经典—疲劳分析

疲劳分析软件ANSYS FE_SAFE 简介（转）

来源：刘兴兴的日志

ANSYS FE_SAFE

产品投放市场后，如果在耐久性方面出现问题将会造成许多新产品失去竞争力，给企业带来巨大的经济损失，同时又使企业形象蒙受巨大的负面影响。在中国，由于疲劳耐久性与可靠性不过关造成的产品问题更是普遍存在，是国产产品缺乏国际竞争力的最重要因素之一。国际上，每年因结构疲劳的原因，大量产品在其有效寿命期内报废，由于疲劳破坏而造成的恶性事故也时有出现。据统计，欧洲每年早期断裂造成的损失达800亿欧元，而美国每年早期断裂造成的损失达1190亿美元，其中95% 是由于疲劳引起的断裂。而通过应用疲劳耐久性分析技术，其中的50%是可以避免的，因此许多企业将疲劳耐久性定为产品质量控制的重要指标。

在传统的设计过程中，设计人员在概念或详细设计阶段通常使用简单而不真实的计算来估计产品的寿命，而对这些估计寿命的验证通常是通过一定量物理样机的耐久试验得到，不但试验周期长、耗资巨大，而且许多相关参数与失效的定量关系也不可能在试验中得出，试验结论还可能受许多偶然因素的影响。因此对于产品疲劳寿命的仿真分析方法越来越受到产品设计人员的关注。

ANSYS FE-SAFE是美国ANSYS公司与英国安全技术公司（SAFE TECHNOLOGY LIMITED）紧密合作的产品，是进行结构疲劳耐久性分析的专用软件。在软件开发过程中，每年投资数百万美元用于研发，并进行了大量的材料参数实验和实际结构件的试验验证。

在产品设计阶段使用ANSYS FE-SAFE，可在物理样机制造之前进行疲劳分析和优化设计，真实地预测产品的寿命，实现等寿命周期设计。设计阶段的耐久性分析可以显著缩短产品推向市场的时间、提高产品可靠性，极大地降低制造物理样机和进行耐久性试验所带来的巨额研发费用。ANSYS FE-SAFE耐久性分析技术可广泛应用于从空间站、飞机发动机到汽车、火车；从空调、洗衣机等家电产品到电子通讯系统；从舰船到石化设备；从内燃机、核能、电站设备到通用机械等各个领域。

疲劳分析及概念

>疲劳破坏的概念

当材料或结构受到多次重复变化的载荷作用后，在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。这种在交变载荷持续作用下材料或结构的破坏现象，就叫做疲劳破坏。

>疲劳破坏的特征

材料力学是根据静力试验来确定材料的机械性能（比如弹性极限、屈服极限、强度极限）的，这些机械性能没有充分反映材料在交变载荷作用下的特性。因此，在交变载荷作用下工作的零件和构件，如果还是按静载荷去设计，在使用过程中往往就会发生突如其来的破坏。

>疲劳破坏与传统静力破坏的本质区别

* 静力破坏是一次最大载荷作用下的破坏；疲劳破坏是多次反复载荷作用下产生的破坏，它不是短期内发生的。

* 当静应力小于屈服极限或强度极限时，不会发生静力破坏；而交变应力在远小于静强度极限，甚至小于屈服极限的情况下，疲劳破坏就可能发生。

* 静力破坏通常有明显的塑性变形产生；疲劳破坏通常没有外在宏观的显著塑性变形迹象，即便是塑性良好的金属，其疲劳破坏形式也象脆性破坏一样，事先不易觉察出来，这表明疲劳破坏具有更大的危险性。

* 在静力破坏的断口上，通常只呈现粗粒状或纤维状特征；而在疲劳破坏的断口上，总是呈现两个区域特征，一部分是平滑的，另一部分是粗粒状或纤维状。因为疲劳破坏时，首先在某一点（通常接近构件表面）产生微小的裂纹，其起点叫"疲劳源"，而裂纹从疲劳源开始，逐渐向四周扩展。由于反复变形，裂开

的两个面时而挤紧，时而松开，这样反复摩擦，形成一个平滑区域。在交变载荷继续作用下，裂纹逐渐扩展，承载面积逐渐减少，当减少到材料或构件的静强度不足时，就会在某一载荷作用下突然断裂，其断裂

面呈粗粒状或纤维状。

* 静力破坏的抗力主要取决于材料本身；而疲劳破坏的抗力与材料的组成、构件的形状或尺寸、表面加工状况、使用条件以及外部工作环境都有关系。

ANSYS FE-SAFE概述

ANSYS FE-SAFE由用户界面、材料数据库管理系统、疲劳分析程序和信号处理程序组成。ANSYS FE-SAFE 读取有限元分析计算出的单位载荷或实际工作载荷下的弹性应力，然后根据实际载荷工况和交变载荷形式

