疲劳寿命分析方法 摘要：本文简单介绍了在结构件疲劳寿命分析方法方面国内外的发展状况,重点讲解了结构件寿命疲劳分析方法中的名义应力法、局部应力应变法、应力应变场强度法四大方法的估算原理。 疲劳是一个既古老又年轻的研究分支，自Wohler将疲劳纳入科学研究的范畴至今，疲劳研究仍有方兴未艾之势，材料疲劳的真正机理与对其的科学描述尚未得到很好的解决。疲劳寿命分析方法是疲分研究的主要内容之一，从疲劳研究史可以看到疲劳寿命分析方法的研究伴随着整个历史。 金属疲劳的最初研究是一位德国矿业工程帅风W.A.J.A1bert在1829年前后完成的。他对用铁制作的矿山升降机链条进行了反复加载试验，以校验其可靠性。1843年，英国铁路工程师W.J.M.Rankine对疲劳断裂的不同特征有了认识，并注意到机器部件存在应力集中的危险性。1852年-1869年期间，Wohler对疲劳破坏进行了系统的研究。他发现由钢制作的车轴在循环载荷作用下，其强度人大低于它们的静载强度，提出利用S-N 曲线来描述疲劳行为的方法，并是提出了疲劳“耐久极限”这个概念。1874年，德国工程师H.Gerber开始研究疲劳设计方法，提出了考虑平均应力影响的疲劳寿命计算方法。Goodman讨论了类似的问题。1910年，O.H.Basquin提出了描述金属S-N曲线的经验规律，指出：应力对疲劳循环数的双对数图在很大的应力范围内表现为线性关系。Bairstow通过多级循环试验和测量滞后回线，给出了有关形变滞后的研究结果，并指出形变滞后与疲劳破坏的关系。1929年B.P.Haigh研究缺口敏感性。1937年H.Neuber指出缺口根部区域内的平均应力比峰值应力更能代表受载的严重程度。1945年M.A.Miner 在J.V.Palmgren工作的基础上提出疲劳线性累积损伤理论。L.F.Coffin和S.S.Manson各自独立提出了塑性应变幅和疲劳寿命之间的经验关系，即Coffin—Manson公式，随后形成了局部应力应变法。 中国在疲劳寿命的分析方面起步比较晚，但也取得了一些成果。浙江大学的彭禹，郝志勇针对运动机构部件多轴疲劳载荷历程提取以及在真实工作环境下的疲劳寿命等问题，以发动机曲轴部件为例，提出了一种以有限元方法，动力学仿真分析以及疲劳分
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。 S-N曲线是通过对试件做疲劳测试得到的弯曲或轴向测试反映的是单轴的应力状态，影响S-N曲线的因素很多，其中的一些需要的注意，如下： 材料的延展性，材料的加工工艺，几何形状信息,包括表面光滑度、残余应力以及存在的应力集中，载荷环境，包括平均应力、温度和化学环境，例如，压缩平均应力比零平均应力的疲劳寿命长，相反，拉伸平均应力比零平均应力的疲劳寿命短，对压缩和拉伸平均应力，平均应力将分别提高和降低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)是从反映单轴应力状态的测试中得到的，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和S-N曲线相关联的选择，包括多轴应力的选择；（2）双轴应力结果有助于计算在给定位置的情况。 平均应力影响疲劳寿命，并且变换在S-N曲线的上方位置与下方位置(反映出在给定应力幅下的寿
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。 3.1.1 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)第三节(和第八节第二部分)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。 3.1.2 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
