ANSYSWORKBENCH疲劳分析指南第三章
发表时间：2009-2-21 作者: 安世亚太来源: e-works
关键字: CAE ansys Workbench疲劳分析
第三章不稳定振幅的疲劳
在前面一章中,考察了恒定振幅和比例载荷的情况,并涉及到最大和最小振幅在保持恒定的情况下的循环或重复载荷。在本章将针对不定振幅、比例载荷情况,尽管载荷仍是成比例的,但应力幅和平均应力却是随时间变化的。
3.1 不规律载荷的历程和循环(History and Cycles)
对于不规律载荷历程,需要进行特殊处理：
计算不规律载荷历程的循环所使用的是“雨流”rainflow循环计算，“雨流”循环计算(Rainflowcycle counting)是用于把不规律应力历程转化为用于疲劳计算的循环的一种技术(如右面例子)，先计算不同的“平均”应力和应力幅(“range”)的循环，然后使用这组“雨流”循环完成疲劳计算。
损伤累加是通过Palmgren-Miner 法则完成的，Palmgren-Miner法则的基本思想是：在一个给定的平均应力和应力幅下，每次循环用到有效寿命占总和的百分之几。对于在一个给定应力幅下的循环次数Ni，随着循环次数达到失效次数Nfi时，寿命用尽，达到失效。
“雨流”循环计算和Palmgren-Miner损伤累加都用于不定振幅情况。
因此，任何任意载荷历程都可以切分成一个不同的平均值和范围值的循环阵列(“多个竖条”)，右图是“雨流”阵列，指出了在每个平均值和范围值下所计算的循环次数，较高值表示这些循环的将出现在载荷历程中。
在一个疲劳分析完成以后，每个“竖条”(即“循环”)造成的损伤量将被绘出，对于“雨流”阵列中的每个“竖条”(bin)，显示的是对应的所用掉的寿命量的百分比。在这个例子中，即使大多数循环发生在低范围/平均值，但高范围(range)循环仍会造成主要的损伤。依据Per Miner法则，如果损伤累加到1(100%)，那么将发生失效。
3.2 不定振幅程序
a 建立引领分析(线性,比载荷)
b 定义疲劳材料特性(包括S-N曲线)
a 定义载荷历程数据,并以及平均应力的影响的处理
b 为“雨流”循环次数的计算定义bins的数量
e 求解并查看疲劳结果(例如，损伤matrix，损伤等值线图，寿命等值线等)
对于建立基于不定振幅、比例载荷情况下疲劳分析的过程，与前面讲过的第二章中介绍非常相似，但有两个例外：载荷类型的定义不同，查看的疲劳结果中包括变化的“雨流”和损伤阵列。
3.3.定义
3.3.1 定义载荷类型
在Fatigue T ool的Details 栏中, 载荷类型“Type”指的是历程数据“History Data”，既而，在“History Data Location”下定义一个外部文件. 这个文本文件将会包含一组循环(或周期)的载荷历程点，由于历程数据文本文件的数值表示的是载荷的倍数,所以比例因子“Scale Factor”也能够用于放大载荷。
3.3.2 定义无限寿命
恒定振幅载荷中,如果应力低于S-N曲线中最低限,曾提过的最后定义的循环次数将被使用。但在不定振幅载荷下,载荷历程将被划分成各种平均应力和应力幅的“竖条”(“bins”)。由于损伤是累积起来的，这些小应力可能造成相当大的影响，即当循环次数很高时。因此，如果应力幅比S-N曲线的最低点低，“无限寿命”值可以在Fatigue Tool 的Details栏中输入，以定义所采用循环次数的值。
损伤的定义是循环次数与失效时次数的比值，因此对于没有达到S-N曲线上的失效循次数的小应力，“无限寿命”就提供这个值。
通过对“无限寿命”设置较大值，小应力幅循环(“Range”)的影响造成的损伤将很小，因为损伤比率较小(damage ratio)。
3.3.3 定义bin size
“竖条尺寸”(“Bin Size”)也可以在Fatigue T ool 的Details栏中定义，rainflow阵列尺寸是bin_size x bin_size。Binsize越大，排列的阵列就越大，于是平均(mean)和范围(range)可以考虑的更精确，否则将把更多的循环次数放在
在给定的竖条中(看下图)，但是对于疲劳分析，竖条的尺寸越大,所需要的内存和CPU成本会越高。
3.3.4 定义竖条尺寸
另一方面请注意,我们可以看到单根锯齿或正弦曲线的载荷历程数据将产生与第二章中所讲的恒定振幅相似的结果。注意，这样的一个载荷历程将产生一个与恒定振幅情况下同样的平均应力和应力幅的计算。这个结果可能与恒定振幅情况有轻微差异取决于竖条的尺寸，因为range的均分方式可能与确切值不一致，所以，如果应用的话，推荐使用恒定振幅法。