将结果比例迭加以产生工作应力时间历程；也可换算成特定类型载荷作用下的弹塑性应力。

材料数据库管理系统

ANSYS FE-SAFE提供了一个全面的材料疲劳特性数据库和数据库管理系统，含有上百种常用的钢、铝合金材料的疲劳数据，用户也可以根据需要扩充和修改该数据库。

用户可以查讯数据库，如列出所有的铝合金，也可以输入新材料。

如果有主数据库和用户本地数据库，这两个数据库都可以访问；系统管理员可以将主数据库设定为只读，以防止用户对主数据库的数据进行修改。

利用内置的Netscape link可以访问试验报告及背景数据，在启动疲劳分析时程序可自动访问材料数据库，读入材料数据；用户数据可通过用户界面直接输入。程序还可绘制材料数据的多种类型的曲线。

在数据库中含有Seeger材料近似算法，允许利用材料的抗拉强度（UTS）和弹性模量生成近似的材料疲劳数据，生成的数据可以指定一个数据集名并存入数据库。

用户界面

在ANSYS FE-SAFE友好的用户界面下，可方便地进行疲劳耐久性分析的数据准备；所输入的材料数据、荷载及荷载组合数据均可图示化显示，疲劳计算的结果可通过三维云图直观地显示。

ANSYS FE-SAFE对有限元数据文件中的单元数没有实际限制，在一个有限元模型中可以有多个单元组，每个单元组中的单元数不限，最多可以根据4096组有限元计算结果进行疲劳分析。

ANSYS FE-SAFE可直接读取ANSYS的分析结果文件，读入节点应力和节点温度等，从材料库中选取相应的材料，疲劳数据即自动定义完毕；对于材料库中没有的材料允许用户自己定义。寿命计算结果可用图形或动画显示，对数寿命、给定寿命下的安全系数均可以三维云图的形式直观地表示。

疲劳分析功能

* ANSYS FE-SAFE可定义载荷时间历程，用于处理一组有限元分析应力结果。

* ANSYS FE-SAFE能有效处理FEA分析的弹性应力结果和弹塑性应力结果，可组合多个载荷的时间历程。迭加多轴加载的时间历程，从而在模型的每个位置上都产生各个应力张量的复杂的时间历程。

* ANSYS FE-SAFE可进行序列工况的疲劳分析，数据集序列可以是一个瞬态分析的结果，也可以通过一系列离散事件来生成。如对发动机曲轴不同转角下的多个求解结果进行疲劳分析。

* ANSYS FE-SAFE可对复杂的块数据载荷进行分析，对于每个载荷条件，生成载荷的有限元结果数据集循环块。

* ANSYS FE-SAFE 可对载荷历程和序列载荷进行组合使用。

* ANSYS FE-SAFE可定义载荷文件，其中可包含一系列载荷块，每一载荷块又可定义一系列的载荷历程或序列载荷数据的组合。序列载荷数据是由于结构承受随时间变化载荷而引起的应力变化数据。

* ANSYS FE-SAFE可利用应力-寿命曲线、应变-寿命曲线，并可使用局部应力-应变法进行单轴和多轴疲劳分析。同时可以使用多种平均应力修正方法，也可采用用户定义的平均应力修正。具有很强的基于局部应力－应变技术的高级多轴疲劳分析功能，自动识别疲劳"热点"；对于运动部件，可针对给定的设计寿命，给出三维安全系数云图，显示疲劳寿命的设计余量。多轴Neuber准则用来计算循环中构件产生屈服引起的弹塑性应力应变。对于应力历程中的每一事件，利用材料记忆算法重新计算双轴条件下的循环应力－应变曲线。对多向载荷，在载荷历程上节点的主应力方向不断变化，因而临界平面的法向也在不断变化，在每个面上，剪切应变或正应变都采用雨流计数法，计算每个循环的疲劳损伤，使用Miner准则来计算节点的疲劳寿命，所有面上的最短疲劳寿命作为节点的疲劳寿命。

* 利用应力－寿命曲线进行单轴分析－Goodman、Gerber平均应力修正。

·利用应变－寿命曲线进行单轴分析－Morrow、Smith-Watson-Topper平均应力修正。

·利用局部应力－应变法进行多轴疲劳分析，可分别考虑最大剪应变（适用于延展性好的材料）、最大正应变（适用于脆性材料）、Brown-Miller组合剪应变及法向应变（适用于绝大多数金属材料）等。

·在加载过程中当一个节点的主应力方向改变时，就使用临界平面法。对剪应变和Brown-Miller准则，使用q＝90°的平面和q＝45°的平面，每个平面以10°的间隔从f＝0°旋转到f＝180°扫描。对于正应变准则，使用q＝90°的平面，以10°的间隔从f＝0°旋转到f＝180°扫描。