疲劳就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”的某个部件就是如何形成的。 3、1、1 ANSYS程序处理疲劳问题的过程 ANSYS 疲劳计算以ASME锅炉与压力容器规范(ASME Boiler and Pressure Vessel Code)第三节(与第八节第二部分)作为计算的依据,采用简化了的弹塑性假设与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与给每一个事件定义比例系数。 3、1、2 基本术语 位置(Location):在模型上储存疲劳应力的节点。这些节点就是结构上某些容易产生疲劳破坏的位置。 事件(Event):就是在特定的应力循环过程中,在不同时刻的一系列
细解Ansys疲劳寿命分析 2013-08-29 17:16 by:有限元来源:广州有道有限元 ANSYS Workbench 疲劳分析 本章将介绍疲劳模块拓展功能的使用: –使用者要先学习第4章线性静态结构分析. ?在这部分中将包括以下内容: –疲劳概述 –恒定振幅下的通用疲劳程序，比例载荷情况 –变振幅下的疲劳程序,比例载荷情况 –恒定振幅下的疲劳程序，非比例载荷情况 ?上述功能适用于ANSYS DesignSpacelicenses和附带疲劳模块的更高级的licenses. A. 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. …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
…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:?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
基于实测载荷谱的白车身疲劳寿命计算 朱涛1 林晓斌2 1上海山外山机电工程科技有限公司 2英国恩科(nCode)国际有限公司上海代表处
基于实测载荷谱的白车身疲劳寿命计算 朱涛1 林晓斌2 1上海山外山机电工程科技有限公司 2英国恩科(nCode)国际有限公司上海代表处 摘要：汽车白车身疲劳分析由于缺乏真实载荷谱的输入而显得没有说服力，计算分析的结果往往与试车场或用户使用时发生的失效没有关联，这样导致了虚拟疲劳分析的强大作用无法发挥。本文通过六分力轮测试系统实测了某型乘用车在试车场的载荷谱数据，以此作为输入，并综合了多种CAE手段，包括有限元网格划分、有限元分析、多体动力学分析和疲劳分析，对该乘用车的白车身在实测载荷谱作用下的疲劳寿命分布进行了计算分析，获得了有价值的结果。同时给出了更符合真实工况的试验与虚拟相结合的白车身一体化疲劳分析流程。 关键词：白车身，虚拟疲劳分析，道路载荷谱，有限元网格划分，有限元分析，多 体动力学分析 1 前言 汽车结构疲劳的话题在当前各大整车制造企业越来越受到重视，几乎每种新开发的车型都需要考察其疲劳耐久性能。以前传统的方法，汽车企业对于新车型疲劳寿命的评估都是利用实车在各道路试车场进行路试[1]，该方式虽然是最直接且最准确的，但测试时间却十分冗长且耗费人力与经费甚巨，即使发现了问题往往也很难去修改。近年来计算机软硬件的迅速发展，计算机辅助工程（CAE）分析技术在静态、碰撞、振动噪音等领域均有了相当不错的应用成果，但疲劳耐久性分析需要综合有限元应力分析和动力学载荷分析等专业技术，仍需花费非常大的计算量，且计算的准确性由于没有真实的道路载荷谱（RLD）作为计算输入而缺乏说服力。 本文针对上述问题，基于在国内汽车企业已经开始成熟运用的六分力轮测试技术实测获得的某乘用车在试车场的道路载荷谱数据[2]，以此作为输入，驱动建立好的整车多刚体动力学仿真模型，获取作用在白车身各连接点上的载荷谱，同时对白车身进行有限元应力场分析。综合上述结果，调用相应的疲劳损伤模型对白车身的疲劳寿命进行了计算，从而建立起一套较为可行的更符合真实工况的车辆疲劳寿命分析技术流程。
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
车身疲劳分析规范编号：LP-RD-RF-0020 文件密级：机密 车身疲劳分析规范 V1.0 编制： 日期： 编制日期审核/会签日期批准日期
车身疲劳分析规范 修订页 编制/修订原因说明：首次编制 原章节号现章节号修订内容说明备注 编制/修订部门/人 参加评审部门/人 修订记录： 版本号提出部门/人修订人审核人批准人实施日期备注
