ANSYSWORKBENCH疲勞分析指南

1、ANSYSWORKBENCH疲勞分析指南第一章 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。

2、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： 1/2=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

3、在最大最小應(yīng)力值和作用下的比例載荷、恒定振幅的情況： 應(yīng)力范圍定義為(-)平均應(yīng)力定義為(+)/2應(yīng)力幅或交變應(yīng)力a是/2應(yīng)力比R是/當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m=0，R=-1的情況。當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=/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

4、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

5、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

6、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)。第二章 疲勞程序2.1 基本情況進行疲勞分析是基于線性靜力分析，所以不必對所有的步驟進行詳盡的闡述。疲勞分析是在線性靜力分析之后，通過設(shè)計仿真自動執(zhí)行的。對疲勞工具的添加，無論在求解之前還是之后，都沒有關(guān)系，因為疲勞計算不并依賴應(yīng)力分析計算。盡管疲勞與循環(huán)或重復(fù)載荷有

7、關(guān)，但使用的結(jié)果卻基于線性靜力分析，而不是諧分析。盡管在模型中也可能存在非線性,處理時就要謹慎了，因為疲勞分析是假設(shè)線性行為的。在本章中，將涵蓋關(guān)于恒定振幅、比例載荷的情況。而變化振幅、比例載荷的情況和恒定振幅、非比例載荷的情況，將分別在以后的第三和四章中逐一討論。2.1.1 疲勞程序下面是疲勞分析的步驟，用斜體字體所描述的步驟，對于包含疲勞工具的應(yīng)力分析是很特殊的：模型指定材料特性，包括S-N曲線；定義接觸區(qū)域(若采用的話)；定義網(wǎng)格控制(可選的)；包括載荷和支撐；(設(shè)定)需要的結(jié)果，包括Fatigue tool；求解模型；查看結(jié)果。在幾何方面，疲勞計算只支持體和面，線模型目前還不能輸出應(yīng)力

8、結(jié)果，所以疲勞計算對于線是忽略的，線仍然可以包括在模型中以給結(jié)構(gòu)提供剛性，但在疲勞分析并不計算線模型。2.1.2 材料特性由于有線性靜力分析,所以需要用到楊氏模量和泊松比：如果有慣性載荷,則需要輸入質(zhì)量密度；如果有熱載荷,則需要輸入熱膨脹系數(shù)和熱傳導(dǎo)率；如果使用應(yīng)力工具結(jié)果(Stress Tool result),那么就需要輸入應(yīng)力極限數(shù)據(jù),而且這個數(shù)據(jù)也是用于平均應(yīng)力修正理論疲勞分析。疲勞模塊也需要使用到在工程數(shù)據(jù)分支下的材料特性當中S-N曲線數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)類型在“疲勞特性”(“Fatigue Properties”)下會說明；S-N曲線數(shù)據(jù)是在材料特性分支條下的“交變應(yīng)力與循環(huán)”(“Alter

9、nating Stress vs. Cycles”)選項中輸入的。如果S-N曲線材料數(shù)據(jù)可用于不同的平均應(yīng)力或應(yīng)力比下的情況, 那么多重S-N曲線也可以輸入到程序中。2.1.3 疲勞材料特性添加和修改疲勞材料特性在材料特性的工作列表中,可以定義下列類型和輸入的S-N曲線，插入的圖表可以是線性的（“Linear”）、半對數(shù)的（“Semi-Log”即linear for stress, log for cycles）或雙對數(shù)曲線（“Log-Log”）。記得曾提到的，S-N曲線取決于平均應(yīng)力。如果S-N曲線在不同的平均應(yīng)力下都可適用的，那么也可以輸入多重S-N曲線，每個S-N曲線可以在不同平均應(yīng)力下

