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疲劳分析

概述

1、学科概述

疲劳就是材料在循环应力和应变作用下“在一处或几处产生永久性累积损伤”经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。

疲劳寿命的定义为发生疲劳破坏时的载荷循环次数,或从开始受载到发生断裂所经过的时间。即材料或构件疲劳失效时所经受的规定应力或应变的循环次数,是设计人员和工程技术人员十分关注的课题,也是与广大用户切身相关的问题。

2、发展现状与前景

1847年,德国人A•沃勒用旋转疲劳试验机首先对疲劳现象进行了系统的研究,提出S-N疲劳寿命曲线及疲劳极限的概念,奠定了疲劳破坏的经典强度理论基础。常规的经典疲劳强度理论——名义应力法及局部应力应变分析法,仍然是目前工程应用最广泛的一种抗疲劳设计方法。19世纪末到20世纪初,人们利用金相显微镜观察金属微观结构,发现了破坏的过程可分为3个阶段:(1)疲劳裂纹的形成;(2)疲劳裂纹的扩展;(3)瞬时断裂。因此,疲劳寿命主要由疲劳裂纹形成寿命和疲劳裂纹扩展寿命组成。1920年英国人A.A.Griffith提出了裂纹扩展的能量理论,到20世纪50年代,诞生了建立在裂纹尖端应力场强度理论基础上的断裂力学。1963年P.C.Paris用断裂力学的方法给出了表达裂纹扩展规律的著名关系式——Paris公式,为疲劳寿命的研究提供了估算裂纹扩展寿命的新方法,发展了“损伤容限设计”,并成为20世纪疲劳强度设计的发展方向。1963年Rabothnov提出损伤因子的概念,1977年Janson等人提出损伤力学。损伤力学主要研究宏观可见缺陷或裂纹出现之前的力学过程,即裂纹萌生过程,通过定义损伤变量研究损伤演化规律来预测疲劳寿命。

在几十年时间里,从连续损伤力学到微观损伤力学以及基于微观的唯象损伤理论(宏微观结合理论),损伤力学获得了重要发展,作为断裂疲劳破坏的补充和拓展,损伤力学有望成为工程结构疲劳破坏与寿命预测研究的重要的力学分析手段,并与断裂力学结合在一起构成破坏力学或疲劳破坏理论的主要内容。

3、疲劳分析的优势和问题

构件的疲劳是个复杂的过程"受多种因素的影响,要精确地预估构件的疲劳寿命,需要选择合适的模型,这就需要宏观力学方面的研究,包括疲劳裂纹发生、发展直至破坏的机理,还需要微观力学方面的研究包括位错理论等。此外,还涉及到金属材料科学、材料力学、振动力学、疲劳理论、断裂力学和计算方法等多门学科。只有更深刻地认识了疲劳破坏的机理,将宏观和微观研究结合起来,才能更精确地预测寿命。

归纳疲劳寿命预测的各种理论与方法,可看出疲劳分析具有以下优势和问题:

(1) 预测疲劳裂纹形成寿命的方法很多,但是仍有很多问题需要不断深入探讨,例如裂纹形成寿命的定义、更能反映实际损伤历程的疲劳损伤累积理论、循环应力应变曲线的描述等,更为重要的是需要深入了解疲劳裂纹形成阶段的损伤机理。目前在疲劳裂纹形成寿命预测方法中,局部应力应变法最有效,使用也最为广泛;场强法发展迅速,具有发展潜力,但是其分析计算方法较为复杂。

(2) 由于很多工程构件都含有尖锐缺口或裂纹,疲劳寿命往往主要消耗于裂纹的扩展阶段,因此根据断裂力学的相关理论所建立的疲劳裂纹扩展寿命的相关预测方法在寿命预测中具有越来越重要的地位。断裂力学在近20年来已经较为深刻地揭示了疲劳裂纹扩展的机理,因而利用其相关知识建立一个描述裂纹扩展过程的真实模型非常必要,这也是目前疲劳裂纹扩展寿命预测研究的重点之一。

(3) 将疲劳破坏过程分为形成与扩展两个阶段进行处理,分别估算出两部分的疲劳寿命,从而能够更为准确地预测整个疲劳寿命。

4、基于Abaqus的低周疲劳

(1)Abaqus低周疲劳分析介绍和特点

1)Abaqus低周疲劳分析通过发生的非线性变形的足够高的应力状态表征;

2)基于接近临界循环载荷的结构的准静态分析;

3)可以将机械载荷连同传热一起考虑;

4)使用直接循环方法获得稳态的直接结构循环响应;

5)模拟基于连续损伤方法的累积损伤和延性材料的失效,在这种情况下,由每一个稳态循环累积的非线性滞后应变能表征损伤的初始和演化;

6)模拟层合复合材料中界面处的累积分层增长,在这种情况下界面处疲劳分层的启示与增长有相对断裂能释放率表征;

7)使用损伤外推技术加速低周疲劳分析;

