ANSYS Workbench 疲劳分析 ANSYS公司培训教材.pdf
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1、ANSYS Workbench 疲劳分析疲劳分析 February 20, 2004 Inventory #002018 14-2 ANSYS Workbench SimulationANSYS Workbench SimulationANSYS Workbench ANSYS Workbench ANSYS Workbench ANSYS Workbench ANSYS Workbench ANSYS Workbench Simulation Simulation SimulationSimulationSimulationSimulation 培训手朋 疲劳模块疲劳模块 本章概述本章概述
2、本章将介绍疲劳模块拓展功能的使用本章将介绍疲劳模块拓展功能的使用: 使用者要先学习第使用者要先学习第4章线性静态结构分析章线性静态结构分析. 在这部分中将包括以下内容在这部分中将包括以下内容: 疲劳概述疲劳概述 恒定振幅下的通用疲劳程序,恒定振幅下的通用疲劳程序,比例比例载荷情况载荷情况 变振幅下的疲劳程序变振幅下的疲劳程序, 比例比例载荷情况载荷情况 恒定振幅下的疲劳程序,恒定振幅下的疲劳程序,非非比例比例载荷情况载荷情况 上述功能适用于上述功能适用于 ANSYS DesignSpace licenses和 附带和 附带疲劳模 块 疲劳模 块的更高级的的更高级的licenses. w w w
3、 . b z f x w . c o m February 20, 2004 Inventory #002018 14-3 ANSYS Workbench SimulationANSYS Workbench SimulationANSYS Workbench ANSYS Workbench ANSYS Workbench ANSYS Workbench ANSYS Workbench ANSYS Workbench Simulation Simulation SimulationSimulationSimulationSimulation 培训手朋 疲劳模块疲劳模块 A. 疲劳概述疲劳概述 结
4、构失效的一个常见原因是疲劳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其造成破坏与重复加载有关 疲劳通常分为两类疲劳通常分为两类: 高周疲劳是当载荷的循环(重复)次数高高周疲劳是当载荷的循环(重复)次数高(如如 1e4 - 1e9)的情况下产 生的 的情况下产 生的. 因此,应力通常比材料的极限强度低因此,应力通常比材料的极限强度低. 应力疲劳(应力疲劳(Stress- based )用于高周疲劳)用于高周疲劳. 低周疲劳是在循环次数相对较低时发生的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。 。塑性变形常常伴随低周 疲劳,其阐明了短疲劳寿命
5、。一般认为应变疲劳(一般认为应变疲劳(strain-based ) 应该用于低周疲劳计算 ) 应该用于低周疲劳计算 . 在设计仿真中在设计仿真中, 疲劳模块拓展程序(疲劳模块拓展程序( Fatigue Module add-on) 采用的是基于应力疲劳采用的是基于应力疲劳(stress-based)理论,它适用于高周疲 劳 )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接下来,我们将对基于应力疲劳理论的处理方法进行讨论. w w w . b z f x w . c o m February 20, 2004 Inventory #002018 14-4 ANS
6、YS Workbench SimulationANSYS Workbench SimulationANSYS Workbench ANSYS Workbench ANSYS Workbench ANSYS Workbench ANSYS Workbench ANSYS Workbench Simulation Simulation SimulationSimulationSimulationSimulation 培训手朋 疲劳模块疲劳模块 恒定振幅载荷恒定振幅载荷 在前面曾提到在前面曾提到, 疲劳是由于重复加载 引起 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当最大和最小的应力水
7、平恒定时, 称 为恒定振幅载荷 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 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 否则,则称为变化振幅或非恒定振幅 载荷 (本章之后将给予讨论本章之后将给予讨论). w w w . b z f x w . c o m February 20, 2004 Inventory #002018 14-5 ANSYS Workbench SimulationANSYS Workbench SimulationANSYS Workbench ANSYS Workbench ANSYS Workbench
8、 ANSYS Workbench ANSYS Workbench ANSYS Workbench Simulation Simulation SimulationSimulationSimulationSimulation 培训手朋 疲劳模块疲劳模块 成比例载荷成比例载荷 载荷可以是比例载荷载荷可以是比例载荷, 也可以非比例载荷也可以非比例载荷: 比例载荷比例载荷, 是指主应力的比例是恒定的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 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 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