目录 1 简介 (2) 1.1 分析背景和目的 (2) 1.2 软硬件需求 (2) 1.3 分析数据参数需求 (2) 2 模型前处理 (2) 2.1 模型处理 (2) 2.2 约束及加载方式 (3) 3 有限元分析步骤 (3) 3.1 Nastran 静力分析模块 (3) 3.2 NCODE DesignLife 疲劳分析模块 (4) 4 分析结果后处理 (10) 5 结果评价 (11)
车身疲劳分析规范 1 简介 1.1 分析背景和目的 车身在路试过程中及售后反馈中80%以上的开裂问题为疲劳破坏，车身的疲劳性能是车身质量的重要体现，有必要对车身进行疲劳分析。目前比较通用的疲劳分析方法是准静态法。 1.2 软硬件需求 软件 前处理HyperMesh – Nastran模块 求解器Nastran Solution 101，nCode DesignLife 后处理HyperView 硬件 前、后处理：HP或DELL工作站； 求解：HP服务器、HP或DELL工作站。 1.3 分析数据参数需求 所需模型为简化的TB模型，（白车身及各质量点配重） 2 模型前处理 2.1 模型处理 1）导入简化的TB模型，详细建模细则参考《CAE分析共用模型建模指南》,所有搭载在白车身上的零件均需配重； 2）将各接附点重新编号，编号细则参考《整车疲劳分析连接点编号规范》； 图2.1 简化的TB模型
ANSYSWORKBENCH疲劳分析指南第三章 发表时间：2009-2-21 作者: 安世亚太来源: e-works 关键字: CAE ansys Workbench疲劳分析 第三章不稳定振幅的疲劳 在前面一章中,考察了恒定振幅和比例载荷的情况,并涉及到最大和最小振幅在保持恒定的情况下的循环或重复载荷。在本章将针对不定振幅、比例载荷情况,尽管载荷仍是成比例的,但应力幅和平均应力却是随时间变化的。 3.1 不规律载荷的历程和循环(History and Cycles) 对于不规律载荷历程,需要进行特殊处理： 计算不规律载荷历程的循环所使用的是“雨流”rainflow循环计算，“雨流”循环计算(Rainflowcycle counting)是用于把不规律应力历程转化为用于疲劳计算的循环的一种技术(如右面例子)，先计算不同的“平均”应力和应力幅(“range”)的循环，然后使用这组“雨流”循环完成疲劳计算。 损伤累加是通过Palmgren-Miner 法则完成的，Palmgren-Miner法则的基本思想是：在一个给定的平均应力和应力幅下，每次循环用到有效寿命占总和的百分之几。对于在一个给定应力幅下的循环次数Ni，随着循环次数达到失效次数Nfi时，寿命用尽，达到失效。 “雨流”循环计算和Palmgren-Miner损伤累加都用于不定振幅情况。 因此，任何任意载荷历程都可以切分成一个不同的平均值和范围值的循环阵列(“多个竖条”)，右图是“雨流”阵列，指出了在每个平均值和范围值下所计算的循环次数，较高值表示这些循环的将出现在载荷历程中。 在一个疲劳分析完成以后，每个“竖条”(即“循环”)造成的损伤量将被绘出，对于“雨流”阵列中的每个“竖条”(bin)，显示的是对应的所用掉的寿命量的百分比。在这个例子中，即使大多数循环发生在低范围/平均值，但高范围(range)循环仍会造成主要的损伤。依据Per Miner法则，如果损伤累加到1(100%)，那么将发生失效。 3.2 不定振幅程序 a 建立引领分析(线性,比载荷) b 定义疲劳材料特性(包括S-N曲线)
Science and Technology & Innovation ┃科技与创新 ?17? 文章编号：2095－6835（2015）06－0017－02 车辆疲劳耐久性分析及其优化技术研究 赵成刚1，屈 凡2 （1.中国汽车技术研究中心汽车工程研究院，天津 300300； 2.天津一汽夏利汽车股份有限公司产品开发中心，天津 300300） 摘 要：车辆在人们的生活、生产中占据的地位日益重要，其在运行过程中会受到各种因素的影响，进而降低了其使用效率和服务年限，因此，必须做好车辆零部件的维护管理工作。就车辆运行的实际情况看，大部分关键零部件的失效都是因疲劳使用而导致的，疲劳耐久性是衡量车辆产品性能的主要指标之一，在很大程度上代表了车辆的安全性、经济性和可靠性现状。对车辆的耐久性进行了分析，并提出了相应的优化措施。 