【ANSYS精品资源】利用ANSYS随机振动分析功能实现随机疲劳分析
(完整版)疲劳分析的数值计算方法及ANSYS疲劳分析实例
第十四章疲劳分析的数值计算方法及实例第一节引言零件或构件由于交变载荷的反复作用，在它所承受的交变应力尚未达到静强度设计的许用应力情况下就会在零件或构件的局部位置产生疲劳裂纹并扩展、最后突然断裂。
这种现象称为疲劳破坏。
疲劳裂纹的形成和扩展具有很大的隐蔽性而在疲劳断裂时又具有瞬发性，因此疲劳破坏往往会造成极大的经济损失和灾难性后果。
金属的疲劳破坏形式和机理不同与静载破坏，所以零件疲劳强度的设计计算不能为经典的静强度设计计算所替代，属于动强度设计。
随着机车车辆向高速、大功率和轻量化方向的迅速发展，其疲劳强度及其可靠性的要求也越来越高。
近几年随着我国铁路的不断提速，机车、车辆和道轨等铁路设施的疲劳断裂事故不断发生，越来越引起人们的重视。
疲劳强度设计及其研究正在成为我国高速机车车辆设计制造中的一项不可缺少的和重要的工作。
金属疲劳的研究已有近150年的历史，有相当多的学者和工程技术人员进行了大量的研究，得到了许多关于金属疲劳损伤和断裂的理论及有关经验技术。
但是由于疲劳破坏的影响因素多而复杂并且这些因素互相影响又与构件的实际情况密切相关，使得其应用性成果尚远远不能满足工程设计和生产应用的需要。
据统计，至今有约90%的机械零部件的断裂破坏仍然是由直接于疲劳或者间接疲劳而引起的。
因此，在21世纪的今天，尤其是在高速和大功率化的新产品的开发制造中，其疲劳强度或疲劳寿命的设计十分重要，并且往往需要同时进行相应的试验研究和试验验证。
疲劳断裂是因为在零件或构件表层上的高应力或强度比较低弱的部位区域产生疲劳裂纹，并进一步扩展而造成的。
这些危险部位小到几个毫米甚至几十个微米的范围，零件或构件的几何缺口根部、表面缺陷、切削刀痕、碰磕伤痕及材料的内部缺陷等往往是这种危险部位。
因此，提高构件疲劳强度的基本途径主要有两种。
一种是机械设计的方法，主要有优化或改善缺口形状，改进加工工艺工程和质量等手段将危险点的峰值应力降下来；另一种是材料冶金的方法，即用热处理手段将危险点局部区域的疲劳强度提高，或者是提高冶金质量来减少金属基体中的非金属夹杂等材料缺陷等局部薄弱区域。
ansys疲劳可靠性及随机振动分析
ANSYS疲劳分析
5. 调入载荷步计算并储存节点应力分量
Main Menu>General Postproc>Read Results>First Set(Next Set) Main Menu>General Postproc>Fatigue>Store Stresses>From rst File
ANSYS疲劳分析
3. 定义材料应变强化指数M和N
Main Menu>General Postproc>Fatigue>Property Table>Elas-plas Par
ANSYS疲劳分析
4. 定义关键点及应力集中系数
Main Menu>General Postproc>Fatigue>Stress Locations
！定义载荷变量 ！设置实常数 ！定义材料参数
！建立平面 ！建立中间圆孔面 ！面的布尔操作 ！设置单元划分的分段数 ！定义单元为四边形 ！网格自由划分 ！划分网格 ！结束前处理
ANSYS可靠性分析
二．进入概率分析模块，选定分析文件
Main Menu>Prob Design>Analysis File>Assign
ANSYS可靠性分析
② 显示输入随机变量的采样曲线
（Main Menu>Prob Results>Sampl History）
ANSYS可靠性分析
③ 显示输入随机变量的累计概率分布曲线
（Main Menu>Prob Results>CumulativeDF）
ANSYS可靠性分析
④ 还可以显示输出随机变量的概率敏感图以及输出随机变 量和输入随机变量的相关性等。
利用ANSYS随机振动分析功能实现随机疲劳分析
利用ANSYS随机振动分析功能实现随机疲劳分析ANSYS随机振动分析功能可以获得结构随机振动响应过程的各种统计参数（如：均值、均方根和平均频率等），根据各种随机疲劳寿命预测理论就可以成功地预测结构的随机疲劳寿命。
本文介绍了ANSYS随机振动分析功能，以及利用该功能，按照Steinberg提出的基于高斯分布和Miner线性累计损伤定律的三区间法进行ANSYS随机疲劳计算的具体过程。
１．随机疲劳现象普遍存在在工程应用中，汽车、飞行器、船舶以及其它各种机械或零部件，大多是在随机载荷作用下工作，当它们承受的应力水平较高，工作达到一定时间后，经常会突然发生随机疲劳破坏，往往造成灾难性的后果。
因此，预测结构或零部件的随机疲劳寿命是非常有必要的。
2．ANSYS随机振动分析功能介绍ANSYS随机振动分析功能十分强大，主要表现在以下方面：1.具有位移、速度、加速度、力和压力等PSD类型；2.能够考虑a阻尼、 阻尼、恒定阻尼比和频率相关阻尼比；3.能够定义基础和节点PSD激励；4.能够考虑多个PSD激励之间的相关程度：共谱值、二次谱值、空间关系和波传播关系等；5.能够得到位移、应力、应变和力的三种结果数据： 1σ位移解，1σ速度解和1σ加速度解；3．利用ANSYS随机振动分析功能进行疲劳分析的一般原理在工程界，疲劳计算广泛采用名义应力法，即以S-N曲线为依据进行寿命估算的方法，可以直接得到总寿命。
