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。一般有五个主要步骤：
(1)进入后处理POST1，恢复数据库；
(2)建立位置、事件和载荷的数目，定义材料疲劳性质，确定应力位置和定
义应力集中系数；
(3)存储不同事件和不同载荷下关心位置的应力，并指定事件的重复次数和
比例系数；
(4)激活疲劳计算；
(5)查看结果。
3.1进入POST1和恢复数据库
依照下列步骤进行疲劳计算：
(1)进入POST1
命令：POST1
GUI：Main Menu>General Postproc
(2)把数据库文件(Jobname.DB)读入到在内存中(如果所要做的疲劳计算是正在
进行的ANSYS 计算过程的继续,则Jobname.DB 文件已在内存中)。结果文件(Jobname.RST)必须已经存在并将其读入内存。
命令：RESUME
GUI：Utility Menu>File>Resume from
3.2建立疲劳计算的规模、材料疲劳性质和疲劳计算的位置
(1)定义位置、事件和载荷的最大数目
缺省情况下，疲劳计算最多包括5个节点位置，10个事件，每个事件中3个载荷。如果需要，可以通过下面的命令来设置较大的规模(即较多的位置、事件和载荷)。
命令：FTSIZE
GUI：Main Menu>General Postproc>Fatigue>Size Settings
(2)定义材料的疲劳性质
为了计算各种耗用系数，以及为了包含简化弹塑性效应，必须定义材料的疲
劳性质。在疲劳计算中，感兴趣的材料性质有：
S-N 曲线：应力幅[(S max-S min)/2]-疲劳循环次数的关系曲线。ASME S-N 曲线考虑了最大平均应力的影响。如果需要，应把输入的S-N 曲线进行调节以便考虑平均应力强度效应。如果不输入S-N曲线，那么对于各种可能的应力状态的组合，应力幅将降序排列，但不计算耗用系数。
命令：FP
GUI：Main Menu>General Postproc>Fatigue>S-N Table
S m-T曲线：设计应力强度值-温度曲线。如要考虑检查应力范围是否进入塑性，就必须定义该曲线。
命令：FP
GUI：Main Menu>General Postproc>Fatigue>Sm_T Table
弹塑性材料参数M 和N(应变强化指数)：只在需要使用简化的弹塑性准则时，才输入M、N。这些参数可以从ASME 规范中获得。
命令：FP
GUI：Main Menu>General Postproc>Fatigue>Elas-plas Par
下述例子说明了用于输入疲劳材料性质的FP命令的使用方法：
! Define the S-N table:
FP,1,10,30,100,300,1000,10000 ! Allowable Cycles, N
FP,7,100000,1000000 ! "
FP,21,650,390,240,161,109,59 ! Alternating Stress-
FP,27,37,26 ! Intensity Range, S, ksi
! Define the Sm-T table:
FP,41,100,200,300,400,500,600 ! Temperature, deg F
FP,47,650,700,750,800 ! "
FP,51,20,20,20,18.7,17.4,16.4 ! "Design Stress-Intensity
FP,57,16.1,15.9.15.5,15.1 ! Value", Sm (=2/3*Sy or 1/3 *Su), ksi
! Define the elastic-plastic material parameters:
FP,61,1.7,.3 ! M and N
(3)定义应力位置和应力集中系数
下面的选项允许用户显式地定义疲劳计算中关心的节点位置、该位置的应力集中系数，以及在该位置的一个短的标题(可用20个字母)。
命令：FL
GUI：Main Menu>General Postproc>Fatigue>Stress Locations
注意--不是所有的疲劳分析都需要使用FL命令。如果使用FS、FSNODE或FSSECT等命令(见下)，则疲劳节点位置是自动定义的。假使在建模时包含有足够细的网格，则所计算的应力是准确的，因此不必指定应力集中系数SCFs (但是如果考虑表面影响、尺寸影响和腐蚀影响，则仍然需要指定SCFs )。在计算疲劳
时如果只需要考察一个位置，则可以省略标题。假使定位明确，或是不需要应力集中系数和标题，则可完全不使用FL命令。
这里给出了在一个圆柱筒分析中应用FL命令的例子。整体坐标Y 轴为旋转轴。在不同壁厚交界处的外壁给出了应力集中系数SCFs (针对轴向线性化应力)。
FL,1,281,,,,Line 1 at inside
FL,2,285,,1.85,,Line 1 at outside
FL,3,311,,,,Line 2 at inside
FL,4,315,,2.11,,Line 2 at outside
3.3储存应力、指定事件循环次数和比例因子
(1)储存应力
为了进行疲劳计算，程序必须知道每一个位置上不同事件和载荷时的应力，以及每一个事件的循环次数。可采用下列选项来存储每一个位置、事件和载荷组合情况下的应力：
人工储存应力；
从(Jobname.RST)文件中取得节点应力；
横截面应力。