10、直接輸入，每個S-N曲線也可以在不同應(yīng)力比下輸入。可以通過在“Mean Value”上點擊鼠標右鍵添加新的平均值來輸入多條SN曲線。2.1.4 疲勞特征曲線材料特性信息可以保存XML文件或從XML文件提取，保存材料數(shù)據(jù)文件，在material條上按右鍵，然后用“Export ”保存成XML外部文件，疲勞材料特性將自動寫到XML文件中，就像其他材料數(shù)據(jù)一樣。一些例舉的材料特性在如下安裝路徑下可以找到：C:ProgramFilesAnsysIncv80AISOLCommonFilesLanguageen-usEngineeringDataMaterials，“Aluminum”和“Structur

11、al Steel”的XML文件，包含有范例疲勞數(shù)據(jù)可以作為參考，疲勞數(shù)據(jù)隨著材料和測試方法的不同而有所變化，所以很重要一點就是，用戶要選用能代表自己部件疲勞性能的數(shù)據(jù)2.1.5 接觸區(qū)域接觸區(qū)域可以包括在疲勞分析中，注意，對于在恒定振幅、成比例載荷情況下處理疲勞時，只能包含綁定（Bonded）和不分離（No-Separation）的線性接觸，盡管無摩擦、有摩擦和粗糙的非線性接觸也能夠包括在內(nèi)，但可能不再滿足成比例載荷的要求。例如，改變載荷的方向或大小，如果發(fā)生分離，則可能導(dǎo)致主應(yīng)力軸向發(fā)生改變；如果有非線性接觸發(fā)生，那么用戶必須小心使用，并且仔細判斷；對于非線性接觸，若是在恒定振幅的情況下，則

12、可以采用非比例載荷的方法代替計算疲勞壽命。2.1.6 載荷與支撐能產(chǎn)生成比例載荷的任何載荷和支撐都可能使用，但有些類型的載荷和支撐不造成比例載荷：螺栓載荷對壓縮圓柱表面?zhèn)仁┘泳剂?，相反，圓柱的相反一側(cè)的載荷將改變；預(yù)緊螺栓載荷首先施加預(yù)緊載荷，然后是外載荷，所以這種載荷是分為兩個載荷步作用的過程；壓縮支撐（Compression Only Support）僅阻止壓縮法線正方向的移動，但也不會限制反方向的移動，像這些類型的載荷最好不要用于恒定振幅和比例載荷的疲勞計算。2.1.7 (設(shè)定)需要的結(jié)果對于應(yīng)力分析的任何類型結(jié)果，都可能需要用到：應(yīng)力、應(yīng)變和變形接觸結(jié)果(如果版本支持)；應(yīng)力工具（S

13、tress Tool）。另外，進行疲勞計算時，需要插入疲勞工具條（Fatigue Tool）：在Solution子菜單下，從相關(guān)的工具條上添加“Tools > Fatigue Tool”，F(xiàn)atigue Tool的明細窗中將控制疲勞計算的求解選項；疲勞工具條（Fatigue Tool）將出現(xiàn)在相應(yīng)的位置中，并且也可添加相應(yīng)的疲勞云圖或結(jié)果曲線，這些是在分析中會被用到的疲勞結(jié)果，如壽命和破壞。2.1.8 需要的結(jié)果在疲勞計算被詳細地定義以后，疲勞結(jié)果可下在Fatigue Tool下指定；等值線結(jié)果（Contour）包括Lifes(壽命)，Damage(損傷)，Safety Factor（安

14、全系數(shù)），BiaxialityIndication（雙軸指示），以及Equivalent Alternating Stress（等效交變應(yīng)力）；曲線圖結(jié)果(graph results)）僅包含對于恒定振幅分析的疲勞敏感性(fatigue sensitivity)；這些結(jié)果的詳細分析將只做簡短討論。2.2 Fatigue Tool2.2.1 載荷類型當Fatigue Tool在求解子菜單下插入以后，就可以在細節(jié)欄中輸入疲勞說明：載荷類型可以在“Zero-Based”、“Fully Reversed”和給定的“Ratio”之間定義；也可以輸入一個比例因子，來按比例縮放所有的應(yīng)力結(jié)果。2.2.2 平