8)假定几何线性和每一个载荷循环中固定的接触条件。

(2)Abaqus低周疲劳的解决方案

Abaqus首先通过Direct cyclic analysis实现直接计算结构稳态的循环响应。联合傅里叶技术和非线性材料行为的时间几份获得稳定的循环求解。在每一个循环的载荷的过程中,一个直接的循环分析被用于直接的结构响应循环分析。该方法的基础是构造一个位移函数u(t)描述结构在整个循环载荷T的周期内所有时间点t的结构响应。

然后,采用Low cycle fatigue的Abaqus/Standard求解器实现直接循环分析提 供了一个有效计算模拟技术以获得遭受周期载荷的结构的稳态响应,完美的使用与执行大结构的低周疲劳分析。该性能使用傅里叶级数连同非线性材料的时间积分获得稳态的直接结构响应。

5、专业的疲劳分析工具——Fe-Safe

Fe-Safe采用世界上最先进的疲劳分析技术,是一个功能强大、全面,使用方便的耐久性疲劳分析软件。客户的反馈表明,Fe-Safe可给出准确的疲劳点和疲劳寿命预测。因此,Fe-Safe是改变了设计工程师传统的疲劳分析方法的软件工具。

引入Fe-Safe作为您设计流程的一部分,可以优化设计和测试方案,缩短测试时间,减少回收和维修费用,所有这些才可保证您的设计是第一时间的正确的设计。

Fe-Safe已经被广泛应用在众多领域内,包括从空间站、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。目前世界上有超过1000家公司把Fe-safe作为标准的耐久性分析工具,其中包括Caterpillar Inc, Cummins Inc, International Truck & Engine Company, Dana Corp, SKF和Rolls Royce等公司。

Fe-Safe是世界上最先进的疲劳分析软件,由英国Safe Technology公司开发和维护。Safe Technology 是设计和开发耐久性分析软件的技术领导者,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和实际结构件的试验验证。

在疲劳分析产品和服务中,Fe-Safe是旗舰性的产品。新版本中,引入了超过100个功能的改进,保持了最高级耐久性分析软件的领军地位:在分析速度有了显著的提高,并且添加了很多新特征和一些独特的功能,使功能更强大;用户界面的改进,使得Fe-Safe更容易使用。 F

e-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。Fe-Safe读取有限元分析计算出的单位载荷下弹性应力,然后根据实际载荷工况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。

Fe-Safe具有专业的疲劳分析能力:

Fe-Safe可定义载荷时间历程,用于一组有限元分析应力结果。

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,从而在模型每个位置上都产生一个应力张量的时间历程。

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。

可对复杂的块数据载荷进行分析,对于每个载荷条件,生成一个载荷的有限元结果数据集的循环块。

还可对载荷历程和序列载荷进行组合使用。

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和序列载荷数据的组合。而序列载荷数据是随时间变化载荷引起的应力数据的变化。

可利用应力-寿命曲线、应变-寿命曲线、局部应力-应变分析进行单轴和多轴疲劳分析,有多种平均应力修正,也可采用用户定义的平均应力修正。

定义载荷时间历程时,加载文件中的载荷条件可存储为以下格式的文件,以方便地与其它各种软件进行数据交换。准备单通道和多通道载荷历程,对载荷进行比例缩放,考虑峰/谷而忽略循环。Fe-Safe可处理多达4096个通道的载荷。

Fe-Safe中疲劳分析载荷信号处理,可采用雨流计数法。

Fe-Safe中疲劳测试信号可进行幅值分析和频率分析处理。过滤掉小的载荷循环。

可根据功率谱密度数据进行振动疲劳分析,不同频率和幅值的信号可进行叠加。

可考虑残余应力的影响,能利用BS7608标准的应力-寿命数据进行焊接结构分析。

由于铸铁中石墨的影响,材料拉-压应力应变相应呈非对称性,Fe-Safe提供专门手段对铸铁(包括灰口铁)进行疲劳分析。

可计算微振磨损疲劳寿命。

可以快速研究高温疲劳。

可考虑蠕变对疲劳的影响(应力应变相应与应变率和瞬时温度相关)。

可以考虑机加工及装配应力对结构寿命的影响。

可以针对整个模型,也可以针对一组单元进行疲劳分析。可方便地对整个模型或者选择的区域进行再设计和假设分析,从而观察从非关键区域去掉金属材料的效果,以及增加“热点”位置的疲劳寿命。

可考虑表面光洁度影响、几何变化与缺口敏感性影响以及材料特性变化效应和不同载荷组合历史的影响。不同的材料数据和应力集中系数可以用于每一个单元组(允许在同一个部件上有机加工面和锻造面)。

Fe-Safe还能进行疲劳失效率的统计分析。

可根据指定的设计寿命,计算出各个节点将达到设计寿命的安全系数。

支持批处理和命令行功能。

提供了方便的工具绘制材料数据和载荷历程。

可计算出在指定寿命下,模型上各部分不会破坏的可能性。

可从模型上一系列的载荷中找出对疲劳寿命影响最大的载荷。

根据载荷情况和材料数据自动选择最合适的疲劳分析方法。


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