[警告]：程序从不假定存在0应力条件。如果一定要考虑零应力条件，就必须在每一个事件中明确地输入何处产生零应力。
下面的命令序列，说明如何存储应力。在某些情况下，用户也可以用LCASE 命令代替SET命令。
人工储存应力：FS
从Jobname.RST 中取出节点应力：SET，FSNODE
横截面应力：PATH，PPATH，SET，FSSECT
(横截面计算也需从Jobname.RST 的数据中取得)
可以用不同的方法在一个事件中储存应力。下面说明各种不同的方法。
人工储存应力
可以人工存储应力和温度(不是直接从Jobname.RST 的结果文件取得)。在这种情况下，实际并没有将POST1 的疲劳模块作为后处理器，而是仅仅作为疲劳计算器使用。线单元(如梁单元)的应力必须人工输入，因为疲劳模块不能如体
元或壳元那样从结果文件中读取数据。
命令：FS
GUI：Main Menu>General Postproc>Fatigue>-Store Stresses-Specified Val
下面的例子说明用上述命令输入的方式：
FS,201,1,2,1,-2.0,21.6,15.2,4.5,0.0,0.0
FS,201,1,2,7,450.3
在这个例子中，只输入了全应力(1～6项)和温度。如果还要输入线性化应力，它们将紧随在温度后面，即8～13项。
注意--对只有轴向应力的梁单元，只需输入一个应力分量(SX)，其余各项空白。从结果文件中提取应力
该方法把包含有6个分量的节点应力向量直接储存在结果的数据库内。随后可以用FS命令修正存入的应力分量。
注意--在执行FSNODE命令之前，必须使用SET命令，可能还有SHELL命令。SET命令从数据库的Jobname.RST 文件中读取某一特殊载荷子步下的结果，SHELL命令可选择从壳单元的顶面、中面或底面读取结果(缺省是从顶面读取结果)。
命令：FSNODE
GUI：Main Menu>General Postproc>Fatigue>-Store Stresses-From rst File
下面给出用FSNODE命令在一个事件的一个节点位置输入应力结果的例子：
SET,1 ! Define data set for load step 1
FSNODE,123,1,1 ! Stress vector at node 123 assigned to event 1, loading 1.
SET,2 ! Define data set for load step 2
FSNODE,123,1,2 ! ...event 1, loading 2
SET,3 ! ...load step 3
FSNODE,123,1,3 ! ...event 1, loading 3
图1. 一个事件中的三个荷载
横截面应力
本选项计算和存储截面路径(它是由以前的PATH和PPATH命令定义的)
端点的线性化应力。因为通常线性化应力计算是在能代表两个表面的最短距离的线段上进行的，因此，只需在两个表面上各取一个点来描述PPATH命令中的路径。这一步骤将从计算结果的数据库中获得应力；因此必须在SET命令之前使用FSSECT命令。用FSSECT命令储存的应力分量可用FS命令修正。
命令：FSSECT
GUI：Main Menu>General Postproc>Fatigue> -Store Stresses - At Cross Sect
使用FSSECT命令的方法可用下述例子说明。如果节点位置没有在FL命令中指定，则在该例子中命令FSSECT将自动给两个路径节点391 和395 设定位置编号。
图2. 在执行FSSECT 命令之前由PPATH 命令识别的表面节点
(2)列表、显示或删除储存的应力
用下列选项对储存的应力进行列表、绘图或删除。
[1]列出每一个位置、每一个事件、每一种载荷或每一种应力状态下的储存应力：
命令：FSLIST
GUI：Main Menu>General Postproc>Fatigue>-Store Stresses-
List Stresses
[2]对某一位置和事件，以载荷号的函数来显示应力项：
命令：FSPLOT
GUI：Main Menu>General Postproc>Fatigue>-Store Stresses-
Plot Stresses
[3]删除储存在某一位置、事件和载荷下的应力状态：
命令：FSDELE
GUI：Main Menu>General Postproc>Fatigue>-Store Stresses-
Dele Stresses
[4]删除某一位置上的所有应力：
命令：FL
GUI：Main Menu>General Postproc>Fatigue>Stress Locations
[5]删除在某一事件中各种载荷下的所有应力：
命令：FE
GUI：Main Menu>General Postproc>Fatigue>Erase Event Data
(3)设定事件重复次数和比例系数
本选项确定事件重复次数(对该事件的所有荷载和所有位置)。也可对该事件中构成载荷的所有应力施加比例系数。
命令：FE
GUI：Main Menu>General Postproc>Fatigue>Assign Events
下面给出该步骤的一个例子：
FE,1,-1 ! Erase all parameters and fatigue stresses formerly used for event 1.