关键词：疲劳耐久性；优化措施；循环荷载；EIFS 分布 中图分类号：U467 文献标识码：A DOI ：10.15913/https://www.doczj.com/doc/7815766675.html,ki.kjycx.2015.06.017 现代车辆的结构逐渐向高速化和载重化的方向发展，为了保证车辆运行的安全性和稳定性，就要对车辆结构和各零部件有更为严格的要求。疲劳耐久性是衡量车辆零部件和结构性能的主要指标之一，可直接反映车辆的运行状态。但就车辆疲劳耐久性研究的现状来看，还存在一定的不足。因此，为了提高对车辆疲劳耐久性研究的效果，需要对现存的不足进行分析，并选择有效的优化措施，争取不断提高车辆的运行效率。 1 车辆耐久性疲劳分析 耐久性即产品在规定使用和维修的条件下，达到极限状态前完成规定功能的能力，从本质上看，即产品在达到服务年限前，可维持正常状态的时间。对于车辆而言，经常会将汽车或零部件可以行驶一定里程而不发生故障作为衡量车辆耐久性的重要指标。但在车辆长时间运行的过程中，各零部件和构件会受到循环荷载的影响，造成结构部分发生永久性结构变化，并在多次循环后形成裂纹或断裂，这种情况称为耐久性疲劳。一旦车辆结构或零部件出现耐久性疲劳，则直接影响车辆运行的稳定性和安全性。对于车辆的耐久性疲劳而言，其产生的主要原因是循环荷载作用，与疲劳损坏还有一定的距离，且一旦发生疲劳断裂，则会导致车辆结构产生宏观塑性变形。 2 车辆耐久性分析方法 2.1 分析对象 车辆耐久性分析的对象为疲劳寿命与强度有重要联系的重要零部件，并基于结构损伤度和可靠度进行详细分析，最终判断其使用寿命。在对车辆进行耐久性分析时，可将整个车辆机械结构或一部分作为研究对象，比如圆角、紧固孔和焊接件等，尤其是应力水平高且应力水平集中的部位。 2.2 材料参数 材料参数的分析对象包括断裂韧性、EIFS 分布和表面粗糙系数等。在研究时，基本上以概率断裂力学为基础，并通过试验的手段得到相应数据。其中，对于普通材料而言，可直接在相应的数据库中搜寻相应的参数信息，比如尺寸系数、断裂韧性和表面粗糙度系数等。 2.3 使用期断裂纹扩展控制曲线 对于给定应力区，随着时间t 的变化，对细节描述的当量缺陷尺寸也会发生变化，且车辆的应力区不同，裂纹的扩展率也不同。在对车辆耐久性进行分析时，为了提高预测裂纹超越数概率的可靠性，可以结合使用期裂纹扩展控制曲线与EIFS 分布，导出EIFS 控制曲线所用的裂纹扩展方式形式一致，则使用期裂纹扩展率为： d a /dN =Q i a . （1） 式（1）中：a 为裂纹长度；N 为应力循环次数；Q i a 为使用期裂纹扩展率。 控制曲线为： y Ti （t ）=a r exp （－Q i t ）. （2） 式（2）中：y Ti 为当量初始缺陷尺寸；a r 为试验常数；Q i 为裂纹扩展参数。 2.4 裂纹超越数 给定应力区i 裂纹超越数即在指定时间t 内该应力区i 结构细节群中裂纹尺寸超过a r 的细节数量，用N （i ，t ）表示，并作为一个离散型随机变量，且会随着时间t 的变化而变化。假设应力区每个细节相对小裂纹尺寸扩展相互独立，则每个细节在 时间t 时，裂纹尺寸可达到a r 的概率为p （i ，t ） 。如果确定应力区i 中所含细节数为N i ，则在时间t 时的裂纹尺寸超过a r 的细节数为N ’（i ，t ），服从参数为N i 与p （i ，t ）二项式分布，则平均裂纹超越数为： N ’（i ，t ）=N i p （i ，t ）. （3） 式（3）中：N ’（i ，t ）为时间t 内裂纹尺寸超过a r 的细节数；N i p （i ，t ）为平均裂纹超越数。 标准差为： σN （i ，t ）={N i p （i ，t ） ［1－p （i ，t ）］}1/2. （4） 在对车辆耐久性进行分析时，则其结构指定细节群会包含多个应力区，可用L （t ）表示结构细节群中裂纹尺寸超过a r 的细节数量，且会随着时间t 的变化而变化。如果每个应力区的细节数N 都比较大时，N （i ，t ）所对应的二项式分布依据中心极限定理趋近于数学期望N ’（i ，t ）和方差σN 2（i ，t ）正态分布，则近似有N （i ，t ）～N ［N ’（i ，t ），σN 2（i ，t ）］，则细节群裂纹超越数为： ∑==m i t i N t L 1） ，（）（. （5） 式（5）中：L （t ）为正态变量。 