前面的讨论非常清楚地指出“bins”的数目影响求解精度。这是因为交互和平均应力在计算部分损伤前先被输入到
“bins”中。这就是“Quick Counting”技术。
默认方法（因为其效率高）“Quick RainflowCounting”可以在“Details view”中关闭，在这种情况下，部分损伤
发现前数据不会被输入到“bins”，因此“bins”的数目不会影响结果。
虽然这种方法很准确，但它会耗费更多的内存和计算时间。
3.4 查看疲劳结果
定义了需要的结果以后,不定振幅情况就可以采用恒定振幅情况相似的方式，与应力分析一起或在应力分析以后进行
求解。由于求解的时间取决于载荷历程和竖条尺寸，所在进行的求解可能要比恒定振幅情况的时间长，但它仍比常规FEM
的求解快。
结果与恒定振幅情况相似：
代替疲劳循环次数,寿命结果报告了直到失效的载荷…块?的数量。举个例子，如果载荷历程数据描述了一个给定的时间…块?(假设是一周的时间)，以及指定的最小寿命是50，那么该部件的寿命就是50…块?或50周。
损伤和安全系数(Damageand Safety Factor)基于在Details栏中输入的设计寿命(Design Life)，但仍然是以
…块?形式出现,而不是循环。
BiaxialityIndication(双轴指示)与恒定振幅情况一样，对于不定振幅载荷均可用。
对于不定振幅情况，Equivalent Alternating Stress(等效交变应力)，不能作为结果输出。这是因为单个值不能用于决定失效的循环次数，因而采用基于载荷历程的多个值。
Fatigue Sensitivity(疲劳敏感性)对于寿命…块?也是可用的。
在不定振幅情况中也有一些自身独特的结果：
Rainflow阵列，虽然不是真实的结果，对于输出是有效的，在前面已经讨论了，它提供了如何把交变和平均应力从载荷历程划分成竖条的信息。
损伤阵列显示的是指定的实体(scoped entities)的评定位置的损伤。它反映了所生成的每个竖条损伤的大小。注意，结果是在指定的部件或表面的临界位置上的结果。
摘要：疲劳破坏是结构的主要失效形式，疲劳失效研究在结构安全分析中扮演着举足轻重的角色。因此结构的疲劳强度和疲劳寿命是其强度和可靠性研究的主要内容之一。机车车辆结构的疲劳设计必须服从一定的疲劳机理,并在系统结构的可靠性安全设计中考虑复合的疲劳设计技术的应用。国内的机车车辆主要结构部件的疲劳寿命评估和分析采用复合的疲劳设计技术，国外从疲劳寿命的理论计算和疲劳试验两个方面在疲劳研究和应用领域有很多新发展的理论方法和技术手段。不论国内国外，一批人几十年如一日致力于疲劳的研究，对疲劳问题研究贡献颇多。 关键词：疲劳 UIC标准疲劳载荷 IIW标准 S-N曲线机车车辆 一、国内外轨道车辆的疲劳研究现状 6月30日15时，备受关注的京沪高铁正式开通运营。作为新中国成立以来一次建设里程最长、投资最大、标准最高的高速铁路，京沪高铁贯通“三市四省”，串起京沪“经济走廊”。京沪高铁的开通，不仅乘客可以享受到便捷与实惠，沿线城市也需面对高铁带来的机遇和挑战。在享受这些待遇的同时，专家指出，各省市要想从中分得一杯羹，配套设施建设以及机车车辆的安全性绝对不容忽略。根据机车车辆的现代设计方法，对结构在要求做到尽可能轻量化的同时，也要求具备高度可靠性和足够的安全性。这两者之间常常出现矛盾，因此，如何准确研究其关键结构部件在运行中的使用寿命以及如何进行结构的抗疲劳设计是结构强度寿命预测领域研究中的前沿课题。 在随机动载作用下的结构疲劳设计更是成为当前机车车辆结构疲劳设计的研究重点，而如何预测关键结构和部件的疲劳寿命又是未来机车车辆结构疲劳设计的重要发展方向之一。机车车辆承受的外部载荷大部分是随时间而变化的循环随机载荷。在这种随机动载荷的作用下，机车车辆的许多构件都产生动态应力，引起疲劳损伤，而损伤累积后的结构破坏的形式经常是疲劳裂纹的萌生和最终结构的断裂破坏。随着国内铁路运行速度的不断提高，一些关键结构部件，如转向架的构架、牵引拉杆等都出现了一些断裂事故。因此，机车车辆的结构疲劳设计已经逐渐成为机车车辆新产品开发前期的必要过程之一，而通过有效的计算方法预测结构的疲劳寿命是结构设计的重要目标。 