ANSYSworkbench教程

2013-06-05 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

第一章簡介

1.1 疲勞概述

結(jié)構(gòu)失效的一個常見原因是疲勞,其造成破壞與重復(fù)加載有關(guān)。疲勞通常分為兩類:高周疲勞是當(dāng)載荷的循環(huán)(重復(fù))次數(shù)高(如1e4 -1e9)的情況下產(chǎn)生的。因此,應(yīng)力通常比材料的極限強度低,應(yīng)力疲勞(Stress-based)用于高周疲勞;低周疲勞是在循環(huán)次數(shù)相對較低時發(fā)生的。塑性變形常常伴隨低周疲勞,其闡明了短疲勞壽命。一般認為應(yīng)變疲勞(strain-based)應(yīng)該用于低周疲勞計算。
在設(shè)計仿真中,疲勞模塊拓展程序(Fatigue Module add-on)采用的是基于應(yīng)力疲勞(stress-based)理論,它適用于高周疲勞。接下來,我們將對基于應(yīng)力疲勞理論的處理方法進行討論。
1.2 恒定振幅載荷
在前面曾提到,疲勞是由于重復(fù)加載引起:
當(dāng)最大和最小的應(yīng)力水平恒定時,稱為恒定振幅載荷,我們將針對這種最簡單的形式,首先進行討論。
否則,則稱為變化振幅或非恒定振幅載荷。
1.3 成比例載荷
載荷可以是比例載荷,也可以非比例載荷:
比例載荷,是指主應(yīng)力的比例是恒定的,并且主應(yīng)力的削減不隨時間變化,這實質(zhì)意味著由于載荷的增加或反作用的造成的響應(yīng)很容易得到計算。
相反,非比例載荷沒有隱含各應(yīng)力之間相互的關(guān)系,典型情況包括:
    σ₁/σ₂=constant
    在兩個不同載荷工況間的交替變化;
    交變載荷疊加在靜載荷上;
    非線性邊界條件。
1.4 應(yīng)力定義
    考慮在最大最小應(yīng)力值σ_min和σ_max作用下的比例載荷、恒定振幅的情況:
    應(yīng)力范圍Δσ定義為(σ_max-σ_min)
    平均應(yīng)力σ_m定義為(σ_max+σ_min)/2
    應(yīng)力幅或交變應(yīng)力σa是Δσ/2
    應(yīng)力比R是σ_min/σ_max
    當(dāng)施加的是大小相等且方向相反的載荷時,發(fā)生的是對稱循環(huán)載荷。這就是σ_m=0,R=-1的情況。
    當(dāng)施加載荷后又撤除該載荷,將發(fā)生脈動循環(huán)載荷。這就是σ_m=σ_max/2,R=0的情況。
1.5 應(yīng)力-壽命曲線
載荷與疲勞失效的關(guān)系,采用的是應(yīng)力-壽命曲線或S-N曲線來表示:
    (1)若某一部件在承受循環(huán)載荷, 經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)后,該部件裂紋或破壞將會發(fā)展,而且有可能導(dǎo)致失效;
    (2)如果同個部件作用在更高的載荷下,導(dǎo)致失效的載荷循環(huán)次數(shù)將減少;
    (3)應(yīng)力-壽命曲線或S-N曲線,展示出應(yīng)力幅與失效循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。
S-N曲線是通過對試件做疲勞測試得到的彎曲或軸向測試反映的是單軸的應(yīng)力狀態(tài),影響S-N曲線的因素很多,其中的一些需要的注意,如下:
    材料的延展性,材料的加工工藝,幾何形狀信息,包括表面光滑度、殘余應(yīng)力以及存在的應(yīng)力集中,載荷環(huán)境,包括平均應(yīng)力、溫度和化學(xué)環(huán)境,例如,壓縮平均應(yīng)力比零平均應(yīng)力的疲勞壽命長,相反,拉伸平均應(yīng)力比零平均應(yīng)力的疲勞壽命短,對壓縮和拉伸平均應(yīng)力,平均應(yīng)力將分別提高和降低S-N曲線。
因此,記住以下幾點:一個部件通常經(jīng)受多軸應(yīng)力狀態(tài)。如果疲勞數(shù)據(jù)(S-N 曲線)是從反映單軸應(yīng)力狀態(tài)的測試中得到的,那么在計算壽命時就要注意:(1)設(shè)計仿真為用戶提供了如何把結(jié)果和S-N曲線相關(guān)聯(lián)的選擇,包括多軸應(yīng)力的選擇;(2)雙軸應(yīng)力結(jié)果有助于計算在給定位置的情況。
平均應(yīng)力影響疲勞壽命,并且變換在S-N曲線的上方位置與下方位置(反映出在給定應(yīng)力幅下的壽命長短):(1)對于不同的平均應(yīng)力或應(yīng)力比值,設(shè)計仿真允許輸入多重S-N曲線(實驗數(shù)據(jù));(2)如果沒有太多的多重S-N曲線(實驗數(shù)據(jù)),那么設(shè)計仿真也允許采用多種不同的平均應(yīng)力修正理論。
早先曾提到影響疲勞壽命的其他因素,也可以在設(shè)計仿真中可以用一個修正因子來解釋。
1.6 總結(jié)
    疲勞模塊允許用戶采用基于應(yīng)力理論的處理方法,來解決高周疲勞問題。
    以下情況可以用疲勞模塊來處理:
    恒定振幅,比例載荷(參考第二章);
    變化振幅,比例載荷(參考第三章);
    恒定振幅,非比例載荷(參考第四章)。
    需要輸入的數(shù)據(jù)是材料的S-N曲線:
    S-N曲線是疲勞實驗中獲得,而且可能本質(zhì)上是單軸的,但在實際的分析中,部件可能處于多軸應(yīng)力狀態(tài)。
S-N曲線的繪制取決于許多因素,包括平均應(yīng)力,在不同平均應(yīng)力值作用下的S-N曲線的應(yīng)力值可以直接輸入,或可以執(zhí)行通過平均應(yīng)力修正理論實現(xiàn)。