则细节群平均裂纹超越L t （）和标准差σL （i ）表示为： 1m i t N t ==∑，）. （6） 12 2 1 []m i i i t σσ==∑L N （）（，）. （7） 3 基于CAE 技术的车辆疲劳耐久性分析 3.1 建立多体动力学模型 建立多体动力学模型时，应利用整车和零部件参数建立总成系统，以完成运动学个动力学虚拟实验，主要包括汽车操纵的稳定性、安全性和平顺性等性能的精确模拟和计算。整个ADAMS/CAR 建模过程为自下而上，逐次完成各个模板的建立，再由相应的模板生成子系统，最终由每个子系统组装成整个车的模型。其中，子系统是以模板为基础建立的，由多个零件组合而成，主要包括设计参数、模板文件和引用属性文件等多方面的说明。整车建模需要对部分零部件进行简化处理，比如将车身看作为刚体，利用车身质心位置处的质量点建模。 （下转第20页）
ANSYS疲劳分析的应用 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、耗资大，而且许多参数与失效的定量关系也不能在试验中得出，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。 在塑料机械中，模板是注塑机最重要的零件之一，它的成本是注塑机成本的主要组成部分，模板断裂，注塑机就不能正常工作。从强度出发，当然是选用高质量的材料，而且尽量将模板做得厚一些，但这两点均提高模板造价，影响整机成本。目前模板大部分采用球墨铸铁铸造。这主要考虑：(1) 在模板上铸出加强筋或将模板掏空，可有效减少质量;(2) 由于球铁较易于精铸(树脂砂铸造)，使加工余量大大减少，可有效减少加工成本;(3) 球铁刚性较好，也具有一定强度。虽然设计者充分考虑了模板的强度、刚度，但仍然有许多模板断裂的事故发生，其原因在于模板断裂不是因为静力破坏而是因为疲劳破坏。 一、元原理及模型建立 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。这种在交变载荷作用下材料或结构的破坏现象称为疲劳破坏[1 ] 。
结构的疲劳破坏，首先在局部区域产生裂缝，一般是在零件和构件的表面，也可能在零件内部有缺陷处，即应力最高的区域。由于该区域代表了整个结构的疲劳强度，所以该区域称为危险区，危险区的应力、应变变化情形为结构疲劳分析中所需的应力或应变2时间历程。因此，结构疲劳应力分析的目的，就是要求得结构在承受各种负荷时，对其危险区的应力或应变响应，作为结构疲劳设计的依据之一。 在进行工程结构疲劳分析时，常应用ANSYS 软件为分析工具来确定结构的高应力危险区，并进行负荷谱转化为应力谱或应变谱的工作。本工作将引用基本理论[2]： 其中，式中，[ B ] 为应变矩阵;[ D] 为弹性矩阵;{ f e} 及[ Ke ] 为单元节点力及单元刚度矩阵。建立一组以结点位移为未知量的代数方程组，解这些方程组就可以求出物体上有限个离散结点上的位移，从而得到所需的应力和应变。 利用三维通用软件UGNX310 建立供分析用的三维几何模型。根据零件的受力情况及要求，建模时作了一些简化：(1) 忽略模板上一些对整体受力影响不大的小孔;(2) 忽略模板上四台柱孔处的小凸台;(3) 忽略顶出联接台;(4) 忽略大部分较小的圆角并作了一定的简化。同时利用ANSYS 的前处理器进行网格划分，得图1 模型。
某商用车白车身结构疲劳寿命分析与优化设计 李明1李源2陈斌3 （1湖南工业大学机械工程学院，湖南株洲，412008；2国防科学技术大学指挥军官基础教育学院，湖南长沙，410072；3 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南长沙，410082） 摘要：本文基于应力分析结果，采用有效的疲劳寿命预估方法，利用专业耐久性疲劳寿命分析系统MSC．Fatigue对该型商用车白车身进行S-N全寿命分析，得其疲劳寿命分布与危险点的寿命值。采用 结构优化、合理选材等方法，提高白车身结构的疲劳寿命。 