1.1国外 早在十九世纪后期德国工程师Wohler系统论述了疲劳寿命和循环应力的关系并提出了S-N 曲线和疲劳极限的概念以来，国内外疲劳领域的研究已经产生了大量新的研究方法和研究成果。 结构疲劳设计中主要有两方面的问题：一是用一定材料制成的构件的疲劳寿命曲线；二是结构件的工作应力谱，也就是载荷谱。载荷谱包括外部的载荷及动态特性对结构的影响。根据疲劳寿命曲线和工作应力谱的关系，有3种设计概念：静态设计(仅考虑静强度)；工作应力须低于疲劳寿命曲线的疲劳耐久限设计；根据工作强度设计，即运用实际使用条件下的载荷谱。实际载荷因为受到车辆等诸多因素的影响而有相当大的离散性，它严重地影响了载荷谱的最大应力幅值、分布函数及全部循环数。为了对疲劳寿命进行准确的评价，必须知道设计谱的存在概率，并且考虑实际载荷离散性，才可以确定结构可靠的疲劳寿命。 20世纪60年代，世界上第一条高速铁路建成，自那时起，一些国外高速铁路发达国家已经深入研究机车车辆结构轻量化带来的关键结构部件的疲劳强度和疲劳寿命预测问题。其中，包括日本对车轴和焊接构架疲劳问题的研究；法国和德国采用试验台仿真和实际线路相结合的技术开发出试验用的机车车辆疲劳分析方法；英国和美国对转向架累计损伤疲劳方面的研究等等。在这些研究中提出了大量有效的疲劳寿命的预测研究方法。 1.2、国内 1.2.1国内疲劳研究现状与方法 国内铁路相关的科研院所对结构的疲劳寿命也展开了大量的研究和分析，并且得到了很多研
手把手教你用ANSYS workbench 本文的目的主要是帮助那些没有接触过ansys workbench的人快速上手使用这个软件。在本文里将展示ansys workbe nch如何从一片空白起步，建立几何模型、划分网格、设置约束和边界条件、进行求解计算，以及在后处理中运行疲劳分析模块，得到估计寿命的全过程。 一、建立算例 打开ansys workbench这时还是一片空白。 ■A Un■$曲虑日Project - Wor^L-bemdi FI E Vievi Took Units EKlhenMrs Hep 口百］牙.匾1丿狂存*■::_____________ 4J Import-■■ ?b RBConn^dt | 半］Project Lbd盘B Project g pp^iijT 咗nifint 世Eiqen/alue Ekxkfing Q Elqenwlue Bucktig ［samcef) 醪Flwtnc 闵E^pict Cynannics ? Fluid F I M -M UN Mud凶『山山理］ ◎Hud Ftaw - Estrusoi (PdyflEMiJ ? Fluid Flow (CFX) 也rlud Flow :FkirflL) Q Hud How (Pdvftouf) I朗Hermoinic IResporiSB 営H>d,qdyr>amic DiFFractlon I岂？H^drcclj/riarw Resrwnw 讐 JCEnjina = 逝MocW 爲Moda (阳AQU5) fjy Muds 口■ ii』) 肚| H^ndorn wbracior 迦| Spedtium Riyid D/ruriL^ 国StStIC ^truchjral 冒Static Structural 卜对Static■Strucbj-cl (5aTiccF) 1 5Zac\-5taZ Wrnml D Ihemnal 0 5tcady-5Uts Ihcmal (Sancd7) 密Thnrra^-FlPirrrir 电j Tlroughlkw ◎Il i oughfki^ ^DiaJcGcrO innsflnr strudturAi 回7rans?n: Structural (ABiQUS) 褪Tr slismL 5trudtural (Stfncsf) A 怕Ment rhenr^l 首先我们要清楚自己要计算的算例的分析类型，一般对于结构力学领域，有 静态分析(Static Structural)、动态分析(Rigid Dynamics)、模态分析(Modal)。
疲劳分析，从零开始 1 测量应变、应力谱图 （1）衡量应力集中的区域，布置应变片 可以通过模拟（有限元）或试验（原型上涂上一层油漆，待油漆干后施加载荷，油漆剥落的地方应力集中），确定应力集中的区域，然后按左下图在应力集中区域布置三个应变片： 因为材料是各向同性，所以x,y方向并不一定是水平和竖直方向，但两者一定要垂直，中间一个一定要和x,y方向成45°角。 （2）根据测的应变和材料性能，计算应力 测得的三个应变，分别记为εx, εy, εxy。两个主应力（假设只有弹性变形）： 其中，E为材料的弹性模量，μ为泊松比。根据这两个主应力，可以计算出有些方法可能需要的等效应力（主要目的是将多分量的应力状态转化为一个数值，以方便应用材料的疲劳数据），如米塞斯等效应力：
