS程序的疲劳计算能力如下：(1)对现有的应力结果进行后处理，以确定体单元或壳单元模型的疲劳寿命耗用系数(fatigue usage factors)(用于疲劳计算的线单元模型的应力必须人工输入)；(2)可以在一系列预先选定的位置上，确定一定数目的事件及组成这些事件的载荷，然后把这些位置上的应力储存起来；(3)可以在每一个位置上定义应力集中系数和给每一个事件定义比例系数。
2.基本术语位置(Location)：在模型上储存疲劳应力的节点。
这些节点是结构上某些容易产生疲劳破坏的位置。
事件(Event)：是在特定的应力循环过程中，在不同时刻的一系列应力状态。
载荷(Loading)：是事件的一部分，是其中一个应力状态。
应力幅：两个载荷之间应力状态之差的度量。
程序不考虑应力平均值对结果的影响。
3.疲劳计算完成了应力计算后，就可以在通用后处理器POST1 中进行疲劳计算。
从四个方面了解ANSYS nCode DesignLife高级疲劳寿命分析软件
文章来源：安世亚太官方订阅号（搜索：peraglobal）市场的激烈竞争，促使着企业不断降低产品的研发成本，不断缩短产品的研发时间，推动产品的创新以及可持续性设计。
在此基础上，对产品研发提出了另外一个非常重要的要求-延长产品寿命，确保产品疲劳耐久性。
大部分产品在经历了反复载荷作用下，出现疲劳现象，功能将会失效，产品的寿命将到期。
那么，如何延长产品的寿命呢？最有效的方法，就是通过仿真，优化计算产品的形状、大小和材料，从而延长产品寿命。
ANSYS nCode DesignLife就是这样一款软件。
产品介绍ANSYS nCode DesignLife是集成在ANSYS Workbench 平台上的高级疲劳分析模块，为客户提供先进的疲劳分析解决方案。
ANSYS nCode DesignLife由ANSYS公司与专注疲劳分析领域的HBM公司合作推出。
HBM的ncode是疲劳领域最优秀的软件之一，已有超过25年的历史。
ANSYS nCode DesignLife主要模块有：功能特色1、完全集成于ANSYS WorkBench平台以流程图形式建立分析任务；无缝读取ANSYS计算结果；与ANSYS共享材料数据库；在WorkBench平台上统一进行参数管理，可用DesignXplore软件进行优化。
2.Click & Drag操作方式，易学易用以“Drag”建立疲劳分析流程；以“Click”完成相关设置；疲劳分析流程可重复执行。
3.先进的疲劳分析技术高周疲劳的应力寿命（SN）计算；低周和高周疲劳的应变寿命（EN）计算；裂纹扩展；复杂加载条件下预测耐久极限、安全因子；焊点、焊缝的焊接疲劳计算；高级振动疲劳分析计算（PSD）；在多轴应力状态评估的基础上，自动选择计算方法。
4.构建任意复杂的载荷谱时间序列；恒幅载荷；时间步载荷；温度载荷；Hybrid载荷；振动载荷；Duty Cycle。
5.强大的疲劳结果输出功能云图、标记显示；输出自动鉴别疲劳关键区域和热点；疲劳分析结果表格输出；组件结果输出；输出指定位置的应力、应变历程；Studio Glyph自动报告生成。
ANSYS nCode DesignLife疲劳分析之导入FE模型,查看结果
Workshop 3: Import FE model, review results and select subsets Select Using Material IDs
• FE_Input Glyph > RMB > Properties > FE Display Tab > Results Legend > Result Case = “None” & Result Type = “None”. Result Case & Type can be selected to show different stresses components at different load times. Note the results shown will be the ANSYS un-averaged values.