关键词：白车身；有限元；静态分析；疲劳寿命分析；优化 Body-in-white Fatigue Analysis and Optimization Design of the Commercial Vehicle LI Ming1, LI Yuan2, CHEN Bin3 （1 School of Mechanical Engineering , Hunan University of Technology, Zhuzhou, Hunan 412008, China; 2 College of Basic Education for Officers, National University of Defense Technology, Changsha, Hunan 410072, China；3 State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body, Hunan University, Changsha, Hunan 410082,China） Abstract:Based on the results of stress analysis, this paper took the effective way of the fatigue life estimating, used the professional durability fatigue life analysis system MSC. Fatigue, and the S-N life-cycle analysis of the certain type of commercial vehicle body-in-white finite element model, got the distribution of fatigue life and the fatigue life value of the danger points. Finally, by the structural optimization and material selection, writer improved the fatigue life of white body structure. Keywords: B ody-in-white structure, FEM, Static analysis, Fatigue lifetime analysis; Optimization 0 前言 在车身结构疲劳领域的国内研究中，1994年，江苏理工大学陈龙在建立了车辆驾驶室疲劳强度计算的力学和数学模型基础上，提出了车辆驾驶室疲劳强度研究方法[1]。2001 年，清华大学孙凌玉[2]等首次计算机模拟了汽车随机振动过程。2002年，上海汇众汽车制造有限公司王成龙[3]等应用FATIGUE 软件的分析，结合疲劳台架试验，探讨了疲劳强度理论在汽车产品零部件疲劳寿命计算中的应用，提出了提高零部件疲劳强度的方法。2004年，同济大学汽车学院靳晓雄[4]等人提到进行零部件疲劳寿命预估，
高铁车体结构件应力分析与疲劳强度评估王磊但龙姜晓艳 发表时间：2019-07-15T16:09:32.903Z 来源：《当代电力文化》2019年第05期作者：王磊但龙姜晓艳 [导读] 2007年4月18日，我国的高铁开始正式投入使用，由于是刚刚开始进行高铁的建设，因此在高铁运营过程中往往会出现各种各样的问题和缺陷。 中车青岛四方机车车辆股份有限公司山东青岛 266000 摘要：2007年4月18日，我国的高铁开始正式投入使用，由于是刚刚开始进行高铁的建设，因此在高铁运营过程中往往会出现各种各样的问题和缺陷。其中有80%的机械零件都是因为疲劳破坏而失效的。高铁车体结构大部分都是采用金属材料制作的，而金属不可能做无数次的交变载荷试验，都存在一个疲劳强度，一旦所加的应力值超过金属材料的疲劳强度，就会导致金属变形，从而出现严重事故。基于此，本文首先简单的介绍一下影响疲劳强度的因素；随后详细的介绍一下计算疲劳强度的疲劳试验方法。以此仅供相关人士进行交流与参考。 关键词：高铁车体结构件；应力分析；疲劳强度评估 引言： 在这短短的十几年间，我国的高铁行业得到了突飞猛进的发展，装备生产、运行管理等质量水平也在不断的进步和提高。而机械零件作为高铁车体结构的一个重要组成部分，确实应该引起高铁部门的重视。