9、易 得到计算. 相反相反, 非比例载荷没有隐含各应力之间 相互的关系 非比例载荷没有隐含各应力之间 相互的关系,典型情况包括典型情况包括: 在两个不同载荷工况间的交替变化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交变载荷叠加在静载荷上 非线性边界条件非线性边界条件 constant 1 2 = w w w . b z f x w . c o m February 20, 2004 Inventory #002018 14-6 ANSYS Workbench SimulationANSYS Workbench SimulationANSYS Workbench ANSYS Workb
10、ench ANSYS Workbench ANSYS Workbench ANSYS Workbench ANSYS Workbench Simulation Simulation SimulationSimulationSimulationSimulation 培训手朋 疲劳模块疲劳模块 应力定义应力定义 考虑在最大最小应力值考虑在最大最小应力值min和 和 max作用下的比例载荷、恒定振幅 的情况 作用下的比例载荷、恒定振幅 的情况: 应力范围应力范围定义为定义为 ( max- min) 平均应力平均应力 m定义为定义为 ( max+ min)/2 应力幅或交变应力应力幅或交变应力 a是是
11、/2 应力比应力比 R 是 是 min/ max 当施加的是大小相等且方向相反的载荷时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发生的是对称循环载荷. 这就是这就是 m= 0 ,R = -1的情况的情况. 当施加载荷后又撤除该载荷当施加载荷后又撤除该载荷,将发生脉动循环载荷将发生脉动循环载荷. 这就是这就是 m= max/2 , R = 0的情况的情况. max min w w w . b z f x w . c o m February 20, 2004 Inventory #002018 14-7 ANSYS Workbench SimulationANSYS Workbe
12、nch SimulationANSYS Workbench ANSYS Workbench ANSYS Workbench ANSYS Workbench ANSYS Workbench ANSYS Workbench Simulation Simulation SimulationSimulationSimulationSimulation 培训手朋 疲劳模块疲劳模块 应力应力-寿命曲线寿命曲线 载荷与疲劳失效的关系,采用的是应力载荷与疲劳失效的关系,采用的是应力-寿命曲线或寿命曲线或S-N曲线来表 示 曲线来表 示: 若某一部件在承受循环载荷若某一部件在承受循环载荷, 经过一定的循环次数后
13、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 该部件裂纹或 破坏将会发展,而且有可能导致失效 如果同个部件作用在更高的载荷下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导致失效的载荷循环次数将减少 应力应力-寿命曲线或寿命曲线或S-N曲线曲线,展示出应力幅与失效循环次数的关系展示出应力幅与失效循环次数的关系 线性显示线性显示对数显示对数显示 上述数据曲线,分别是用线性与对数来表示的上述数据曲线,分别是用线性与对数来表示的. 由于数据的本质原因由于数据的本质原因, 采用对数绘制曲线,往往 能更方便地查看 采用对数绘制曲线,往往 能更方便地查看S-N曲线的情
14、况曲线的情况. w w w . b z f x w . c o m February 20, 2004 Inventory #002018 14-8 ANSYS Workbench SimulationANSYS Workbench SimulationANSYS Workbench ANSYS Workbench ANSYS Workbench ANSYS Workbench ANSYS Workbench ANSYS Workbench Simulation Simulation SimulationSimulationSimulationSimulation 培训手朋 疲劳模块疲劳模块
15、应力应力-寿命曲线寿命曲线 S-N曲线是通过对试件做疲劳测试得到的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弯曲或轴向测试反映的是单轴的应力状态 影响影响S-N 曲线的因素很多曲线的因素很多, 其中的一些需要的注意,如下其中的一些需要的注意,如下: 材料的延展性材料的延展性, 材料的加工工艺材料的加工工艺 几何形状信息几何形状信息,包括表面光滑度、残余应力以及存在的应力集中包括表面光滑度、残余应力以及存在的应力集中 载荷环境载荷环境, 包括平均应力、温度和化学环境包括平均应力、温度和化学环境 例如例如,压缩平均应力比零平均应力的疲劳寿命长压缩平均应力比零平均应力的疲
16、劳寿命长,相反相反,拉伸平均应力 比零平均应力的疲劳寿命短 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对压缩和拉伸平均应力,平均应力将分别提高和降低平均应力将分别提高和降低S-N曲线曲线. w w w . b z f x w . c o m February 20, 2004 Inventory #002018 14-9 ANSYS Workbench SimulationANSYS Workbench SimulationANSYS Workbench ANSYS Workbench ANSYS Workbench ANSYS Workbench ANSYS Workbe