• FE Display Tab > Result Case > stresses and Result Type > Von Mises
Workshop 3: Import FE model, review results and select subsets
Solve
• Pick Display in Simulation_Input glyph and run analysis
Workshop 3: Import FE model, review results and select subsets Solve
Workshop 3: Import FE model, review results and select subsets Define DesignLife System
• Steps
ANSYSnCodeDesignLife疲劳分析-高性能计算
ANSYSnCodeDesignLife疲劳分析-高性能计算ANSYS nCode DesignLife疲劳分析-高性能（并行）分析设置及效率1、概述ANSYS nCode DesignLife疲劳分析计算效率比较高，相比于ANSYS Mechanical，它无需求解矩阵方程，因此一般无需高性能计算，只要用单核计算就可以很快得到计算结果。
当然，如果模型的规模很大，载荷量也增大的情况下，也需要很长的计算时间，采用高性能计算能够得到很好的计算效率。
当然可以采用部分模型计算的方式，减小计算规模，比如对于实体模型，只计算表面的节点的结果；对于壳类结果，只计算关键部分的结果等。
但是对于需要完整模型计算的大规模模型或大规模载荷情况下，高性能计算很有必要。
2、分析步骤a）设置分析流程，采用应力常幅载荷分析b）进行结构强度分析c）进入ANSYS nCode DesignLife界面材料采用默认的AISI_4340_125；载荷设置最大因子为1，最小为-1；设置并行d）模型及计算效率统计有限元模型：节点数量3475762，单元数量2546689。
（143970）ANSYS nCode DesignLife计算信息：（8线程，求解时间9.626）ANSYS nCode DesignLife计算信息：（4线程，求解时间39.339）ANSYS nCode DesignLife计算信息：（2线程，求解时间43.098）ANSYS nCode DesignLife计算信息：（1线程，求解时间55.027）ANSYS nCode DesignLife计算信息：（默认，求解时间39.322）3、总结根据计算结果，当计算线程数从1增加到2再到4时，求解速率提高幅度较小；当计算线程数从4增加到8时，求解速率大幅度提高，从39.339骤减至9.626。
注：本次测试只是一次简单的测试，不一定能完全展示nCode DL 的高性能计算能力。
Ansys nCode疲劳分析及应用
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3.2 缺口应力集中对疲劳寿命的影响
理论分析：
与材料相关的参数，可通过下式估算：
q：缺口敏感系数
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缺口半径
Kf：疲劳缺口系数 光滑件疲劳极限与缺口件疲劳极限之比
Kt：弹性应力集中系数 缺口处最大实际应力与该处名义应力之比
一般Kf小于Kt ，两者的关系可以用缺口敏 感系数q表征。
40
3.4 多轴状态对疲劳寿命的影响
如果加载过程中主应力方向改变，计算应力范围使用一个派生的单轴应力可 能是不正确的
临界平面法可用于计算主应力方向改变的情况
临界平面法计算平面应力和在几个径向平面进行重新求解
− 默认是每10度 (18 个平面) − 雨流计数法在每个平面上计算疲劳损伤 − 准则平面是最大损伤的平面
• 拉伸平均应力减少疲劳寿命
• 压缩平均应力增加疲劳寿命
Smax
Sa
Sm
DS
Sa Smin
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3.3 平均应力对疲劳寿命的影响
对于应力-疲劳寿命，平均应力的影响通常使用Goodman 或者 Gerber平均应力 修正理论
Goodman 平均应力修正理论假设一条直线
1. 避免设计缺陷引起的疲劳破坏
2. 避免过于保守的设计
产品出现不应当发生 的疲劳失效，会使企 业的信誉受损，经济 损失更大！
过于保守设计，使得产 品的成本增加，市场竞 争力下降！
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ANSYS nCode 的功能特色
支持的有限元结果： 静态分析(线性/非线 性) 瞬态分析 模态分析 频谱响应
ANSYS nCode DesignLife CAE疲劳仿真
Fatigue Failure
• If sufficient energy exist, Stage II cracks continue to grow until tensile failure occurs − most lack sufficient energy to propagate across grain barriers
ANSYS nCode DesignLife CAE疲劳仿真
课件简介 •复习疲劳基础 −什么是疲劳 −疲劳裂纹的物理 −疲劳测试 •介绍CAE耐久性的基础知识
−疲劳方法 •应力寿命 •应变寿命
− 裂纹增长
•介绍疲劳分析的基础知识 −应力循环 −周期计数 −损伤累积
Introduction
• Fatigue damage is the initiation and/or growth of a crack under fluctuating loading − progressive damage − component seems to lose strength and get tired after multiple load applications, hence the name
• stress concentration causes plastic stresses at the crack tip
− local plastic stress causes the crack to change direction