()()222122121σσσσσ++-=m 或最大剪应力： ()2121 σσστ-= 实际测量的是应变-时间谱图，应力（或等效应力）-时间谱图可由上述公式计算。 （３）分解谱图 就是对上面测得的应力（应变）－时间谱图进行分解统计，计算出不同应力（包括幅度和平均值）循环下的次数，以便计算累积的损伤。最常用的是雨流法（rainflow counting method ）。 2 获取材料数据 如果载荷频率不高，可以做一组简单的疲劳测试（正弦应力，拉压或弯曲均可，有国家标准）： 得到一条应力-寿命（即循环次数）曲线，即所谓的S-N 曲线：
1：如果载荷频率较高或温度变化较大，还要测量不同平均应力和不同温度下的S-N 载荷，以便进行插值计算，因为此时平均应力对寿命有影响。也可以根据不同的经验公式（如Ｇｏｏｄｍａｎ准则，Ｇｅｒｂｅｒ准则等），以及其他材料性能（如拉伸强度，破坏强度等），由普通的Ｓ－Ｎ曲线（即平均应力为０）来计算平均应力不为零时对应的疲劳寿命。 2：如果材料数据极为有限，或者公司很穷很懒不愿做疲劳试验，也可以由材料的强度估算疲劳性能。 3：:如果出现塑性应变，累计损伤一般基于应变－寿命曲线（即Ｅ－Ｎ曲线），所以需要施加应变载荷。 3 损伤计算 到目前为止，疲劳分析基本上是基于经验公式，还没有完全统一的理论。损伤 累积的计算方法有很多种，最常用的是线性累计损伤（即Ｍiner 准则）， 但其结果不保守，计算得到的寿命偏高。 ∑∑≥=0.1,f i i i N n D 准确度比较高的累计准则是双线性准则，并且计算比“破坏曲线法”要容易，所以，是一个很好的折衷选择。
1、 ANSYS12.1 Workbench界面相关分析系统和组件说明 【Analysis Systems】分析系统【Component Systems】组件系统【CustomSystems】自定义系统【Design Exploration】设计优化 分析类型说明 Electric (ANSYS) ANSYS电场分析 Explicit Dynamics (ANSYS) ANSYS显式动力学分析 Fluid Flow (CFX) CFX流体分析 Fluid Flow (Fluent) FLUENT流体分析 Hamonic Response (ANSYS) ANSYS谐响应分析 Linear Buckling (ANSYS) ANSYS线性屈曲Magnetostatic (ANSYS) ANSYS静磁场分析 Modal (ANSYS) ANSYS模态分析 Random Vibration (ANSYS) ANSYS随机振动分析Response Spectrum (ANSYS) ANSYS响应谱分析 Shape Optimization (ANSYS) ANSYS形状优化分析 Static Structural (ANSYS) ANSYS结构静力分析 Steady-State Thermal (ANSYS) ANSYS稳态热分析 Thermal-Electric (ANSYS) ANSYS热电耦合分析Transient Structural(ANSYS) ANSYS结构瞬态分析Transient Structural(MBD) MBD 多体结构动力分析Transient Thermal(ANSYS) ANSYS瞬态热分析 组件类型说明 AUTODYN AUTODYN非线性显式动力分析BladeGen 涡轮机械叶片设计工具 CFX CFX高端流体分析工具