FE,2,100,1.2 ！Assign 100 occurrences to events 2, 3 and 4,
*REPEAT,3,1 ! and scale by 1.2.
FE,5,500 ! Assign 500 occurrences to event 5.
3.4获得准确的耗用系数
结构常常承受各种最大和最小应力，它们发生的顺序是未知的(甚至是随机的)。因此就必须小心地考虑如何在各种可能的应力范围内，得到正确的重复循环次数，以获得有效的疲劳寿命耗用系数。
ANSYS 程序自动计算所有可能的应力范围，同时采用我们通常所知道的“雨流”法记数，跟踪这些应力发生的次数。在选定的节点位置，对所有事件进行搜索，以寻找产生最大应力幅的载荷对(应力矢量)。记录这些应力幅的重复次数，同时包含这些载荷的事件的剩余重复次数随之减少。最终至少有一个事件在某一位置被“用光”，而属于这一事件的其它应力状态，在随后的过程中将被忽略。这一过程一直进行着，直到所有的应力幅及重复次数都被计及后结束。[警告]通常容易误用疲劳模块的记数功能。如果需要使疲劳计算得到正确的耗用系数，就必须小心地设计好事件。
设计事件时遵循下列规则：
(1)了解ANSYS 的内部逻辑记数算法，参见《ANSYS Theory Reference》
§19.5，详细地讲述ANSYS 程序如何记数。
(2)由于在三维应力状态，很难预测哪一个载荷步具有极值应力，因此可以
对每一个事件采用多个载荷群，以便成功获得极值应力（如图1）。
(3)如果在某一给定的事件中，只包含一个极值应力，则将获得一个较保守
的结果。如果在一个事件中，引入不止一个极值应力，则有时将产生不
保守的结果。如下例所示：
考察一个加载历程，由两个稍有不同的循环构成：
载荷循环1：做500次循环，Sx = +50.0 ～-50.1 ksi。
载荷循环2：做1000次循环，Sx = +50.1 ～-50.0 ksi。
显然这是应力幅为50 Ksi的1500 次循环。然而，如果不小心把这些载荷
划分成两个事件，则将导致不正确的记数结果。请看该结果如何：
事件1 载荷1：Sx = 50.0 500次循环
载荷2：Sx = -50.1
事件2 载荷1：Sx = 50.1 1000次循环
载荷2：Sx = -50.0
可能的应力幅是：
a、从E1,L1 到E1,L2: 50.05 ksi
b、从E1,L1 到E2,L1: 0.05 ksi
c、从E1,L1 到E2,L2: 50.00 ksi
d、从E1,L2 到E2,L1: 50.10 ksi
e、从E1,L2 到E2,L2: 0.05 ksi
f、从E2,L1 到E2,L2: 50.05 ksi
把这些应力幅从大到小排列：
d、从E1,L2 到E2,L1: 50.10 ksi
a、从E1,L1 到E1,L2: 50.05 ksi
f、从E2,L1 到E2,L2: 50.05 ksi
c、从E1,L1 到E2,L2: 50.00 ksi
b、从E1,L1 到E2,L1: 0.05 ksi
e、从E1,L2 到E2,L2: 0.05 ksi
则记数将如此：
d、从E1,L2 到E2,L1 500 次循环- E1 和E2 用去500 次循环
a、从E1,L1 到E1,L2 0 次循环- E1 已用光
f、从E2,L1 到E2,L2 500 次循环- E2 又用去500 次循环
c、从E1,L1 到E2,L2 0 次循环- 两个事件都用光
b、从E1,L1 到E2,L1 0 次循环- 两个事件都用光
e、从E1,L2 到E2,L2 0 次循环- 两个事件都用光
上面记录了50 ksi 应力幅的1000 次循环，而不是已知的1500 次循环。这个错误的结果是由于不恰当的事件组合导致的。
假使载荷被描述为各自分离的事件(如E1,L1 => E1; E1,L2 => E2; E2,L1 => E3; E2,L2 => E4)，则将得到下列的记数范围：
d、从E2 到E3 的500次循环，用去500次循环
a、从E1 到E2 的0 次循环，因为E2“用光”了
f、从E3 到E4 的500 次循环，E3 又用去500次循环，E4 用去500次循
环
c、从E1 到E4 的500 次循环，E4 又用去500次循环
d、从E1 到E3 的0 次循环，因为E3 “用光”了