15、均應(yīng)力影響在前面曾提及，平均應(yīng)力會影響S-N曲線的結(jié)果. 而“Analysis Type”說明了程序?qū)ζ骄鶓?yīng)力的處理方法：“SN-None”：忽略平均應(yīng)力的影響“SN-Mean Stress Curves”：使用多重S-N曲線（如果定義的話）“SN-Goodman,”“SN-Soderberg,”和“SN-Gerber”：可以使用平均應(yīng)力修正理論。如果有可用的試驗數(shù)據(jù)，那么建議使用多重S-N曲線(SN-Mean Stress Curves)；但是，如果多重S-N曲線是不可用的，那么可以從三個平均應(yīng)力修正理論中選擇，這里的方法在于將定義的單S-N曲線“轉(zhuǎn)化”到考慮平均應(yīng)力的影響：1.對于給定的疲

16、勞循環(huán)次數(shù)，隨著平均應(yīng)力的增加，應(yīng)力幅將有所降低；2.隨著應(yīng)力幅趨近零，平均應(yīng)力將趨近于極限（屈服）強度；3.盡管平均壓縮應(yīng)力通常能夠提供很多的好處，但保守地講，也存在著許多不利的因素(scaling=1=constant)。Goodman理論適用于低韌性材料，對壓縮平均應(yīng)力沒能做修正，Soderberg理論比Goodman理論更保守，并且在有些情況下可用于脆性材料，Gerber理論能夠?qū)g性材料的拉伸平均應(yīng)力提供很好的擬合，但它不能正確地預(yù)測出壓縮平均應(yīng)力的有害影響，如下圖所示。缺省的平均應(yīng)力修正理論可以從“Tools > Control Panel：Fatigue>Analys

17、is Type”中進行設(shè)置如果存在多重S-N曲線，但用戶想要使用平均應(yīng)力修正理論，那么將會用到在m=0或R=-1的S-N曲線。盡管如此，這種做法并不推薦。2.2.3 強度因子除了平均應(yīng)力的影響外，還有其它一些影響S-N曲線的因素，這些其它影響因素可以集中體現(xiàn)在疲勞強度(降低)因子Kf中，其值可以在Fatigue Tool的細節(jié)欄中輸入，這個值應(yīng)小于1，以便說明實際部件和試件的差異，所計算的交變應(yīng)力將被這個修正因子Kf分開,而平均應(yīng)力卻保持不變。2.2.4 應(yīng)力分析在第一章中，注意到疲勞試驗通常測定的是單軸應(yīng)力狀態(tài)，必須把單軸應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換到一個標量值，以決定某一應(yīng)力幅下(S-N曲線)的疲勞循環(huán)次

18、數(shù)。Fatigue Tool細節(jié)欄中的應(yīng)力分量(“Stress Component”)允許用戶定義應(yīng)力結(jié)果如何與疲勞曲線S-N進行比較。6個應(yīng)力分量的任何一個或最大剪切應(yīng)力、最大主應(yīng)力、或等效應(yīng)力也都可能被使用到。所定義的等效應(yīng)力標示的是最大絕對主應(yīng)力，以便說明壓縮平均應(yīng)力。2.3 求解疲勞分析疲勞計算將在應(yīng)力分析實施完以后自動地進行，與應(yīng)力分析計算相比，恒定振幅情況的疲勞計算通常會快得多。如果一個應(yīng)力分析已經(jīng)完成，那么僅選擇Solution或Fatigue Tool 分支并點擊Solve，便可開始疲勞計算。在求解菜單中（solution branch）的工作表將沒有輸出顯示，疲勞計算在Wor