ANSYSWORKBENCH疲劳分析指南第三章 发表时间：2009-2-21 作者: 安世亚太来源: e-works 关键字: CAE ansys Workbench疲劳分析 第三章不稳定振幅的疲劳 在前面一章中,考察了恒定振幅和比例载荷的情况,并涉及到最大和最小振幅在保持恒定的情况下的循环或重复载荷。在本章将针对不定振幅、比例载荷情况,尽管载荷仍是成比例的,但应力幅和平均应力却是随时间变化的。 3.1 不规律载荷的历程和循环(History and Cycles) 对于不规律载荷历程,需要进行特殊处理： 计算不规律载荷历程的循环所使用的是“雨流”rainflow循环计算，“雨流”循环计算(Rainflowcycle counting)是用于把不规律应力历程转化为用于疲劳计算的循环的一种技术(如右面例子)，先计算不同的“平均”应力和应力幅(“range”)的循环，然后使用这组“雨流”循环完成疲劳计算。 损伤累加是通过Palmgren-Miner 法则完成的，Palmgren-Miner法则的基本思想是：在一个给定的平均应力和应力幅下，每次循环用到有效寿命占总和的百分之几。对于在一个给定应力幅下的循环次数Ni，随着循环次数达到失效次数Nfi时，寿命用尽，达到失效。 “雨流”循环计算和Palmgren-Miner损伤累加都用于不定振幅情况。 因此，任何任意载荷历程都可以切分成一个不同的平均值和范围值的循环阵列(“多个竖条”)，右图是“雨流”阵列，指出了在每个平均值和范围值下所计算的循环次数，较高值表示这些循环的将出现在载荷历程中。 在一个疲劳分析完成以后，每个“竖条”(即“循环”)造成的损伤量将被绘出，对于“雨流”阵列中的每个“竖条”(bin)，显示的是对应的所用掉的寿命量的百分比。在这个例子中，即使大多数循环发生在低范围/平均值，但高范围(range)循环仍会造成主要的损伤。依据Per Miner法则，如果损伤累加到1(100%)，那么将发生失效。 3.2 不定振幅程序 a 建立引领分析(线性,比载荷) b 定义疲劳材料特性(包括S-N曲线)
现在要求对该轴进行疲劳分析。 使用WORKBENCH和DESIGNLIFE对之进行疲劳分析，分为两步。第一步是在WORKBENCH中建立有限元模型，并分别施加集中力和集中力偶，通过计算，得到两种情况的米塞斯应力，这相当于两种工况，这样可以得到ANSYS WORKBENCH的结构分析结果文件*.rst.第二步在DESIGNLIFE中进行，首先根据疲劳分析的五框图，构造疲劳分析流程，然后分别设定各个框图的属性，即有限元结果文件，载荷文件，材料文件，疲劳分析选项，然后启动分析，通过后处理以查看轴上各点的疲劳寿命。 1. WORKBENCH中建立有限元模型并进行分析。 （1）使用designmodeler创建几何模型。 （2）设置材料属性。 （3）划分网格。 （4）设置分析选项。 这里设置两个载荷步，其目的只是分开弯曲和扭转这两种工况。
（5）设置固定边界条件 （6）施加集中力和集中力偶。 第一个载荷步施加集中力，而第二个载荷步施加集中力偶。 （7）分析。 （8）得到两种情况的米塞斯应力。
左边的云图取自第一个载荷步，它是弯曲产生的应力云图。 右边的云图来自第二个载荷步，它是扭转产生的应力云图。 计算完毕后，保存结果，退出ANSYS WORKBENCH. 2. DESIGNLIFE中的疲劳分析。 （1）绘制疲劳分析流程图。 打开designlife，创建分析流程图如下。 该流程图中，左边时输入（左上是有限元结果输入，左下是载荷的时间历程曲线输入），中间是疲劳分析模块（这里是应变寿命疲劳分析），右边是输出（右上是有限元分析结果显示，右下是列表输出危险点的情况）。 （2）关联有限元分析结果文件
第一章简介 1.1 疲劳概述 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。疲劳通常分为两类：高周疲劳是当载荷的循环（重复）次数高(如1e4 -1e9)的情况下产生的。因此，应力通常比材料的极限强度低，应力疲劳（Stress-based）用于高周疲劳；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。一般认为应变疲劳（strain-based）应该用于低周疲劳计算。 在设计仿真中，疲劳模块拓展程序（Fatigue Module add-on）采用的是基于应力疲劳（stress-based）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。 1.2 恒定振幅载荷 在前面曾提到，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，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。 否则，则称为变化振幅或非恒定振幅载荷。 