• growth is now propagated by cyclic plastic stress at the crack tip • oriented perpendicular to maximum principal stress
振动疲劳—ansys
振动疲劳—ansys随机振动疲劳分析随机振动疲劳分析流程图随机振动疲劳分析将第一步频率响应分析得到的结果文件作为输入，并在疲劳软件中输入振动过程中的PSD曲线，经计算得到零件的振动疲劳寿命。
故随机振动疲劳分析可分为如下步骤：1.频率响应分析结果输入2.功率谱密度PSD输入3.材料疲劳特性设置4.各工况与PSD关联设置5.振动疲劳求解器参数设置6.输出设置7.分析结果处理频率响应分析结果输入功率谱密度PSD输入振动疲劳求解器Ncode云图显示输出设置Ncode随机振动疲劳分析流程图1.频率响应分析结果输入频率响应分析应与PSD 的单位相对应，比如PSD 单位为g^2/Hz ，则进行频率响应分析时可输入1g 的加速度激励来分析。
（如采取单位制ton-mm-s-N ，此时1g 的加速度激励为9800mm/s^2，应在分析中输入9800大小的加速度激励）1.1单位问题1.2频率响应分析结果输出设置为了避免输出结果过大，可以在输出中设置需要进行疲劳分析的部件，以set 形式输出，同时可设置输出频次Frequency=n ，只输出频响分析应力结果即可。
*OUTPUT, FIELD, Frequency=5 *ELEMENT OUTPUT, ELSET = ele_setS, 以Abaqus 进行频响分析为例，输出设置如下：每5步输出一次只输出单元集合名为ele_set 的应力结果2.功率谱密度PSD输入PSD可以用以下2种方式输入：1.通过MultiColumnInput读入定义好的CSV文件输入2.通过VibrationGenerator生成PSD 曲线CSV文件格式如下：（可在帮助文档中找一个PSD的CSV文件作为模板）。
基于ANSYS nCode的焊缝疲劳的建模与分析
Volvo/Chalmers/nCode approach
• Structures modelled with shell elements • Designed and validated for thin sheet
automotive structures (1-3 mm sheet thickness) • Based on structural stress at weld toe • Simple shell meshing rules • Uses generic weld damage curves
hs
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June 26, 2015
Definition of “Structural Stress”
A stress resulting from the factoring of the forces and moments in the analyzed cross section by its section properties
800 600 400 200
104
Smooth shoulder Sharp shoulder
105
106
Cycles, N
8
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June 26, 2015
Weld as a Component
zz xx
9
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June 26, 2015
– Volvo/Chalmers Method – ASME Boiler & Pressure Vessel Code VIII, Div 2. – BS7608, AWS, Eurocode
Ansys nCode疲劳分析
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Ansys nCode疲劳分析优势（二）
ANSYS nCode DesignLife是ANSYS与HBM的nCode强强 联合的结晶。Ncode公司是国际著名的疲劳耐久性工程专 业公司和技术领导者。自80 年代公司成立至今，引导并推 动了疲劳理论在工业领域中的应用及其发展。
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3.4 多轴状态对疲劳寿命的影响
von-Mises 应力 标记的 von-Mises 应力
− 以最大绝对主应力的符号标记
最大剪切应力 最大主应力
− 用于脆性材料
绝对最大主应力 任一分量的应力 临界平面法
标记的 Von-Mises 应力是最常用的
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平滑区域
扰动载荷 局部性 发展过程
5
疲劳分析方法
应力疲劳分析（S-N）
第一种疲劳分析方法 循环应力水平低、寿命长
应变疲劳分析（E-N）
循环应力水平高、寿命短 屈服后应变变化大、应力变化小
高周疲劳：材料在低于其屈服强度 的循环应力作用下，经104-105以上 循环产生的失效；
低周疲劳：材料在接近或超过其屈服 强度的应力作用下，低于104-105次塑 性应变循环产生的失效；
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3.2 缺口应力集中对疲劳寿命的影响
理论分析：
与材料相关的参数，可通过下式估算：
q：缺口敏感系数
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缺口半径
Kf：疲劳缺口系数 光滑件疲劳极限与缺口件疲劳极限之比
Kt：弹性应力集中系数 缺口处最大实际应力与该处名义应力之比
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4 多轴状态对疲劳寿命的影响
用来创建S-N曲线的测试数据主要是单轴状态，但有限元结果 通常是多轴的
多轴应力结果必须被转换为一个用于S-N曲线单轴值
