經(jīng)典-疲勞分析

疲勞分析軟件ANSYSFE_SAFE簡(jiǎn)介（轉(zhuǎn)）來(lái)源：劉興興的日志ANSYSFE_SAFE

產(chǎn)品投放市場(chǎng)后，如果在耐久性方面出現(xiàn)問題將會(huì)造成許多新產(chǎn)品失去競(jìng)爭(zhēng)力，給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)又使企業(yè)形象蒙受巨大的負(fù)面影響。在中國(guó)，由于疲勞耐久性與可靠性不過關(guān)造成的產(chǎn)品問題更是普遍存在，是國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品缺乏國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的最重要因素之一。國(guó)際上，每年因結(jié)構(gòu)疲勞的原因，大量產(chǎn)品在其有效壽命期內(nèi)報(bào)廢，由于疲勞破壞而造成的惡性事故也時(shí)有出現(xiàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，歐洲每年早期斷裂造成的損失達(dá)800億歐元，而美國(guó)每年早期斷裂造成的損失達(dá)1190億美元，其中95%是由于疲勞引起的斷裂。而通過應(yīng)用疲勞耐久性分析技術(shù)，其中的50%是可以避免的，因此許多企業(yè)將疲勞耐久性定為產(chǎn)品質(zhì)量控制的重要指標(biāo)。

在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員在概念或詳細(xì)設(shè)計(jì)階段通常使用簡(jiǎn)單而不真實(shí)的計(jì)算來(lái)估計(jì)產(chǎn)品的壽命，而對(duì)這些估計(jì)壽命的驗(yàn)證通常是通過一定量物理樣機(jī)的耐久試驗(yàn)得到，不但試驗(yàn)周期長(zhǎng)、耗資巨大，而且許多相關(guān)參數(shù)與失效的定量關(guān)系也不可能在試驗(yàn)中得出，試驗(yàn)結(jié)論還可能受許多偶然因素的影響。因此對(duì)于產(chǎn)品疲勞壽命的仿真分析方法越來(lái)越受到產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員的關(guān)注。

ANSYSFE-SAFE是美國(guó)ANSYS公司與英國(guó)安全技術(shù)公司（SAFETECHNOLOGYLIMITED）緊密合作的產(chǎn)品，是進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞耐久性分析的專用軟件。在軟件開發(fā)過程中，每年投資數(shù)百萬(wàn)美元用于研發(fā)，并進(jìn)行了大量的材料參數(shù)實(shí)驗(yàn)和實(shí)際結(jié)構(gòu)件的試驗(yàn)驗(yàn)證。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段使用ANSYSFE-SAFE，可在物理樣機(jī)制造之前進(jìn)行疲勞分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，真實(shí)地預(yù)測(cè)產(chǎn)品的壽命，實(shí)現(xiàn)等壽命周期設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)階段的耐久性分析可以顯著縮短產(chǎn)品推向市場(chǎng)的時(shí)間、提高產(chǎn)品可靠性，極大地降低制造物理樣機(jī)和進(jìn)行耐久性試驗(yàn)所帶來(lái)的巨額研發(fā)費(fèi)用。ANSYSFE-SAFE耐久性分析技術(shù)可廣泛應(yīng)用于從空間站、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)到汽車、火車；從空調(diào)、洗衣機(jī)等家電產(chǎn)品到電子通訊系統(tǒng)；從艦船到石化設(shè)備；從內(nèi)燃機(jī)、核能、電站設(shè)備到通用機(jī)械等各個(gè)領(lǐng)域。

疲勞分析及概念

>疲勞破壞的概念

當(dāng)材料或結(jié)構(gòu)受到多次重復(fù)變化的載荷作用后，在應(yīng)力值雖然始終沒有超過材料的強(qiáng)度極限，甚至比彈性極限還低的情況下就可能發(fā)生破壞。這種在交變載荷持續(xù)作用下材料或結(jié)構(gòu)的破壞現(xiàn)象，就叫做疲勞破壞。

>疲勞破壞的特征

材料力學(xué)是根據(jù)靜力試驗(yàn)來(lái)確定材料的機(jī)械性能（比如彈性極限、屈服極限、強(qiáng)度極限）的，這些機(jī)械性能沒有充分反映材料在交變載荷作用下的特性。因此，在交變載荷作用下工作的零件和構(gòu)件，如果還是按靜載荷去設(shè)計(jì)，在使用過程中往往就會(huì)發(fā)生突如其來(lái)的破壞。

>疲勞破壞與傳統(tǒng)靜力破壞的本質(zhì)區(qū)別

*靜力破壞是一次最大載荷作用下的破壞；疲勞破壞是多次反復(fù)載荷作用下產(chǎn)生的破壞，它不是短期內(nèi)發(fā)生的。

*當(dāng)靜應(yīng)力小于屈服極限或強(qiáng)度極限時(shí)，不會(huì)發(fā)生靜力破壞；而交變應(yīng)力在遠(yuǎn)小于靜強(qiáng)度極限，甚至小于屈服極限的情況下，疲勞破壞就可能發(fā)生。