19、kbench中進行，ANSYS的求解器不會執(zhí)行分析中的疲勞部分，疲勞模塊沒有使用ANSYS /POST1的疲勞命令(FSxxxx, FTxxxx)。2.4 查看疲勞結(jié)果對于恒定振幅和比例載荷情況，有幾種類型的疲勞結(jié)果供選擇：Life（壽命）：等值線顯示由于疲勞作用直到失效的循環(huán)次數(shù)，如果交變應(yīng)力比S-N曲線中定義的最低交變應(yīng)力低，則使用該壽命（循環(huán)次數(shù)）(在本例中，S-N曲線失效的最大循環(huán)次數(shù)是1e6，于是那就是最大壽命。Damage（損傷）：設(shè)計壽命與可用壽命的比值，設(shè)計壽命在細節(jié)欄（Details view）中定義，設(shè)計壽命的缺省值可通過下面進行定義“Tools > Control

20、Panel:Fatigue > Design Life。Safety Factor（安全系數(shù)）：安全系數(shù)等值線是關(guān)于一個在給定設(shè)計壽命下的失效，設(shè)計壽命值在細節(jié)欄（Details view）輸入，給定最大安全系數(shù)SF值是15。BiaxialityIndication：應(yīng)力雙軸等值線有助于確定局部的應(yīng)力狀態(tài)，雙軸指示（Biaxialityindication）是較小與較大主應(yīng)力的比值(對于主應(yīng)力接近0的被忽略)。因此，單軸應(yīng)力局部區(qū)域為B值為0，純剪切的為-1，雙軸的為1。等效交變應(yīng)力(Equivalent Alternating Stress）：等值線在模型上繪出了部件的等效交變應(yīng)力，它

21、是基于所選擇應(yīng)力類型，在考慮了載荷類型和平均應(yīng)力影響后，用于詢問（query）S-N曲線的應(yīng)力。疲勞敏感性( Fatigue Sensitivity )：一個疲勞敏感曲線圖顯示出部件的壽命、損傷或安全系數(shù)在臨界區(qū)域隨載荷的變化而變化，能夠輸入載荷變化的極限(包括負比率)，曲線圖的缺省選項，“Tools menu > OptionsSimulation：Fatigue>Sensitivity”。任何疲勞選項的范圍可以是選定的部件（parts）和/或部件的表面，收斂性可用于等值線結(jié)果。收斂和警告對疲勞敏感性圖是無效的，因為這些圖提供關(guān)于載荷的敏感性(例如，沒有為了收斂目的而指定的標量選

22、項)。疲勞工具也可以與求解組合一起使用，在求解組合中，多重環(huán)境可能被組合。疲勞計算將基于不同環(huán)境的線性組合的結(jié)果。2.5 總結(jié)a 建立一個應(yīng)力分析(線性,比例載荷) b 定義疲勞材料特性,包括S-N曲線c 定義載荷類型和平均應(yīng)力影響的處理 d 求解和后處理疲勞結(jié)果Solveand postprocessfatigue results第三章 不穩(wěn)定振幅的疲勞在前面一章中,考察了恒定振幅和比例載荷的情況,并涉及到最大和最小振幅在保持恒定的情況下的循環(huán)或重復(fù)載荷。在本章將針對不定振幅、比例載荷情況,盡管載荷仍是成比例的,但應(yīng)力幅和平均應(yīng)力卻是隨時間變化的。3.1 不規(guī)律載荷的歷程和循環(huán)(Histor