下面围绕该方法举例说明ANSYS随机疲劳分析的一般原理。
当应力历程是随机过程时，疲劳计算相对比较复杂。
但已经有许多种分析方法，这里仅介绍一种比较简单的方法，即Steinberg提出的基于高斯分布和Miner线性累计损伤定律的三区间法（应力区间如图1所示）：应力区间发生的时间68.3%的时-1σ ~+1σArray间27.1%的时-2σ ~+2σ间4.33%的时-3σ ~+3σ间99.73%大于3σ的应力仅仅发生在0.27%的时间内，假定其不造成任何损伤。
基于Ansys二次开发的随机振动疲劳寿命可视化程序开发
基于Ansys二次开发的随机振动疲劳寿命可视化程序开发
丁杰;唐玉兔
【期刊名称】《机械强度》
【年(卷),期】2014(36)5
【摘要】为解决现有随机振动分析中存在的结构各节点的振动频率计算、三个方
向振动结果的叠加、全域可视化显示等问题,进行了基于Ansys软件的二次程序开发。
通过程序在某变流装置中的应用,表明了二次开发的程序可以更加快速、全面、有效地进行虚拟样机的疲劳寿命分析,为产品结构的优化设计提供理论指导。
【总页数】6页(P813-818)
【关键词】Ansys;随机振动;加速度谱密度;疲劳损伤;疲劳寿命;可视化
【作者】丁杰;唐玉兔
【作者单位】南车株洲电力机车研究所有限公司南车电气技术与材料工程研究院【正文语种】中文
【中图分类】TB123;U264.37
【相关文献】
1.基于ANSYS的机床滑合随机振动疲劳寿命分析 [J], 孟行;孟广耀;黄居鑫;石英训;生开明
2.基于Ansys的车桥结构随机振动疲劳寿命分析 [J], 王鹏利
3.基于ANSYS二次开发的大跨桥梁疲劳寿命与失效概率的可视化技术 [J], 侯士通;王莹
4.基于ANSYS的连接件随机振动疲劳寿命分析及优化设计 [J], 白永明; 邱恩举; 王宏建
5.基于ANSYS的连接件随机振动疲劳寿命分析及优化设计 [J], 白永明; 邱恩举; 王宏建
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利用ANSYS随机振动分析功能实现随机疲劳分析
利用ANSYS随机振动分析功能实现随机疲劳分析ANSYS是一款常用的工程仿真软件，具有强大的分析功能。
在进行随机疲劳分析时，可以利用ANSYS的随机振动分析功能来模拟随机加载下的疲劳损伤。
随机疲劳分析是一种考虑工作载荷随机性对结构疲劳寿命影响的方法。
通过采用随机振动分析，可以考虑到工作载荷的随机特性，进一步分析结构的疲劳损伤。
ANSYS中的随机振动分析功能可以通过以下步骤来进行：1.几何建模：首先，需要进行结构的几何建模。
使用ANSYS的几何建模工具可以创建出要进行疲劳分析的结构。
2.材料属性定义：在进行材料属性的定义时，需要确定材料的弹性模量、泊松比、密度和疲劳参数等。
可以根据材料的材料数据手册来获取这些参数。
3.边界条件设置：在进行随机振动分析时，需要设置结构的边界条件。
这些边界条件可以是结构受到的随机外载荷或者是结构与其他部件的接触情况。
4.加载设置：在进行随机振动分析时，需要设置结构受到的随机载荷。
这些载荷可以是来自于实际工况的随机载荷，也可以通过振动台试验数据等手段获取。
5.随机振动分析：利用ANSYS的随机振动分析功能，可以进行频域分析或时域分析。
频域分析可以用于计算结构的响应功率谱密度，时域分析可以用于计算结构的随机响应。
6.疲劳寿命计算：在获得结构的随机响应后，可以进行疲劳寿命计算。
根据结构的随机响应和材料的疲劳性能参数，可以使用ANSYS的疲劳分析功能来计算结构的疲劳寿命。
通过以上步骤，可以利用ANSYS的随机振动分析功能实现随机疲劳分析。
这种方法能够更全面地考虑结构在实际工作环境下的疲劳寿命，为结构的设计和改进提供准确的参考。
需要注意的是，在进行随机疲劳分析时，需要对随机载荷进行合理的统计分析，获取载荷的概率密度函数。
如果没有足够的载荷数据，也可以使用统计模型进行估计。
此外，还需要对材料的疲劳性能参数进行准确的测定，以保证疲劳寿命计算的准确性。
总之，利用ANSYS的随机振动分析功能进行随机疲劳分析是一种有效的方法，可以更准确地评估结构在随机工作载荷下的疲劳性能，为结构的设计和改进提供有力的支持。
Ansys nCode疲劳分析及应用
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。
4
疲劳破坏的断面
粗粒状 或
纤维状
静力破坏
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• 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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36
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