1.3 成比例载荷 载荷可以是比例载荷，也可以非比例载荷： 比例载荷，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，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。 相反，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： σ1/σ2=constant 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； 非线性边界条件。 1.4 应力定义 考虑在最大最小应力值σmin和σmax作用下的比例载荷、恒定振幅的情况： 应力范围Δσ定义为(σmax-σmin) 平均应力σm定义为(σmax+σmin)/2 应力幅或交变应力σa是Δσ/2 应力比R是σmin/σmax 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。这就是σm=0，R=-1的情况。 当施加载荷后又撤除该载荷，将发生脉动循环载荷。这就是σm=σmax/2，R=0的情况。 1.5 应力-寿命曲线 载荷与疲劳失效的关系，采用的是应力-寿命曲线或S-N曲线来表示： （1）若某一部件在承受循环载荷, 经过一定的循环次数后,该部件裂纹或破坏将会发展，而
Fe-safe疲劳分析功能详细介绍 SIMULIA FE-SAFE可定义载荷时间历程，用于处理一组有限元分析结果。 SIMULIA FE-SAFE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，从而在模型的每个位置上都产生各个应力张量的复杂的时间历程。 SIMULIA FE-SAFE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。 SIMULIA FE-SAFE可对复杂的块数据载荷进行分析，对于每个载荷条件，生成载荷的有限元结果数据集循环块。 SIMULIA FE-SAFE 可对载荷历程和序列载荷进行组合使用。
SIMULIA FE-SAFE可定义载荷文件，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或序列载荷数据的组合。序列载荷数据是由于结构承受随时间变化载荷而引起的应力变化数据。 SIMULIA FE-SAFE可利用应力-寿命曲线、应变-寿命曲线，并可使用局部应力-应变法进行单轴和多轴疲劳分析。同时可以使用多种平均应力修正方法，也可采用用户定义的平均应力修正。具有很强的基于局部应力－应变技术的高级多轴疲劳分析功能，自动识别疲劳“热点”；对于运动部件，可针对给定的设计寿命，给出三维安全系数云图，显示疲劳寿命的设计余量。多轴Neuber准则用来计算循环中构件产生屈服引起的弹塑性应力应变。对于应力历程中的每一事件，利用材料记忆算法重新计算双轴条件下的循环应力－应变曲线。对多向载荷，在载荷历程上节点的主应力方向不断变化，因而临界平面的法向也在不断变化，在每个面上，剪切应变或正应变都采用雨流计数法，计算每个循环的疲劳损伤，使用Miner准则来计算节点的疲劳寿命，所有面上的最短疲劳寿命作为节点的疲劳寿命。 ?利用应力－寿命曲线进行单轴分析－Goodman、Gerber平均应力修正。 ?利用应变－寿命曲线进行单轴分析－Morrow、Smith-Watson-T opper平均应力修正。 ?利用局部应力－应变法进行多轴疲劳分析，可分别考虑最大剪应变（适用于延展性好的材料）、最大正应变（适用于脆性材料）、Brown-Miller组合剪应变
本篇文章说明，如何在WORBENCH中通过改变单元的形式来做摩擦生热的耦合分析。 【问题描述】 在一个定块上，有一个滑块。在滑块顶顶面上施加一垂直于表面指向定块的10MPa的分布力系。现在滑块在定块表面上滑行3.75mm，要求摩擦而产生的热量，并计算滑块和定块内部的温度分布和应力分布。 定块的尺寸：宽5mm，高1.25mm，厚1mm 滑块的尺寸：宽1.25mm，高1.5mm，厚1mm 材料：弹性模量：7e10Pa;泊松比：0.3；密度：2700kg/m(3);热膨胀系数：23.86e-6/k；摩擦系数：0.2；热导率：150W/(M K)；比热：900J/(kg K） (注)该问题来自于许京荆的《ANSYS13.0 WORKBNCH数值模拟技术》,中国水利水电出版社，2012，P381. 【问题分析】 关键技术分析： 此问题属于摩擦生热，不能够使用载荷传递法，而只能使用直接耦合法。这就是说，只能用一个耦合单元来计算摩擦生热问题。 解决该问题的基本思路如下: (1) 使用瞬态结构动力学分析系统 （2）在该系统中更改单元为PLANE223,它是一个耦合单元，可以完成多种耦合分析，这里使用其结构-热分析功能。 （3）定义两个载荷步，第一步将动块移动到指定位置，第二步保持最终位置，以获得平衡解。 （4）在求解设置中，关闭结构分析的惯性部分，而只做静力学结构分析，但是对于热分析仍旧做瞬态热分析。