基本假设是派生的单轴量(e.g., σeqv) 引起的损伤等同于，在单 轴应力状态下零件经历相同数量引起的损伤
31
3.2 缺口应力集中对疲劳寿命的影响
ANSYS nCode DesignLife如何考虑？
基于应力梯度作为一个替代方法 − Auto:如果应力梯度存在则使用应力梯度校正
– User:从查找表中用户自定义应力梯度校正
– Off: 不考虑应力梯度校正
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3.2 缺口应力集中对疲劳寿命的影响 − Auto:如果应力梯度存在则使用应力梯度校正
现代设计方法
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Ansys nCode疲劳分析优势（二）
ANSYS nCode DesignLife是ANSYS与HBM的nCode强强 联合的结晶。Ncode公司是国际著名的疲劳耐久性工程专 业公司和技术领导者。自80 年代公司成立至今，引导并推 动了疲劳理论在工业领域中的应用及其发展。
平滑区域
扰动载荷 局部性 发展过程
5
疲劳分析方法
应力疲劳分析（S-N）
第一种疲劳分析方法 循环应力水平低、寿命长
应变疲劳分析（E-N）
循环应力水平高、寿命短 屈服后应变变化大、应力变化小
高周疲劳：材料在低于其屈服强度 的循环应力作用下，经104-105以上 循环产生的失效；
低周疲劳：材料在接近或超过其屈服 强度的应力作用下，低于104-105次塑 性应变循环产生的失效；
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3.4 多轴状态对疲劳寿命的影响
von-Mises 应力 标记的 von-Mises 应力
− 以最大绝对主应力的符号标记
最大剪切应力 最大主应力
− 用于脆性材料
绝对最大主应力 任一分量的应力 临界平面法
标记的 Von-Mises 应力是最常用的
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1. 避免设计缺陷引起的疲劳破坏
2. 避免过于保守的设计
产品出现不应当发生 的疲劳失效，会使企 业的信誉受损，经济 损失更大！
过于保守设计，使得产 品的成本增加，市场竞 争力下降！
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ANSYS nCode 的功能特色
支持的有限元结果： 静态分析(线性/非线 性) 瞬态分析 模态分析 频谱响应
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2 缺口应力集中对疲劳寿命的影响
疲劳裂纹起始于峰值应力区域
– 由于应力集中引起 – 疲劳计算中必须考虑
通过“疲劳缺口系数” 修正S-N曲线中的S；
缺口附近的Von Mises 应力
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3.2 缺口应力集中对疲劳寿命的影响 应用S-N曲线，光滑试样的耐久极限应力幅除以疲劳缺口系 数Kf就得到同样耐久力情况下缺口部分的疲劳强度估计值 。
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3.1 材料表面状况对疲劳寿命的影响
在 ANSYS nCode DesignLife中，用表面因子(Ksur)同时考虑表面光洁度和处 理对疲劳的影响
− 表面因子用来调整材料s-n曲线
Ksur是三个用户定义因子的乘积 − Ksur = KTreatment * Kuser * Kroughness
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3.4 多轴状态对疲劳寿命的影响
如果加载过程中主应力方向改变，计算应力范围使用一个派生的单轴应力可 能是不正确的
临界平面法可用于计算主应力方向改变的情况
临界平面法计算平面应力和在几个径向平面进行重新求解
− 默认是每10度 (18 个平面) − 雨流计数法在每个平面上计算疲劳损伤 − 准则平面是最大损伤的平面
3 平均应力对疲劳寿命的影响
4 多轴状态对疲劳寿命的影响
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1 材料表面状况对疲劳寿命的影响
表面粗糙度的影响 表面处理的影响
表面粗糙会使局部应 力集中程度加大，裂 纹萌生寿命短。
表面喷丸处理，引入残余 压应力，提高疲劳寿命； 焊接、气割等引入残余拉 应力，降低疲劳寿命。
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N 恒幅载荷下的s-n曲线
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疲劳分析理论
变幅载荷：雨流计数法——周期统计
循环 ADA’ BCB’ EHE’ FGF’ IJI’
幅值 9 4 7 3 2
均值 0.5 1 0.5 -0.5 -1
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疲劳分析理论
米勒准则（Miner准则）-—— 损伤计算
ANSYS nCode Designlife 高级疲劳寿命分析
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目录
1 疲劳理论介绍 2 ANSYS nCode Designlife功能特色 3 S-N疲劳分析概述及案例介绍 4 随机振动疲劳分析概述
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疲劳分析理论
只通过静力来确定 材料的机械性能时 ，机械性能没有充 分反映材料在交变 载荷作用下的特性 。使用过程中往往 会发生突如其来的 破坏。
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疲劳分析方法
应力疲劳分析（S-N）
S
光滑标准件，在恒幅对称循环应力作用下 进行疲劳试验。 施加不同应力幅Sa，记录相应的寿命N。 恒幅对称载荷应力比R为-1，平均应力为Sm 为0.