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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：
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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
Ansys培训-随机振动分析
15. In the Details of the PSD Load,
14
change “Direction” to “Y Axis” for
this particular XYZ orientation.
16. For >Load Data chose >New PSD Load
Acceleration
– The data points can be entered for each Freq & Amplitude, or a function can be entered.
Acceleration
A2
A3
A1 A4
F1 F2
F3
F4
Frequency
Workshop – 假定
• The Girder has fixed constraints along all lower edges.
2. Click OK, thus accepting the default number of modes
3. Choose the U.S. inch pound unit system.
– “Units > U.S. Customary (in, lbm, lbf, …)” 1
2
3
Workshop – 前处理-壳体厚度
PSD分析. • Steps: 进行模态和随
机振动分析，并显示 结果.
随机振动分析
随机振动分析流程 打开, Tower.dsdb.
• Browse to file if not in list
• 打开分析向导…
随机振动分析
随机振动分析流程
随机振动分析
ansys疲劳分析解析
1.1 疲劳概述结构失效的一个常见原因是疲劳，其造成破坏与重复加载有关。
疲劳通常分为两类：高周疲劳是当载荷的循环（重复）次数高(如1e4 -1e9)的情况下产生的。
因此，应力通常比材料的极限强度低，应力疲劳（Stress-based）用于高周疲劳；低周疲劳是在循环次数相对较低时发生的。
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。
在设计仿真中，疲劳模块拓展程序（Fatigue Module add-on）采用的是基于应力疲劳（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的处理方法进行讨论。
1.2 恒定振幅载荷在前面曾提到，疲劳是由于重复加载引起：当最大和最小的应力水平恒定时，称为恒定振幅载荷，我们将针对这种最简单的形式，首先进行讨论。
否则，则称为变化振幅或非恒定振幅载荷。
1.3 成比例载荷载荷可以是比例载荷，也可以非比例载荷：比例载荷，是指主应力的比例是恒定的，并且主应力的削减不随时间变化，这实质意味着由于载荷的增加或反作用的造成的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的关系，典型情况包括：σ1/σ2=constant在两个不同载荷工况间的交替变化；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和σmax作用下的比例载荷、恒定振幅的情况：应力范围Δσ定义为(σmax-σmin)平均应力σm定义为(σmax+σmin)/2应力幅或交变应力σa是Δσ/2应力比R是σmin/σmax当施加的是大小相等且方向相反的载荷时，发生的是对称循环载荷。
这就是σm=0，R=-1的情况。
当施加载荷后又撤除该载荷，将发生脉动循环载荷。
这就是σm=σmax/2，R=0的情况。
1.5 应力-寿命曲线载荷与疲劳失效的关系，采用的是应力-寿命曲线或S-N曲线来表示：（1）若某一部件在承受循环载荷, 经过一定的循环次数后,该部件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的载荷下,导致失效的载荷循环次数将减少；（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的关系。
Ansys培训_随机振动分析汇总
DYNAMICS 11.0
A2
A3
Acceleration
A1 A4
F1
F2
F3
F4
Frequency
Workshop – 假定
• 和确定性谱分析不同，随机振动不能用瞬态动 力学分析代替. • 应用基于概率的功率谱密度分析，分析载荷作 用过程中的统计规律
DYNAMICS 11.0
Image from “Random Vibrations Theory and Practice” by Wirsching, Paez and Ortiz.
