ANSYSworkbench教程

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

第一章簡(jiǎn)介

1.1 疲勞概述

結(jié)構(gòu)失效的一個(gè)常見(jiàn)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(lèi):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(qiáng)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(duì)較低時(shí)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(rèn)為應(yīng)變疲勞(strain-based)應(yīng)該用于低周疲勞計(jì)算。
在設(shè)計(jì)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(lái),我們將對(duì)基于應(yīng)力疲勞理論的處理方法進(jìn)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(shí),稱(chēng)為恒定振幅載荷,我們將針對(duì)這種最簡(jiǎn)單的形式,首先進(jìn)行討論。
否則,則稱(chēng)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(shí)間變化,這實(shí)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(jì)算。
相反,非比例載荷沒(méi)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(gè)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(xiàn)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(shí),發(fā)生的是對(duì)稱(chēng)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(dòng)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(xiàn)
載荷與疲勞失效的關(guān)系,采用的是應(yīng)力-壽命曲線(xiàn)或S-N曲線(xiàn)來(lái)表示:
    (1)若某一部件在承受循環(huán)載荷, 經(jīng)過(guò)一定的循環(huán)次數(shù)后,該部件裂紋或破壞將會(huì)發(fā)展,而且有可能導(dǎo)致失效;
    (2)如果同個(gè)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(xiàn)或S-N曲線(xiàn),展示出應(yīng)力幅與失效循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。
S-N曲線(xiàn)是通過(guò)對(duì)試件做疲勞測(cè)試得到的彎曲或軸向測(cè)試反映的是單軸的應(yīng)力狀態(tài),影響S-N曲線(xiàn)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(zhǎng),相反,拉伸平均應(yīng)力比零平均應(yīng)力的疲勞壽命短,對(duì)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(xiàn)。
因此,記住以下幾點(diǎn):一個(gè)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(xiàn))是從反映單軸應(yīng)力狀態(tài)的測(cè)試中得到的,那么在計(jì)算壽命時(shí)就要注意:(1)設(shè)計(jì)仿真為用戶(hù)提供了如何把結(jié)果和S-N曲線(xiàn)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(jì)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(xiàn)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(zhǎng)短):(1)對(duì)于不同的平均應(yīng)力或應(yīng)力比值,設(shè)計(jì)仿真允許輸入多重S-N曲線(xiàn)(實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù));(2)如果沒(méi)有太多的多重S-N曲線(xiàn)(實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)),那么設(shè)計(jì)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(jì)仿真中可以用一個(gè)修正因子來(lái)解釋。
1.6 總結(jié)
    疲勞模塊允許用戶(hù)采用基于應(yīng)力理論的處理方法,來(lái)解決高周疲勞問(wèn)題。
    以下情況可以用疲勞模塊來(lái)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(xiàn):
    S-N曲線(xiàn)是疲勞實(shí)驗(yàn)中獲得,而且可能本質(zhì)上是單軸的,但在實(shí)際的分析中,部件可能處于多軸應(yīng)力狀態(tài)。
S-N曲線(xiàn)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(xiàn)的應(yīng)力值可以直接輸入,或可以執(zhí)行通過(guò)平均應(yīng)力修正理論實(shí)現(xiàn)。