Ansys nCode疲劳分析

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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
nCode分析-五框图
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ANSYS nCode 的功能特色
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
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3.2 缺口应力集中对疲劳寿命的影响
应力梯度影响可以通过Advanced Edit进行定义
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3 平均应力对疲劳寿命的影响
循环峰值应力范围(总应力变化)是影响疲劳寿命的主要因素
– 在应力循环中平均应力是第二个影响因素
• 拉伸平均应力减少疲劳寿命
(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
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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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”
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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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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？
当材料或结构受到多次重复变化 的载荷作用后，应力值虽然始 终没有超过材料的强度极限，甚 至比弹性极限还低的情况下就可能 发生破坏。这种在交变载荷作用下 材料或结构的破坏现象称为疲劳。
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破坏形式
施加恒定载荷
在较低应力水 平下，施加循
环载荷
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3.4 多轴状态对疲劳寿命的影响
在ANSYS nCode DesignLife定义应力组合方法
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案例1 减振器上支座疲劳分析
分析的目的是预测该结构在试车场一段 强化路面行驶时的疲劳耐久性，主要对 结构件和点焊部位进行疲劳分析。
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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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3.4 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
平滑区域
扰动载荷 局部性 发展过程
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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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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
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ANSYS nCode 的功能特色
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)
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Ansys nCode疲劳分析优势（三）
完全集成在Workbench平台下
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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ANSYS nCode 疲劳分析优势（四） 提供专业的疲劳分析技术，协助用户在产品设计中：
能够读取ANSYS、Abaqus、 Nastran等软件的有限元计算结果
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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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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。
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
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
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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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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
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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
破坏模式1：
结构在恒定载荷作用下，当应 力超过抗拉强度时发生破坏， 这种破坏属于静力破坏。
破坏模式2：
在应力水平较低的情况下，对 结构施加循环载荷，最终引起 结构破坏，这种破坏属于疲劳 破坏。 疲劳是由应力的不断改变引起 的，不是最大应力的原因。
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疲劳破坏的断面
粗粒状 或
纤维状
静力破坏
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• 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
Sa
1
Sm Su
Se
Sa
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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
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。
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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环境 模拟
再设计
疲劳 评估
完成
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Ansys nCode疲劳分析优势（一）
现代分析方法
载荷谱 定义
设计
Ansys有 限元分析
应力结果
nCode 疲劳分析
材料属性 定义
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重新 设计
疲劳 分析 结果
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Ansys nCode疲劳分析优势（一）
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。