定义和目的
输入:
– 结构的自然频率和阵型 – 功率谱密度曲线
Training Manual
DYNAMICS 11.0
输出:
– 1s位移和应力 （用于疲劳分析）.
• 载荷:
– 单点激励
Training Manual
• 得到结果:
– 相对或绝对的1s 输出 – 整体结构的结果，可以进行云图显示. – 1s位移, 速度或加速度
Training Manual
DYNAMICS 11.0
随机振动分析
随机振动分析流程
• • • • 插入一个PSD Base Excitation. 在弹出的PSD Base Excitation详情串口，选择新的PSD载荷. 选择带G的加速度PSD，单位G^2/Hz. 设置PSD曲线
Training Manual
打开, Tower.dsdb.
Training Manual
ansysworkbench疲劳分析实例.
ANSYS作业A12Shape fMCf 作业M2-科标• n ・8・爲 I H ta»T«VK«VQ»|CMMi fl A ・・・・««*»・• ■4M ・》n ・w* 11 «O mtl 辽■■■« ruOf A*m«a« N4MMV»t«W、、SMprnndrrULU台 ngB- ftff ・Qe"T » Roa Hit ・..“ fl幵文trcoMio<R r.4・"4 VHUMKllAug ft W屮*■ -oect ••人 SW .quwotfuma.rvtt AfiBtap^IB•c碎#…<kSNV、V>NV&rrm 卜却•…sASNVJ>V>4・Man“Man tAN、、、■ htiffurenmnnwilr111 v>«r«nie*ii«-» n. • JLMtfltcrf C^Mflcal Suppovl fliU i£ ttV neiHah- Ftica'. AiWa Ftec^ VariOiy* …作稅 1・・MA ・4M(LKXA*«W - qF**Hwl»WRWShvr徉曲A2■求解&浸Ahl"、*，•1C1T RMB » taMTl ► Sivwn > CqutvalaiM (wvi Miaea)^19 RUB » bnMrt > EWofnwttotv > ToM,Sftvr Ander…•作业M2-过稈a A rtiH arMmnvic $4・4i ASF «■■,・・・入个Met*.・E — - j 」：dl<S$Mpennder伊也Ud 乂獰设JF・ MAWiguf io«iO.Atfr Wxi &n.AN、'30 AM* > taBvri > FatoQue »Tool-KOMMBeai T«ii9MToarau ：« 4xa<cia» w・ n・>■WfH» «<U*N r*Fe« toeM«g)a 埶re«re»dkm*ivO)•事■■劝*U豪■三・*«Me力・«》<宸型•Mm 力■比■・• MFttIvwTocWWAV:2&«A -teieerWB>hrw1 >FBttgu«»SsMrFBcm.- M EMMti of -Sinrr Factor" : »I« 4 泠・** R «-»7.・人・"*•"»叶・・(«片«・{0：• RMI > Inwtl > Pfligu* > FMI QM SxWrtv • U OKM» o< Fwgue Seraflivnv* A a；一个•牛«♦«**—J为£& 个2如1»23坟力沖 *■人«化《«为29»(个Shape AMer 伊也求棹世JP AN、Y、Sh^pr FMrr frg、2 -求解粒ifAN、Y、Shape Mcffr曲Al金■求揮设貝AN、Y\-―nSh^fMer 作业A、2—求解设贯AN、、、■'『•aAW"、AN、Y、Shape fMCf* • A占Jt ・AA4i ■用 F —lgtervMho” .ff业A\4毎果AN"、AN、'、• AfljhBlXlj»* -aaMyF«Mr-\Sftvrnnder徉业A 、2-站杲ShapeMef 伊敗e •廊• ArfcHBOiKI t« ««««?! W%R uav^iorwntwBentttTMaM smatvm;・ nu«xM<«ftViiavMorM^nHK ；*«vj«0n4ir«s«« 什iu*H ・E ・n 给I• Aif>Hai>l<Mll («J9 ^BuMiexlncMMfton*. Ua.KHittttKVIffl■■ ■" ■ ... ............................ .... +0b«M«tSMwAnrfer伊火強•網P Sftver^uotr作嵌22■帘杲AN、、\—I■一徉业A2-求解设買AN'Y、• */•ViM^nn*r齐业A 、2 -求解设SPAN"730 Highlit ・e nMon torBnsti3*.nn*wiMrt > Fflttgua * f MIOM Tool• ■AR .t MflUBKwiajfth HMM 的任■««, Its 幻Kfa 从*ft WMC.it H ・artHi>*iaw*ii»E4・》«ns •・H*：33^ 9曳■诺« ft ■ •—'ICMft 鼻斤任 aifi vnfitt tAMmctoviMsnM^ Xl*K »• M CtoWM flVT M U" au ；址 NX 0«o ・aia 刊 Mttffit 件押住tt«fU■肿IKMCW •纲小4)|1«»甘阿供《*・《)虫・・ -亂決HMJbfUIE 为恻亦《祕..Shape ^Mler 作曲A、S ■求借潑贯» M FMigu* Tool * Aft *(tC)； -FeHouoSenattvKTRMB » In Mf1» Pittgu* >Xr “<3•世良一节*不••化•《为K(2 S«A*2»ANbn 个*人*事《«<址■*^200%惆3力为gOH),SAvrnn*r AN"、小'.KOMMeei F«it*MiMraum： 0i«AOlmn・«U*・tZ«gR—■ SJtl Vs ia»M« 力Jti ■HaH 比It (•«・■•••■ fOM«Mn««««・» •疙〃•氏4・ M. 3T « CMii 4为M C* XfUI*ie・ Oo—■ -.f gzaiMS；■k・A«*F“飞T. RWr kwi' f<buvt L**<Shape• U CMMii ot 'Bitvrr f>«ctar"t u:AN、SAvrAider 律业A12-*算设JPAN、V・八《• *・*SarMyFwtar：a• U DHadB oi Vn：<4.■人■««}鼻ftolTMow MMI N :MM f iRari» Moua > MvWw Mm •・r・ugu・YMi«j»««(«n. 44MA««IUB事・《xHlitr t n E・Q»・：MB • imn ■ wtQuv» vifiMi* MoMMnSftVxAnrtrr作WA、2■求解设嫁AN 、Y 、• U PffMr 9l ~ Damoft MMrte ' V P: 却«»« 计*• g*9n 4 力900® Sftvcrnnder ff业A、2-帘杲- -Uto".• n FMigM Tool Akffi *(Ht) J-gma^ far ：-RMB > mwrl > Pfllout > D«iMO0 UatrliS^VK 件歧A、2.结杲AN 、、7• AnA^adi «ii 44 AimA«>Fn« ± ** -3«MV MW"。
ANSYS 高清晰 精品资料：第15章 随机振动和随机疲劳分析实例
第15章 随机振动和随机疲劳分析实例 谱分析是一种将模态分析的结果与一个已知的谱联系起来计算模型的位移和应力的分析技术，主要用于确定结构对随机载荷或随时间变化载荷(如地震、风载、海洋波浪、喷气发动机推力、火箭发动机振动等等)的动力响应情况。
谱是谱值与频率的关系曲线，它反映了时间—历程载荷的强度和频率信息。
谱分析分为：响应谱分析、动力设计分析方法(Dynamic Design Analysis Method ，DDAM)和功率谱密度(Power Spectral Density —PSD,也称为随机振动分析)。
其中，一个响应谱代表单自由度系统对一个时间—历程载荷函数的响应，它是一个响应与频率的关系曲线，其中响应可以是位移、速度、加速度、力等。
下面以一个梁—板壳结构在地震位移激励作用下的随机振动分析为例，来将讲解用ANSYS6.1进行随机振动分析的具体过程，对于其它类型的谱分析的基本分析步骤可参阅本书第10章。
15.1 问题描述某板—梁结构如图15.1所示，计算在Y方向的地震位移激励谱作用下整个结构的响应情况。
板—梁结构的基本尺寸如图13.1所示，地震谱如表15.1所示，其它材料属性和几何特性数据如下：图15.1 梁－板壳结构模型A3钢的材料特性：杨氏模量EX ＝2.1 E11 N/m 2，泊松比PRXY ＝0.3，密度DENS ＝7.8 E 3 Kg/m 3。