*靜力破壞通常有明顯的塑性變形產(chǎn)生；疲勞破壞通常沒有外在宏觀的顯著塑性變形跡象，即便是塑性良好的金屬，其疲勞破壞形式也象脆性破壞一樣，事先不易覺察出來(lái)，這表明疲勞破壞具有更大的危險(xiǎn)性。

*在靜力破壞的斷口上，通常只呈現(xiàn)粗粒狀或纖維狀特征；而在疲勞破壞的斷口上，總是呈現(xiàn)兩個(gè)區(qū)域特征，一部分是平滑的，另一部分是粗粒狀或纖維狀。因?yàn)槠谄茐臅r(shí)，首先在某一點(diǎn)（通常接近構(gòu)件表面）產(chǎn)生微小的裂紋，其起點(diǎn)叫"疲勞源"，而裂紋從疲勞源開始，逐漸向四周擴(kuò)展。由于反復(fù)變形，裂開的兩個(gè)面時(shí)而擠緊，時(shí)而松開，這樣反復(fù)摩擦，形成一個(gè)平滑區(qū)域。在交變載荷繼續(xù)作用下，裂紋逐漸擴(kuò)展，承載面積逐漸減少，當(dāng)減少到材料或構(gòu)件的靜強(qiáng)度不足時(shí)，就會(huì)在某一載荷作用下突然斷裂，其斷裂面呈粗粒狀或纖維狀。

*靜力破壞的抗力主要取決于材料本身；而疲勞破壞的抗力與材料的組成、構(gòu)件的形狀或尺寸、表面加工狀況、使用條件以及外部工作環(huán)境都有關(guān)系。

ANSYSFE-SAFE概述

ANSYSFE-SAFE由用戶界面、材料數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、疲勞分析程序和信號(hào)處理程序組成。ANSYSFE-SAFE讀取有限元分析計(jì)算出的單位載荷或?qū)嶋H工作載荷下的彈性應(yīng)力，然后根據(jù)實(shí)際載荷工況和交變載荷形式將結(jié)果比例迭加以產(chǎn)生工作應(yīng)力時(shí)間歷程；也可換算成特定類型載荷作用下的彈塑性應(yīng)力。

材料數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)

ANSYSFE-SAFE提供了一個(gè)全面的材料疲勞特性數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，含有上百種常用的鋼、鋁合金材料的疲勞數(shù)據(jù)，用戶也可以根據(jù)需要擴(kuò)充和修改該數(shù)據(jù)庫(kù)。

用戶可以查訊數(shù)據(jù)庫(kù)，如列出所有的鋁合金，也可以輸入新材料。

如果有主數(shù)據(jù)庫(kù)和用戶本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，這兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)都可以訪問；系統(tǒng)管理員可以將主數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)定為只讀，以防止用戶對(duì)主數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。

利用內(nèi)置的Netscapelink可以訪問試驗(yàn)報(bào)告及背景數(shù)據(jù)，在啟動(dòng)疲勞分析時(shí)程序可自動(dòng)訪問材料數(shù)據(jù)庫(kù)，讀入材料數(shù)據(jù)；用戶數(shù)據(jù)可通過用戶界面直接輸入。程序還可繪制材料數(shù)據(jù)的多種類型的曲線。

在數(shù)據(jù)庫(kù)中含有Seeger材料近似算法，允許利用材料的抗拉強(qiáng)度（UTS）和彈性模量生成近似的材料疲勞數(shù)據(jù)，生成的數(shù)據(jù)可以指定一個(gè)數(shù)據(jù)集名并存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

用戶界面

在ANSYSFE-SAFE友好的用戶界面下，可方便地進(jìn)行疲勞耐久性分析的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備；所輸入的材料數(shù)據(jù)、荷載及荷載組合數(shù)據(jù)均可圖示化顯示，疲勞計(jì)算的結(jié)果可通過三維云圖直觀地顯示。

ANSYSFE-SAFE對(duì)有限元數(shù)據(jù)文件中的單元數(shù)沒有實(shí)際限制，在一個(gè)有限元模型中可以有多個(gè)單元組，每個(gè)單元組中的單元數(shù)不限，最多可以根據(jù)4096組有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行疲勞分析。