e、从E2 到E4 的0 次循环，因为E2 和E4 都“用光”了。
上述情况恰当地记录了累积疲劳损伤，即50 ksi 应力幅的1500 次循环。
(4)相反，对每一个最大和最小应力条件应用分离的事件，则将使记录变得太保
守。在这种情况下，应小心地选择应被一起记数的载荷，将它们划分为同一事件。下面的示例说明一些事件如何才能够包括多个极值应力条件。
考虑由两个载荷循环组成的载荷历程：
载荷循环1：从Sx = +100.1 到+100.0 ksi，做500 次循环
载荷循环2：从Sx = +50.1 到+50.0 ksi，做1000 次循环显然这些循环的最不利组合为以大约25 ksi 的应力幅做500 次循环。
在本例中，如果将载荷划分为两个事件，则产生了25 ksi 范围内进行500 次循环的正确记录。如每一个载荷作为一个独立的事件，将产生一种过于保守的记录，形成25 ksi 应力幅的1000 次循环。
3.5激活疲劳计算
现在有了位置、应力、事件及所有指定的材料参数，可在指定位置执行疲劳计算。位置的确定可用节点本身，也可用位置编号。
命令：FTCALC
GUI：Main Menu>General postproc>Fatigue>Calculate Fatig
3.6查看计算结果
疲劳计算结果被输出在输出窗口。如果你将输出转向[/OUTPUT]到文件中(如Jobname.OUT)，就可打开该文件查看结果。
命令：*LIST
GUI：Utility Menu>List>Files>Other>Jobname.OUT
如果用户已输入S-N 曲线，则所有部位的应力幅(从大到小排列)与相应的事件/载荷、使用循环次数、允许循环次数、温度和阶段耗用系数一起以表格形式输出。随后输出累积寿命耗用系数。
正如前面提到的，FTCALC输出时，将对任一给定的应力幅显示相应的事件和载荷，这些信息能帮助分离出那些引起最大的疲劳损伤的事件与载荷。
修正事件的一个方便的方法是把所有的疲劳数据写入Jobname.FATG 文件中(它可以在执行FTCALC命令前或后做)。写入Jobname.FATG 文件的数据是疲劳模块的命令流。可通过编辑Jobname.FATG 文件(文本文件)来修改事件，然后用/INPUT命令重新读入被修改的疲劳命令。
命令：FTWRITE
GUI：Main Menu>General postproc>Fatigue>Write Fatig Data.
4. 其它记数方法
前面曾介绍过“雨流”记数法。在时间-载荷历程未知的情况下，这一技术才有用处。如果时间-载荷历程已知，对每一个接连的事件分别做疲劳分析[FTCALC]，然后人工相加这些耗用系数，则可避免得到不恰当的保守结果。
5. 疲劳分析示例(APDL命令)
! Enter POST1 and Resume the Database:
/POST1
RESUME,...
! Number of Locations, Events, and Loadings
FTSIZE,...
! Material Fatigue Properties:
FP,1,.... ! N values
FP,21,... ! S values
FP,41,... ! T values
FP,51,... ! Sm values
FP,61,... ! Elastic-plastic material parameters
! Locations, Stress Concentration Factors, and Location Titles
FL,...
! Store Stresses (3 Different Methods)
! Store Stresses Manually:
FS,...
! Retrieve Stresses from the Results File:
SET,...
FSNODE,...
! Store Stresses at a Cross-Section:
PPATH,...
SET,...
FSSECT,...
! Event Repetitions and Scale Factors
FE,...
! Activate the Fatigue Calculations
FTCALC,...