板壳：厚度＝2E-3 m梁几何特性：截面面积＝1.6E-5 m 2， 惯性矩＝21.333E-12 m 4 ， 宽度＝4E-3 m ，高度＝4E-3 m表15.1梁—板结构所受的谱表位移激励谱频率(Hz) 0.5 1.0 2.4 3.8 17 18 20 32 位移(×10-3m) 0.01 0.016 0.03 0.02 0.005 0.01 0.015 0.0115.2 建立模型跟所有在ANSYS6.1中进行的结构分析一样，建立本实例的有限元模型同样需要完成如下工作：指定分析标题，定义材料性能，定义单元类型，定义单元实常数，建立几何模型并进行有限元网格划分等。
利用ANSYS随机振动分析功能实现随机疲劳分析
利用ANSYS随机振动分析功能实现随机疲劳分析
ANSYS随机振动分析功能可以获得结构随机振动响应过程的各种统计参数（如：
均值、均方根和平均频率等），根据各种随机疲劳寿命预测理论就可以成功地预测结
构的随机疲劳寿命。
本文介绍了ANSYS随机振动分析功能，以及利用该功能，按照Steinberg提出的基于高斯分布和Miner线性累计损伤定律的三区间法进行ANSYS随机疲劳计算的具体过程。
１．随机疲劳现象普遍存在
在工程应用中，汽车、飞行器、船舶以及其它各种机械或零部件，大多是在随机
载荷作用下工作，当它们承受的应力水平较高，工作达到一定时间后，经常会突然发
生随机疲劳破坏，往往造成灾难性的后果。
因此，预测结构或零部件的随机疲劳寿命
是非常有必要的。
2．ANSYS随机振动分析功能介绍
ANSYS随机振动分析功能十分强大，主要表现在以下方面：
1.具有位移、速度、加速度、力和压力等PSD类型；
2.能够考虑a阻尼、阻尼、恒定阻尼比和频率相关阻尼比；
3.能够定义基础和节点PSD激励；
4.能够考虑多个PSD激励之间的相关程度：共谱值、二次谱值、空间关系和波传
播关系等；
5.能够得到位移、应力、应变和力的三种结果数据： 1位移解，1速度解和
1加速度解；
3．利用ANSYS随机振动分析功能进行疲劳分析的一般原理
在工程界，疲劳计算广泛采用名义应力法，即以S-N曲线为依据进行寿命估算的
方法，可以直接得到总寿命。
下面围绕该方法举例说明ANSYS随机疲劳分析的一般原理。
Ansys疲劳分析
Ansys疲劳分析1 疲劳的定义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。
1.1 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：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)；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；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。
1.2 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。
2 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。
Ansys nCode疲劳分析及应用
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30
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 Workbench 17·0有限元分析：第9章-随机振动分析
第9章随机振动分析随机振动分析是一种基于概率统计学的谱分析技术，它求解的是在随机激励作用下的某些物理量，包括位移、应力等的概率分布情况等。
随机振动分析在机载电子设备、抖动光学设备、声学装载设备等方面有着广泛的应用。
★ 了解随机振动分析。
9.1随机振动分析概述随机振动分析（Random Vibration Analysis）是一种基于概率统计学的谱分析技术。
随机振动分析中功率谱密度（Power Spectral Density，PSD）记录了激励和响应的均方根值同频率的关系，因此PSD是一条功率谱密度值——频率值的关系曲线，如图9-1所示，亦即载荷时间历程。
图9-1 功率谱密度图第9章随机振动分析对PSD的说明如下。
PSD曲线下的面积就是方差，即响应标准偏差的平方值。
PSD的单位是Mean Square/Hz（如加速度PSD的单位为G2/Hz）。
PSD可以是位移、速度、加速度、力或者压力等。
在随机振动分析中，由于时间历程不是确定的，所以瞬态分析是不可用的。
随机振动分析的输入为：通过模态分析得到的结构固有频率和固有模态。
作用于节点的单点或多点的PSD激励曲线。