*ANSYSFE-SAFE可計(jì)算出在指定壽命下，模型上各部分不會(huì)破壞的可能性。

*ANSYSFE-SAFE可從模型上一系列的載荷中找出對(duì)疲勞壽命影響最大的載荷及載荷方向。

*ANSYSFE-SAFE根據(jù)載荷情況和材料數(shù)據(jù)自動(dòng)選擇最合適的疲勞分析方法。

結(jié)果輸出

*ANSYSFE-SAFE將節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命寫入輸出文件中，如果指定設(shè)計(jì)壽命，將計(jì)算出各個(gè)節(jié)點(diǎn)相對(duì)設(shè)計(jì)壽命的安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果可以用ANSYS后處理器進(jìn)行處理，可充分地利用ANSYS強(qiáng)大的后處理功能，如三維云圖顯示等。

*生成一個(gè)文本文件，包含用戶輸入、分析類型、軟件版本號(hào)和結(jié)果摘要。ANSYSFE-SAFE一直是多軸疲勞分析解決方案的領(lǐng)導(dǎo)者，算法先進(jìn)，功能全面細(xì)致，是世界公認(rèn)精度最高的疲勞分析軟件。ANSYSFE-SAFE既支持基于疲勞試驗(yàn)測(cè)試應(yīng)力和應(yīng)變信號(hào)的疲勞分析技術(shù)，也支持基于有限元分析計(jì)算的疲勞仿真設(shè)計(jì)技術(shù)。ANSYSFE-SAFE具有完整的材料庫(kù)、靈活多變的載荷譜定義方法、實(shí)用的疲勞信號(hào)采集與分析處理功能以及豐富先進(jìn)的疲勞算法，完整的輸出疲勞結(jié)果。特色功能擁有基于應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試信號(hào)的疲勞分析技術(shù)；支持彈性、塑性，單軸、多軸的應(yīng)力和局部應(yīng)變?nèi)嫫谒惴?；豐富的材料疲勞數(shù)據(jù)庫(kù)；支持各種載荷輸入文件格式，并對(duì)載荷信號(hào)進(jìn)行分析處理；概率疲勞計(jì)算載荷與材料服從某種概率分布時(shí)，在一定設(shè)計(jì)壽命下結(jié)構(gòu)的生存概率；可以構(gòu)造復(fù)雜的疲勞載荷譜；生成豐富的疲勞計(jì)算結(jié)果；界面操作易學(xué)易用；CAE接口：Ansys,Nastran,Abaqus,I-deas,Hypermesh,Pro/EMechanical?？蛻魞r(jià)值基于有限元分析的疲勞技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)-CAE仿真-疲勞設(shè)計(jì)-重設(shè)計(jì)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)研發(fā)流程,使疲勞設(shè)計(jì)更加高效快速和經(jīng)濟(jì)實(shí)用；自帶信號(hào)分析處理技術(shù)使信號(hào)去假存真，并進(jìn)一步提取信號(hào)的幅頻特性、提取峰值序列、雨流矩陣、PSD等，可以直接用于疲勞分析；材料庫(kù)提供了豐富的材料，每種材料都有缺省疲勞算法自動(dòng)用于疲勞計(jì)算，便于本地化和用戶化，內(nèi)置Netscapelink訪問國(guó)際國(guó)內(nèi)發(fā)布的各種疲勞測(cè)試報(bào)告和相關(guān)數(shù)據(jù)；ANSYS作為世界先進(jìn)的CAE分析程序，其強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)-熱-流體-電磁耦合場(chǎng)分析能力，為Fe-safe提供多種單場(chǎng)或耦合場(chǎng)載荷工況的FEA結(jié)果，確保疲勞計(jì)算代表真實(shí)工程載荷工況；疲勞算法能同時(shí)考慮各種疲勞影響因素，多軸疲勞算法全球領(lǐng)先，速度快精度高。附加模塊旋轉(zhuǎn)機(jī)械疲勞分析模塊，F(xiàn)e-safe/Rotate?利用了結(jié)構(gòu)的軸對(duì)稱性，提高了旋轉(zhuǎn)部件的疲勞分析效率，可以自動(dòng)產(chǎn)生一系列不同旋轉(zhuǎn)角度上的應(yīng)力結(jié)果，一次靜力計(jì)算可以用來(lái)定義一個(gè)循環(huán)的疲勞載荷譜。有限元計(jì)算結(jié)果文件更小，求解規(guī)模降低。如果旋轉(zhuǎn)角度增量小于模型對(duì)稱角，則需要額外的有限元求解。該模塊支持完整模型、一半模型和奇、偶對(duì)稱的扇區(qū)模型。熱-機(jī)械疲勞分析模塊，F(xiàn)e-safe/TMF?考慮浮動(dòng)溫度和應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的共同影響，提供快速精確的疲勞壽命分析?？梢钥紤]應(yīng)變率和瞬態(tài)溫度對(duì)循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)的影響，也可以考慮瞬態(tài)溫度對(duì)應(yīng)變-壽命曲線的影響，以及考慮在每個(gè)循環(huán)中的應(yīng)力和溫度的相