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N
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疲劳S-N曲线
S
变 幅 载 荷？ 随 机 载 荷？
能够读取ANSYS、Abaqus、 Nastran等软件的有限元计算结果
nCode分析-五框图
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ANSYS nCode 的功能特色 用创丰利户建富用可内的m自存材a定模te料义板ri数a材l 据m料a库；n；ager自定义材料
nCode分析-五框图
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1
Sm Su
2
Se
Sa =应力幅 Sm = 平均应力 Su = 极限抗拉强度 Se = 疲劳极限
Gerber平均应力修正理论假定一个抛物线
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3.4 平均应力对疲劳寿命的影响
Sa 1 Sm Se Su
• Goodman 更保守 • 实际的数据往往介于Goodman 和Gerber之间
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ANSYS nCode 的功能特色
时间序列 恒幅载荷 时间步载荷 温度载荷 Hybird载荷 振动载荷 Duty Cycle
nCode分析-五框图
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ANSYS nCode 的Байду номын сангаас能特色
ANSYS nCode DesignLife 具有全面 的疲劳分析能力
应力疲劳 (单一，多曲线，Haigh图) 应变疲劳(自动多轴修正) 多轴安全系数分析(Dang Van) 焊缝和点焊疲劳分析 高温疲劳分析 振动疲劳(振动台模拟)
(n/N) = 1
n1 + n2
=1
N1
N2
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2 ANSYS nCode Designlife功能特色
Ansys nCode疲劳分析优势 功能特色介绍
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Ansys nCode疲劳分析优势（一）
传统的疲劳分析方法
设计
样机
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3 S-N疲劳分析概述
S-N 曲线： • 在恒幅对称载荷下破坏多个试样； • 试样为光滑标准件； • 拟合曲线通过绘制数据拟合；
考虑平均应力
材料的S-N曲线
考虑几何缺口
考虑表面处理、表面光洁度、环境
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疲劳寿命的影响因素
1 材料表面状况对疲劳寿命的影响
2 缺口应力集中对疲劳寿命的影响
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3.2 缺口应力集中对疲劳寿命的影响
理论分析：
与材料相关的参数，可通过下式估算：
q：缺口敏感系数
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缺口半径
Kf：疲劳缺口系数 光滑件疲劳极限与缺口件疲劳极限之比
Kt：弹性应力集中系数 缺口处最大实际应力与该处名义应力之比
一般Kf小于Kt ，两者的关系可以用缺口敏 感系数q表征。
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3.1 材料表面状况对疲劳寿命的影响
可以输入表面处理系数 (KTreatment)和用户表面系数(Kuser) − 默认值为1
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3.1 材料表面状况对疲劳寿命的影响
表面粗糙度(Kroughness)的影响可以通过选择进行定义 − 默认的为“Polished”
在nCode中采用FKM的应力梯度法
– 确定校正系数
在雨流计数前得到有效应力分量：
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3.2 缺口应力集中对疲劳寿命的影响
− User:从查找表中用户自定义应力梯度校正
自定义格式:
Stress gradient correction factor file v1.0 Dimension=mm #Normalized stress gradient G, correction factor n StartCorrectionData 0,1 1,1.1 10,1.2 100,1.3 EndCorrectionData