随机振动分析输出的是：作用于节点的PSD响应（位移和应力等），同时还能用于疲劳寿命预测。
9.2 随机振动分析流程在ANSYS Workbench左侧工具箱中Analysis Systems下的Random Vibration上按住鼠标左键拖动到项目管理区的A6栏，即可创建随机振动分析项目，如图9-2所示。
图9-2 创建随机振动分析项目当进入Mechanical后，选中分析树中的Analysis Settings即可进行分析参数的设置，如图9-3所示。
图9-3 随机振动分析参数设置。
ANSYS随机振动分析教程
ANSYS随机振动分析教程随机振动分析(PSD: Power Spectral Density)是一种分析结构在随机动力加载下的响应特性的方法。
它通常应用于评估结构在实际工作环境中的可靠性和耐久性。
在ANSYS中进行随机振动分析，可以帮助我们理解结构在随机加载下的响应特性，评估结构的可靠性，并优化结构以提高其性能。
下面是一个基于ANSYS的随机振动分析的教程，通过该教程，你可以学习如何进行随机振动分析并分析结果。
步骤1:设置工程环境首先，打开ANSYS软件，并创建一个新的工程。
选择适当的单位制和求解器(如Mechanical APDL)。
步骤2:定义结构模型在这个教程中，我们将使用一个简单的悬臂梁作为结构模型。
创建一个梁模型，定义边界条件和加载条件。
确保模型准确代表了你想要分析的实际结构。
步骤3:定义随机负载在随机振动分析中，我们需要定义随机负载。
常见的随机负载包括自然地震、风荷载、机械振动等。
在这个教程中，我们以自然地震为例进行分析。
在ANSYS中，我们可以通过定义Power Spectral Density (PSD)函数来表示随机负载。
PSD函数描述了随机振动的能量分布，并用频率域表征。
使用命令“PSDZONE”创建一个PSD区域，然后通过命令“PSDFCN”定义一个PSD函数，并将PSD函数分配给PSD区域。
例如，你可以使用如下命令定义一个具有特定频率和幅值的PSD函数: /PSDZONE,1,FREQUENCY,1,200,AMP,0.1/PSDFCN,1,PSD,1步骤4:随机分析设置在进行随机振动分析之前，我们需要进行一些设置。
首先，我们需要定义分析的频率范围和步长。
可以使用命令“FREQSEP”来定义频率范围和步长。
例如，你可以使用如下命令定义频率范围为1Hz到200Hz，步长为1Hz:/FREQSEP,1HZ,1接下来，我们需要定义求解器参数。
使用命令“MODAL”定义模态分析参数:/COMBINATION,PSD/PSD,1,UNDEF然后，定义DAREA区域，并通过命令“SDPOINT”为每个频率分配一个积木节点。
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）。
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
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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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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
ansysworkbench疲劳分析
第一章简介1.1 疲劳概述结构失效的一个常见原因是疲劳，其造成破坏与重复加载有关。
疲劳通常分为两类：高周疲劳是当载荷的循环（重复）次数高(如1e4 -1e9)的情况下产生的。
因此，应力通常比材料的极限强度低，应力疲劳（Stress-based）用于高周疲劳；低周疲劳是在循环次数相对较低时发生的。
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。
在设计仿真中，疲劳模块拓展程序（Fatigue Module add-on）采用的是基于应力疲劳（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的处理方法进行讨论。
1.2 恒定振幅载荷在前面曾提到，疲劳是由于重复加载引起：当最大和最小的应力水平恒定时，称为恒定振幅载荷，我们将针对这种最简单的形式，首先进行讨论。
否则，则称为变化振幅或非恒定振幅载荷。