17、nch ANSYS Workbench Simulation Simulation SimulationSimulationSimulationSimulation 培训手朋 疲劳模块疲劳模块 应力应力-寿命曲线寿命曲线 因此因此,记住以下几点记住以下几点: 一个部件通常经受多轴应力状态一个部件通常经受多轴应力状态.如果疲劳数据如果疲劳数据(S-N 曲线曲线)是从反映 单轴应力状态的测试中得到的 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那么在计算寿命时就要注意 设计仿真为用户提供了如何把结果和设计仿真为用户提供了如何把结果和S-N 曲线相关联的选择曲线相关联的选择,包括多
18、轴应 力的选择 包括多轴应 力的选择 双轴应力结果有助于计算在给定位置的情况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平均应力影响疲劳寿命,并且变换在并且变换在S-N曲线的上方位置与下方位置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反映出在给定应力幅下的寿命长短) 对于不同的平均应力或应力比值对于不同的平均应力或应力比值,设计仿真允许输入多重设计仿真允许输入多重S-N曲线曲线(实验数 据 实验数 据) 如果没有太多的多重如果没有太多的多重S-N曲线曲线(实验数据实验数据),那么设计仿真也允许采用多种不 同的平均应力修正理论 那么设计仿真也允许采用多种不 同的
19、平均应力修正理论 早先曾提到影响疲劳寿命的其他因素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 也可以在设计仿真中可以用一 个修正因子来解释 w w w . b z f x w . c o m February 20, 2004 Inventory #002018 14-10 ANSYS Workbench SimulationANSYS Workbench SimulationANSYS Workbench ANSYS Workbench ANSYS Workbench ANSYS Workbench ANSYS Workbench ANSYS Workbe
20、nch Simulation Simulation SimulationSimulationSimulationSimulation 培训手朋 疲劳模块疲劳模块 总结总结 疲劳模块允许用户采用基于应力理论的处理方法,来解决高周疲 劳问题 疲劳模块允许用户采用基于应力理论的处理方法,来解决高周疲 劳问题. 以下情况可以用疲劳模块来处理以下情况可以用疲劳模块来处理: 恒定振幅恒定振幅,比例载荷比例载荷(参考参考 B节节) 变化振幅变化振幅,比例载荷比例载荷(参考参考 C节节) 恒定振幅恒定振幅,非比例载荷非比例载荷(参考参考 D节节) 需要输入的数据是材料的需要输入的数据是材料的S-N曲线曲线:
21、S-N曲线是疲劳实验中获得曲线是疲劳实验中获得,而且可能本质上是单轴的而且可能本质上是单轴的,但在实际的分 析中,部件可能处于多轴应力状态 但在实际的分 析中,部件可能处于多轴应力状态 S-N曲线的绘制取决于许多因素曲线的绘制取决于许多因素, 包括平均应力包括平均应力. 在不同平均应力值 作用下的 在不同平均应力值 作用下的S-N曲线的应力值可以直接输入曲线的应力值可以直接输入, 或可以执行通过平均应力 修正理论实现 或可以执行通过平均应力 修正理论实现. w w w . b z f x w . c o m February 20, 2004 Inventory #002018 14-11 A
22、NSYS Workbench SimulationANSYS Workbench SimulationANSYS Workbench ANSYS Workbench ANSYS Workbench ANSYS Workbench ANSYS Workbench ANSYS Workbench Simulation Simulation SimulationSimulationSimulationSimulation 培训手朋 疲劳模块疲劳模块 B. 疲劳程序疲劳程序(基本情况基本情况) 进行疲劳分析是基于线性静力分析进行疲劳分析是基于线性静力分析, 所以不必对所有的步骤进行 详尽的阐述 所以不
23、必对所有的步骤进行 详尽的阐述. 疲劳分析是在线性静力分析之后,通过设计仿真自动执行的疲劳分析是在线性静力分析之后,通过设计仿真自动执行的. 对疲劳工具的添加,无论在求解之前还是之后,都没有关系对疲劳工具的添加,无论在求解之前还是之后,都没有关系, 因为疲劳计 算不并依赖应力分析计算 因为疲劳计 算不并依赖应力分析计算. 尽管疲劳与循环或重复载荷有关尽管疲劳与循环或重复载荷有关, 但使用的结果却基于线性静力分析但使用的结果却基于线性静力分析,而 不是谐分析 而 不是谐分析. 尽管在模型中也可能存在非线性尽管在模型中也可能存在非线性,处理时就要谨慎了处理时就要谨慎了,因为疲 劳分析是假设线性行为
24、的 因为疲 劳分析是假设线性行为的. 在本节中在本节中,将涵盖关于恒定振幅、比例载荷的情况将涵盖关于恒定振幅、比例载荷的情况. 而变化振幅、比 例载荷的情况和恒定振幅、非比例载荷的情况,将分别在以后的 而变化振幅、比 例载荷的情况和恒定振幅、非比例载荷的情况,将分别在以后的C 和和 D节中逐一讨论节中逐一讨论. ANSYS LicenseAvailability Fatigue Modulex DesignSpace Entrax DesignSpacex Professionalx Structuralx Mechanical/Multiphysicsx w w w . b z f x w
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