23、y and Cycles)對于不規(guī)律載荷歷程,需要進行特殊處理：計算不規(guī)律載荷歷程的循環(huán)所使用的是“雨流”rainflow循環(huán)計算，“雨流”循環(huán)計算(Rainflowcycle counting)是用于把不規(guī)律應(yīng)力歷程轉(zhuǎn)化為用于疲勞計算的循環(huán)的一種技術(shù)(如右面例子)，先計算不同的“平均”應(yīng)力和應(yīng)力幅(“range”)的循環(huán)，然后使用這組“雨流”循環(huán)完成疲勞計算。損傷累加是通過Palmgren-Miner 法則完成的，Palmgren-Miner法則的基本思想是：在一個給定的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅下，每次循環(huán)用到有效壽命占總和的百分之幾。對于在一個給定應(yīng)力幅下的循環(huán)次數(shù)Ni，隨著循環(huán)次數(shù)達到失效次數(shù)N

24、fi時，壽命用盡，達到失效?！坝炅鳌毖h(huán)計算和Palmgren-Miner損傷累加都用于不定振幅情況。因此，任何任意載荷歷程都可以切分成一個不同的平均值和范圍值的循環(huán)陣列(“多個豎條”)，右圖是“雨流”陣列，指出了在每個平均值和范圍值下所計算的循環(huán)次數(shù)，較高值表示這些循環(huán)的將出現(xiàn)在載荷歷程中。在一個疲勞分析完成以后，每個“豎條”(即“循環(huán)”)造成的損傷量將被繪出，對于“雨流”陣列中的每個“豎條”(bin)，顯示的是對應(yīng)的所用掉的壽命量的百分比。在這個例子中，即使大多數(shù)循環(huán)發(fā)生在低范圍/平均值，但高范圍(range)循環(huán)仍會造成主要的損傷。依據(jù)Per Miner法則，如果損傷累加到1(100%)

25、，那么將發(fā)生失效。3.2 不定振幅程序a 建立引領(lǐng)分析(線性,比載荷) b 定義疲勞材料特性(包括S-N曲線)a 定義載荷歷程數(shù)據(jù),并以及平均應(yīng)力的影響的處理 b 為“雨流”循環(huán)次數(shù)的計算定義bins的數(shù)量e 求解并查看疲勞結(jié)果(例如，損傷matrix，損傷等值線圖，壽命等值線等)對于建立基于不定振幅、比例載荷情況下疲勞分析的過程，與前面講過的第二章中介紹非常相似，但有兩個例外：載荷類型的定義不同，查看的疲勞結(jié)果中包括變化的“雨流”和損傷陣列。3.3.定義3.3.1 定義載荷類型在Fatigue Tool的Details 欄中, 載荷類型“Type”指的是歷程數(shù)據(jù)“History Data”，

26、既而，在“History Data Location”下定義一個外部文件. 這個文本文件將會包含一組循環(huán)(或周期)的載荷歷程點，由于歷程數(shù)據(jù)文本文件的數(shù)值表示的是載荷的倍數(shù),所以比例因子“Scale Factor”也能夠用于放大載荷。3.3.2 定義無限壽命恒定振幅載荷中,如果應(yīng)力低于S-N曲線中最低限,曾提過的最后定義的循環(huán)次數(shù)將被使用。但在不定振幅載荷下,載荷歷程將被劃分成各種平均應(yīng)力和應(yīng)力幅的“豎條”(“bins”)。由于損傷是累積起來的，這些小應(yīng)力可能造成相當大的影響，即當循環(huán)次數(shù)很高時。因此，如果應(yīng)力幅比S-N曲線的最低點低，“無限壽命”值可以在Fatigue Tool 的Detai

27、ls欄中輸入，以定義所采用循環(huán)次數(shù)的值。損傷的定義是循環(huán)次數(shù)與失效時次數(shù)的比值，因此對于沒有達到S-N曲線上的失效循次數(shù)的小應(yīng)力，“無限壽命”就提供這個值。通過對“無限壽命”設(shè)置較大值，小應(yīng)力幅循環(huán)(“Range”)的影響造成的損傷將很小，因為損傷比率較小(damage ratio)。3.3.3 定義bin size“豎條尺寸”(“Bin Size”)也可以在Fatigue Tool 的Details欄中定義，rainflow陣列尺寸是bin_size x bin_size。Binsize越大，排列的陣列就越大，于是平均(mean)和范圍(range)可以考慮的更精確，否則將把更多的循環(huán)次數(shù)放