1.3 成比例载荷载荷可以是比例载荷，也可以非比例载荷：比例载荷，是指主应力的比例是恒定的，并且主应力的削减不随时间变化，这实质意味着由于载荷的增加或反作用的造成的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的关系，典型情况包括：σ1/σ2=constant在两个不同载荷工况间的交替变化；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和σmax作用下的比例载荷、恒定振幅的情况：应力范围Δσ定义为(σmax-σmin)平均应力σm定义为(σmax+σmin)/2应力幅或交变应力σa是Δσ/2应力比R是σmin/σmax当施加的是大小相等且方向相反的载荷时，发生的是对称循环载荷。
这就是σm=0，R=-1的情况。
当施加载荷后又撤除该载荷，将发生脉动循环载荷。
这就是σm=σmax/2，R=0的情况。
1.5 应力-寿命曲线载荷与疲劳失效的关系，采用的是应力-寿命曲线或S-N曲线来表示：（1）若某一部件在承受循环载荷, 经过一定的循环次数后,该部件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的载荷下,导致失效的载荷循环次数将减少；（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的关系。
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利用ANSYS随机振动分析功能实现随机疲劳分析
ANSYS随机振动分析功能可以获得结构随机振动响应过程的各种统计参数（如：均值、均方根和平均频率等），根据各种随机疲劳寿命预测理论就可以成功地预测结构
的随机疲劳寿命。
本文介绍了ANSYS随机振动分析功能，以及利用该功能，按照Steinberg提出的基于高斯分布和Miner线性累计损伤定律的三区间法进行ANSYS
随机疲劳计算的具体过程。
１．随机疲劳现象普遍存在
在工程应用中，汽车、飞行器、船舶以及其它各种机械或零部件，大多是在随机载
荷作用下工作，当它们承受的应力水平较高，工作达到一定时间后，经常会突然发生
随机疲劳破坏，往往造成灾难性的后果。
因此，预测结构或零部件的随机疲劳寿命是
非常有必要的。
2．ANSYS随机振动分析功能介绍
ANSYS随机振动分析功能十分强大，主要表现在以下方面：
1.具有位移、速度、加速度、力和压力等PSD类型；
2.能够考虑a阻尼、 阻尼、恒定阻尼比和频率相关阻尼比；
3.能够定义基础和节点PSD激励；
4.能够考虑多个PSD激励之间的相关程度：共谱值、二次谱值、空间关系和波
1
传播关系等；
5.能够得到位移、应力、应变和力的三种结果数据：1σ位移解，1σ速度解和
1σ加速度解；
3．利用ANSYS随机振动分析功能进行疲劳分析的一般原理
在工程界，疲劳计算广泛采用名义应力法，即以S-N曲线为依据进行寿命估算的方法，可以直接得到总寿命。
下面围绕该方法举例说明ANSYS随机疲劳分析的一般原理。
当应力历程是随机过程时，疲劳计算相对比较复杂。
但已经有许多种分析方法，这
里仅介绍一种比较简单的方法，即Steinberg提出的基于高斯分布和Miner线性累计
损伤定律的三区间法（应力区间如图1所示）：
应力区间发生的时间
-1σ ~+1σ68.3%的时间
-2σ ~+2σ27.1%的时间
-3σ ~+3σ 4.33%的时间
99.73%
大于3σ的应力仅仅发生在0.27%的时间内，假定其不造成任何损伤。
在利用Miner
定律进行疲劳计算时，将应力处理成上述3个水平，总体损伤的计算公式就可以写成：
其中：
2
：等于或低于1σ水平的实际循环数目（0.6831 ）；
：等于或低于2σ水平的实际循环数目（0.271 ）；
：等于或低于3σ水平的实际循环数目（0.0433 ）；
, , ：根据疲劳曲线查得的1σ、2σ和3σ应力水平分别对应许可循环的次数。
综上所述，针对Steinberg提出的基于高斯分布和Miner线性累计损伤定律的
三区间法的ANSYS随机疲劳分析的一般过程是：
(1) 计算感兴趣的应力分量的统计平均频率(应力速度/应力)；
(2) 基于期望(工作)寿命和统计平均频率，计算1 ，2 和3 水平下的循环
次数、和；
(3) 基于S-N曲线查表得到、和；
(4) 计算疲劳寿命使用系数。
显然，根据其他随机疲劳分析方法和ANSYS随机振动分析结果，我们还可以进行
许多类似的疲劳分析计算。
3。