! Review the Results (List the output file)
FINISH
其中的FTSIZE，FP，FL，FS，FSNODE，PPATH，FSSECT，FE 和FTCALC 命令，请参考《ANSYS Commands Reference》。
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力状态，见本章§3.2.3.4。 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。 3.2 疲劳计算
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
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)
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。 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命长短)：（1）对于不同的平均应力或应力比值，设计仿真允许输入多重S-N曲线(实验数据)；（2）如果没有太多的多重S-N曲线(实验数据)，那么设计仿真也允许采用多种不同的平均应力修正理论。 早先曾提到影响疲劳寿命的其他因素，也可以在设计仿真中可以用一个修正因子来解释。 1.6 总结
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
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。
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。
ansys workbench困乏分析流程 基于S-N曲线的困乏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，得到相应的困乏寿命。ansysworkbench 的困乏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： Von-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（反映在平衡应力或r 上））。同强度理论类似，Von-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(rainflowcountingmethod)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
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
问题1：ANSYS后处理疲劳功能与ANSYS/Fe-safe疲劳功能的关系是什么？ 回答1：ANSYS后处理疲劳功能是依据线性累积损伤理论，利用S-N曲线、应力时间历程以及雨流计数技术直接计算疲劳寿命使用系数，属于简单的名义应力疲劳寿命评估，对疲劳的影响因素的考虑有限，适用于粗略估算。ANSYS/Fe-safe则是专用的高级疲劳分析模块，采用先进的单/双轴疲劳计算方法，允许计算弹性或弹塑性载荷历程，综合多种影响因素（如平均应力、应力集中、缺口敏感性、（焊接成型等）初始应力、表面光洁度、表面加工性质等），按照累积损伤理论和雨流计数，根据各种应力或应变进行疲劳寿命和耐久性分析设计，或者根据疲劳材料以及载荷的概率统计规律进行概率疲劳设计以及疲劳可靠性设计，或者按照断裂力学损伤容限法计算裂纹扩展寿命。Fe-safe疲劳计算技术先进，精度很高，广泛实用于各类金属、非金属以及合金等材料。总之，ANSYS后处理疲劳功能仅仅是Fe-safe疲劳功能的一个很少部分，Fe-safe作为复杂环境下的疲劳耐久性计算是ANSYS疲劳的补充与延伸。 问题2：什么是高周疲劳和低周疲劳？它们与应力疲劳法和应变疲劳法之间的关系是什么？ 回答2：根据疲劳断裂时交变载荷作用的总周次，疲劳可分为低周疲劳、中周疲劳和高周疲劳。一般将断裂时的总周次在以下时，称为低周疲劳；断裂时的总周次大于时，称为高周疲劳。在高周疲劳中，构件在破坏之前一般仅发生极小的弹性变形，而在低周疲劳中，应力往往大到足以使每个循环产生可观的宏观的塑性变形。因此，低周疲劳较高周疲劳而言显示出了延性状态。高周疲劳传统上用应力范围来描述疲劳破坏所需的时间或循环数，即按应力疲劳法评估疲劳寿命。低周疲劳（短寿命）传统上用应变范围来描述全塑性区域疲劳破坏所需的时间或循环数，即按(局部)应变疲劳法评估疲劳寿命。 ANSYS FE-SAFE是一款高级疲劳耐久性分析和信号处理的软件，它是多轴疲劳分析解决方案的领导者，算法先进，功能全面细致，是世界公认精度最高的疲劳分析软件。 ANSYS FE-SAFE既支持基于疲劳试验测试应力和应变信号的疲劳分析技术，也支持基于有限元分析计算的疲劳仿真设计技术。 ANSYS FE-SAFE具有完整的材料库、灵活多变的载荷谱定义方法、实用的疲劳信号采集与分析处理功能以及丰富先进的疲劳算法，完整的输出疲劳结果。 疲劳分析软件ANSYS FE_SAFE 简介（转） 来源：刘兴兴的日志
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
ANSYS WORKBENCH 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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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
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。
A ＮSYS WORKBENCH 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１e ４ -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（ｓｔｒa ｉｎ-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(Fati ｇu ｅ Ｍｏdu ｌｅ ad ｄ-o ｎ）采用的是基于应力疲劳(s ｔre ｓs-ba ｓed)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=c ｏｎst ａnt ? 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σmi ｎ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(σm ａx -σmin ）? 平均应力σm 定义为(σm ａｘ+σm ｉn )/2 应力幅或交变应力σa 是Δσ/2 应力比R 是σmin /σm ａ x 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。