28、在在給定的豎條中(看下圖)，但是對于疲勞分析，豎條的尺寸越大,所需要的內(nèi)存和CPU成本會越高。3.3.4 定義豎條尺寸另一方面請注意,我們可以看到單根鋸齒或正弦曲線的載荷歷程數(shù)據(jù)將產(chǎn)生與第二章中所講的恒定振幅相似的結(jié)果。注意，這樣的一個載荷歷程將產(chǎn)生一個與恒定振幅情況下同樣的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅的計算。這個結(jié)果可能與恒定振幅情況有輕微差異取決于豎條的尺寸，因為range的均分方式可能與確切值不一致，所以，如果應(yīng)用的話，推薦使用恒定振幅法。前面的討論非常清楚地指出“bins”的數(shù)目影響求解精度。這是因為交互和平均應(yīng)力在計算部分損傷前先被輸入到“bins”中。這就是“Quick Counting”技術(shù)

29、。默認方法（因為其效率高）“Quick RainflowCounting”可以在“Details view”中關(guān)閉，在這種情況下，部分損傷發(fā)現(xiàn)前數(shù)據(jù)不會被輸入到“bins”，因此“bins”的數(shù)目不會影響結(jié)果。雖然這種方法很準確，但它會耗費更多的內(nèi)存和計算時間。3.4 查看疲勞結(jié)果定義了需要的結(jié)果以后,不定振幅情況就可以采用恒定振幅情況相似的方式，與應(yīng)力分析一起或在應(yīng)力分析以后進行求解。由于求解的時間取決于載荷歷程和豎條尺寸，所在進行的求解可能要比恒定振幅情況的時間長，但它仍比常規(guī)FEM的求解快。結(jié)果與恒定振幅情況相似：代替疲勞循環(huán)次數(shù),壽命結(jié)果報告了直到失效的載荷塊的數(shù)量。舉個例子，如果載荷

30、歷程數(shù)據(jù)描述了一個給定的時間塊(假設(shè)是一周的時間)，以及指定的最小壽命是50，那么該部件的壽命就是50塊或50周。損傷和安全系數(shù)(Damageand Safety Factor)基于在Details欄中輸入的設(shè)計壽命(Design Life)，但仍然是以塊形式出現(xiàn),而不是循環(huán)。BiaxialityIndication(雙軸指示)與恒定振幅情況一樣，對于不定振幅載荷均可用。對于不定振幅情況，Equivalent Alternating Stress(等效交變應(yīng)力)，不能作為結(jié)果輸出。這是因為單個值不能用于決定失效的循環(huán)次數(shù)，因而采用基于載荷歷程的多個值。Fatigue Sensitivity(疲

31、勞敏感性)對于壽命塊也是可用的。在不定振幅情況中也有一些自身獨特的結(jié)果：Rainflow陣列，雖然不是真實的結(jié)果，對于輸出是有效的，在前面已經(jīng)討論了，它提供了如何把交變和平均應(yīng)力從載荷歷程劃分成豎條的信息。損傷陣列顯示的是指定的實體(scoped entities)的評定位置的損傷。它反映了所生成的每個豎條損傷的大小。注意，結(jié)果是在指定的部件或表面的臨界位置上的結(jié)果。第四章 非比例載荷的疲勞分析在第二章中,討論了恒定振幅和比例載荷情況，本節(jié)將針對恒定振幅非比例載荷情況進行介紹。其基本思想是用兩個加載環(huán)境代替單一加載環(huán)境，進行疲勞計算，不采用應(yīng)力比，而是采用兩個載荷環(huán)境的應(yīng)力值來決定最大最小值。