本文首先介绍一下影响机械零件疲劳强度的因素，随后介绍一下计算机械零件疲劳强度的疲劳试验方法，从而准确的进行疲劳强度的评估，从而不断提高高铁结构件的质量。 一、影响高铁车体结构的疲劳强度因素 高铁车体结构件的疲劳强度评估研究一直都在进行，其中最初的评估方法就是对零件疲劳极限进行测定。但由于实际零件在制作过程中尺寸、形状、材料等都各有不同，因此通过测定零件疲劳极限来评估疲劳强度的试验方法在实施起来具有很大的困难。以此，我们可以通过研究影响机械零件疲劳强度的因素来评估机械零件的疲劳强度。影响机械零件疲劳强度的因素主要是应力集中与梯度；尺寸效应以及表面加工质量这三点（见图一）。 （一）应力集中与梯度 为了满足高铁车体结构的要求，机械零件的制作和加工一般都有拐角、切口、沟槽等缺口，这些缺口自然而言的就出现了应力集中，从而提高了零件的局部应力。在零件部件承载静载荷时，随着静载荷的增加，零件会出现一个宏观塑性变形的阶段，重新分配应力并趋于均匀。而对于疲劳破坏而言，零件并不会出现明显的宏观塑性变形，也不会重新分配应力，因此缺口处的疲劳强度比光滑部位高，出现问题的概率也比较大。缺口处的最大局部应力ɑmax和名义应力ɑn的比值为理论应力集中系数K，K=ɑmax/ɑn。K可以用来表示应力集中提高零件局部应力作用，也被称为形状系数，一般采用弹性力学解析方法或者是光测弹性力学试验来求解[1]。 （二）尺寸效应 机械零件的尺寸对于疲劳强度的影响较大，尺寸效应指的就是当尺寸增大时，疲劳强度就会降低。一般用尺寸系数ε来表示尺寸效应作用的大小。δ-1d为零件的疲劳极限，δ-1为几何相似式样的疲劳强度，d为试样和零件的尺寸（一般在6mm到7.5mm）,所以ε=δ-1d/δ-1。引起尺寸效应的因素可以分为制作工艺因素和比例因素。制作工艺因素主要是指机械零件在加工制造过程中因为制作差异出现的尺寸变化[2]。而且铸造件的规模大小也会不同程度的增加铸造困难，一般体积越大的铸造件铸造难度更高，也比较容易出现气孔、沙眼等缺陷，这些缺陷都会成为零件的薄弱部分，从而降低零件的疲劳强度。 （三）表面加工质量 表面加工质量一般由表面粗糙度来衡量，金属种类的不同、加工方法的不同都会对表面加工质量造成影响，像金属表面切削深度、切削用量等，都会对零件部件的疲劳强度产生影响。根据相关研究证明，金属式样的疲劳强度随硬化程度的增加而增加，而且应变硬化的式样都会产生残余的压应力，这种压应力会大大提高零件的拉伸疲劳强度，进而降低零件的疲劳强度[3]。 （图一）影响高铁车体结构的疲劳强度因素 二、计算疲劳强度的疲劳试验方法 （一）常规疲劳试验方法介绍 在进行疲劳实验之前，首先要制备好疲劳式样，疲劳式样需要经过机械加工、热处理以及尺寸测量、表面检验等步骤，保证疲劳式样能够达到疲劳试验的设备要求标准。常规的疲劳试验方法主要用于式样个数不多、生产任务紧急的情况，该方法可以直接给出零件式样的
ANSYSWORKBENCH疲劳分析指南 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σ和σ作用下的比例载荷、恒定振幅的情况：应力范围Δσ定义为(σ-σ) 平均应力σ定义为(σ+σ)/2 应力幅或交变应力σa是Δσ/2 应力比R是σ/σ 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σ=σ/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。 S-N曲线是通过对试件做疲劳测试得到的弯曲或轴向测试反映的是单轴的应力状态，影响S-N曲线的因素很多，其中的一些需要的注意，如下：材料的延展性，材料的加工工艺，几何形状信息,包括表面光滑度、残余应力以及存在的应力集中，载荷环境，包括平均应力、温度和化学环境，例如，压缩平均应力比零平均应力的疲劳寿命长，相反，拉伸平均应力比零平均应力的疲劳寿命短，对压缩和拉伸平均应力，平均应力将分别提高和降低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)是从反映单轴应力状态的测试中得到的，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和S-N曲线相关联的选择，包括多轴应力的选择；（2）双轴应力结果有助于计算在给定位置的情况。