32、由于同一組應(yīng)力結(jié)果不并不成比例，這就是為什么這種方法稱為非比例(non-proportional)的原因,但是兩組結(jié)果都會使用到，由于需要兩個解，所以可以采用求解組合來實現(xiàn)。對于恒定振幅,非比例情況的處理過程與恒定振幅、比例載荷的求解基本相同,除了下面所提出的以外:1.建立兩個帶不同載荷條件的環(huán)境(two Environment )分支條。2.增加一個求解組合分支條( Solution Combination branch)，并定義兩個環(huán)境。3.為求解組合(solution combination)添加Fatigue Tool (和其他結(jié)果) ,并將載荷類型定義“非比例”（Non-Propor

33、tional）。4.(定義)所需的結(jié)果并求解。4.1 建立兩個載荷環(huán)境( two loading environments:)這兩個載荷環(huán)境可以有兩組不同的載荷以模仿兩載荷的交互形式(支撐也是一樣)，例如，一個是彎曲載荷，另一個是扭轉(zhuǎn)載荷作為兩個環(huán)境(Environments)，這樣的疲勞載荷計算將假定為在這樣的兩個載荷環(huán)境下的交互受載的。一個交互載荷可以疊加到靜載荷上，例如，有一個恒定壓力和一個力矩載荷。對于其中一個環(huán)境(Environment)僅定義恒定壓力，而另一個環(huán)境定義為恒定壓力力矩載荷。這就將模仿成一個恒定壓力和交變力矩。非線性支撐/接觸(supports/contact)或非比例

34、載荷的使用，例如，僅有一個壓縮支撐，只要阻止剛體運動，那么兩個環(huán)境應(yīng)該反映的是某一方向和其相反的方向的載荷。4.2 從模型分支條下增加一個求解組合( Solution Combination )在工作表(Worksheet)中，添加用于計算的兩個環(huán)境(Environments)。注意，系數(shù)可以是一個數(shù)值，只有一種情況除外，即結(jié)果是被縮放的。注意，兩個環(huán)境將會很好地用于非比例載荷。從兩個環(huán)境（Environments）產(chǎn)生的應(yīng)力結(jié)果將決定對于給定位置的應(yīng)力范圍。4.3 求解組合(solution combination)添加Fatigue Tool“Non-Proportional”必須作為“T

35、ype”在Details 欄中定義。任何其他選項將把兩個環(huán)境(two Environments)當作線性組合(見sectionB的結(jié)尾)，比例系數(shù)、疲勞強度系數(shù)(因子)、分析類型以及應(yīng)力組分都可以進行相應(yīng)地設(shè)置。4.4 (定義)所需的其它結(jié)果并求解對于非比例載荷，用戶可能需要獲得與作用在比例載荷情況下同樣的結(jié)果。 唯一的差別在于雙軸指示(BiaxialityIndication)。由于所進行的分析是在作用在非比例載荷條件下，所以對于給定的位置，沒有單個應(yīng) 力雙軸性存在.應(yīng)力雙軸性的平均或標準偏差可以在Details欄中進行設(shè)置。平均應(yīng)力雙軸性是直接用來解釋的.標準偏差顯示的是在給定位置的應(yīng)力狀

36、態(tài)改變量.因此,一個小標準偏差值是指行為接近比例載荷；而大的標準偏差值，則是指在主應(yīng)力方向上的足夠變化。在兩個環(huán)境(two Environments)首先得到求解以后,疲勞求解將自動進行?；赪orkbench的復(fù)雜條件下底部鉆具組合疲勞壽命分析發(fā)表時間：2013-2-25    作者: 閆永麗 楊秀娟 閆相禎  來源: 安世亞太關(guān)鍵字: ANSYS教程 ANSYS資料 疲勞壽命分析 表面裂紋 本論文應(yīng)用有限元法，對鉆柱的下部鉆具組合進行了疲勞壽命分析。利用ANSYS Workbench軟件建立了下部鉆具

37、組合（ Bottom hole assembly ，簡稱BHA）的三維有限元模型，首次采用ANSYS Workbench 軟件對該下部鉆具組合進行了結(jié)構(gòu)疲勞分析。考慮了不同裂紋形狀以及埋深深度對鉆具壽命的影響，文中分別對存在圓形、橢圓形（表層和深埋）裂縫的鉆具進行壽命預(yù)測的計算。1 前言    近年來，隨著鉆井深度的增加以及各種鉆井技術(shù)的迅速發(fā)展，對鉆柱性能的要求越來越高。而且鉆柱常在交變應(yīng)力和井壁摩擦碰撞的惡劣條件下工作，使得鉆柱成為旋轉(zhuǎn)鉆井設(shè)備中的薄弱環(huán)節(jié)。特別是在深井作業(yè)中及硬地層，容易發(fā)生失效事故，其中疲勞失效是主要的失效形式。計算鉆柱疲勞壽命可以為鉆柱使

38、用和管理提供依據(jù)。由于鉆柱的疲勞失效往往沒有可以觀察的預(yù)兆，事故通常會造成極大地經(jīng)濟損失。為此，有必要在鉆柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中利用仿真手段，對其進行疲勞分析，以便在研發(fā)的早期就發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的不足，并尋求優(yōu)化方案，降低事故危險。本文在前人研究的基礎(chǔ)之上，采用有限元方法建立模型，以實驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，運用ANSYS Workbench仿真分析平臺對下部鉆具組合（BHA）進行了疲勞特性分析，得到了疲勞壽命使用系數(shù)以及各種裂紋對應(yīng)的疲勞壽命。 2 分析模型2.1 模型的建立    正鉆井過程中鉆柱在狹長的井眼內(nèi)運動，受力十分復(fù)雜，本文主要研究受到軸向應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的情

39、況下，下部鉆具組合的疲勞壽命分析，圖1所示為其仿真模型圖：    本文研究的鉆具基本結(jié)構(gòu)尺寸為：    17.5鉆頭（0.5m）+接頭（0.5m）+鉆鋌（9m）2根+扶正器（2m）+鉆鋌（9m）1根。鉆壓為5t，扭矩為5。2.2 參數(shù)的設(shè)置    在ANSYS Workbench中Static Structural下，設(shè)置求解參數(shù)。選擇insert/最大等效應(yīng)力來尋找鉆具峰值應(yīng)力出現(xiàn)的位置。選擇insert/fatigue tool選項設(shè)置疲勞強度削弱系數(shù)為0.8；在分析類型中有Goodman（古德曼）、

40、Gerber（杰柏）和Soderberg（索德柏格）三種，其中Goodman（古德曼）理論在疲勞設(shè)計中應(yīng)用最廣，所以本文選擇Goodman理論對疲勞壽命進行估計；在Fatigue Tool中，選擇insert/life、Damage、Safety Factor選項，設(shè)置BHA的疲勞壽命、疲勞累積損傷系數(shù)和安全系數(shù)，設(shè)定設(shè)計壽命均為1.0e6次循環(huán)。 3 疲勞分析及其結(jié)果 3.1 無裂紋的BHA的疲勞分析結(jié)果     在ANSYS Workbench有限元分析軟件中，按照以上簡化模型和參數(shù)的設(shè)置，對下部鉆具組合（BHA）的疲勞失效分析進行求解。 分頁    在Solution的stress中查看BHA的應(yīng)力云圖。由應(yīng)力云圖2可以看出，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在鉆柱底部，與工程實際經(jīng)驗結(jié)論相符合。安全系數(shù)（Safety Factor）的定義是零件或構(gòu)件所用材料的失效應(yīng)力與設(shè)計應(yīng)力的比值。如圖3所示，在Fatigue Tool/Safety Factor中可查到的BHA的疲勞安全系數(shù)為6大于1，說明此鉆柱是安全的