细解Ansys疲劳寿命分析 ANSYS Workbench 疲劳分析 本章将介绍疲劳模块拓展功能的使用: –使用者要先学习第4章线性静态结构分析. ?在这部分中将包括以下内容: –疲劳概述 –恒定振幅下的通用疲劳程序，比例载荷情况 –变振幅下的疲劳程序,比例载荷情况 –恒定振幅下的疲劳程序，非比例载荷情况 ?上述功能适用于ANSYS DesignSpacelicenses和附带疲劳模块的更高级的licenses. A. 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. …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
…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:?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
ansys workbench疲劳分析流程 基于S-N曲线的疲劳分析的最终目的是将变化无规律的多轴应力转化为简单的单轴应力循环，以便查询S-N曲线，得到相应的疲劳寿命。ansys workbench的疲劳分析模块采用如下流程，其中r=Smin/Smax，Sa为应力幅度，Sm应力循环中的应力均值，注意后一个m不是大写：）： （1）无规律多轴应力-->无规律单轴应力 这个转换其实就是采用何种应力（或分量）。只能有以下选择： V on-Mises等效应力；最大剪应力；最大主应力；或某一应力分量（Sx,Syz等等）。有时也采用带符号的Mises应力（大小不变等于Mises应力，符号取最大主应力的符号，好处是可以考虑拉或压的影响（反映在平均应力或r上））。同强度理论类似，V on-Mises等效应力和最大剪应力转换适用于延展性较好的材料，最大主应力转换用于脆性材料。 （2）无规律单轴应力-->简单单轴应力循环 其本质是从无规律的高高低低的等效单轴应力--时间曲线中提取出一系列的简单应力循环（用Sa,Sm表征）以及对应的次数。有很多种方法可以完成此计数和统计工作，其中又分为路径相关方法和路径无关方法。用途 最广的雨流法(rain flow counting method)就是一种路径相关方法。其算法和原理可见“Downing, S., Socie, D. (1982) Simplified rain flow counting algorithms. Int J Fatigue,4, 31–40“。 经过雨流法的处理后，无规律的应力--时间曲线转化为一系列的简单循环（Sa,Sm和ni,ni为该循环的次数，Sm如果不等于0，即r!=-1，需要考虑r的影响）。然后将r!=-1的循环再转化到r=-1对应的应力循环（见下），这样就可以根据损伤累计理论（Miner准则）计算分析了：Sum(ni/Ni) Ni为该应力循环对应的寿命（考虑Sa,Sm）。 （3）r!=-1的简单单轴应力循环-->r=-1的r!=-1的简单单轴应力循环 如果有不同r值下的S-N曲线，一般采用插值方法确定未知r值下的S-N曲线。如果只有r=-1的S-N曲线，可采用如下的公式计算等效的应力（就是将r！＝－1的单轴应力转换为r=-1时的单轴应力，即等效应力）： （Sa/Se)+(Sm/Su)^n=1 ^为指数运算符。 其中，Sa为半应力幅值，Se为欲求的等效应力，Sm为平均应力，Su和n不同的取值，构成不同的理论： Theory Su n ------------------------------------------------------------------ Soderberg yield stress (sy) 1 Goodman ultimate tensile stress (su) 1 Gerber ultimate tensile stress (su) 2 Morrow true fracture stress (sf) 1 ----------------------------------------------------------------- 至此，已经可以查询标准的S-N曲线了，结合Miner准则，可以计算疲劳寿命了。