（5）由于使用了瞬态动力学分析，结果中默认是没有温度可以直接从界面中得到的。需要自定义结果，提取温度。 （6）此问题要多处使用插入命令的方式，从而可以在WORKBENCH中使用APDL的功能。 （7）瞬态结构动力学分析系统的工程数据中，无法得到热分析的部分参数，所以需要先创建一个单独的工程数据系统，然后把它与瞬态结构动力学分析的工程数据单元格相关联。 （8）在DM中创建两个草图，然后根据草图得到面物体。再对这两个面物体进行平面 应力的分析。 （9）本博文的主要目的是要阐述：如何在WORKBENCH中使用耦合单元进行多物理场的耦合分析。 【求解过程】 1.进入ANSYS WORKBENCH14.5 2. 创建瞬态结构分析系统 3.设置材料属性。 双击engineering data,加入新材料，命名为al，设置属性如下。
细解Ansys疲劳寿命分析 2013-08-29 17:16 by:有限元来源:广州有道有限元 ANSYS Workbench 疲劳分析 本章将介绍疲劳模块拓展功能的使用: –使用者要先学习第4章线性静态结构分析. ?在这部分中将包括以下内容: –疲劳概述 –恒定振幅下的通用疲劳程序，比例载荷情况 –变振幅下的疲劳程序,比例载荷情况 –恒定振幅下的疲劳程序，非比例载荷情况 ?上述功能适用于ANSYS DesignSpacelicenses和附带疲劳模块的更高级的licenses. A. 疲劳概述 ?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 ?疲劳通常分为两类: –高周疲劳是当载荷的循环（重复）次数高(如1e4 -1e9)的情况下产生的. 因此，应力通常比材料的极限强度低. 应力疲劳（Stress-based）用于高周疲劳. –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。一般认为应变疲劳（strain-based）应该用于低周疲劳计算. ?在设计仿真中, 疲劳模块拓展程序（Fatigue Module add-on）采用的是基于应力疲劳（stress-based）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. …恒定振幅载荷 ?在前面曾提到, 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, 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. –否则，则称为变化振幅或非恒定振幅载荷
…成比例载荷 ?载荷可以是比例载荷, 也可以非比例载荷:–比例载荷, 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. 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.–相反, 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:?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?非线性边界条件
ansys workbench疲劳分析流程 基于S-N曲线的疲劳分析的最终目的是将变化无规律的多轴应力转化为简单的单轴应力循环，以便查询S-N曲线，得到相应的疲劳寿命。ansys workbench的疲劳分析模块采用如下流程，其中r=Smin/Smax，Sa为应力幅度，Sm应力循环中的应力均值，注意后一个m不是大写：）： （1）无规律多轴应力-->无规律单轴应力 这个转换其实就是采用何种应力（或分量）。只能有以下选择： V on-Mises等效应力；最大剪应力；最大主应力；或某一应力分量（Sx,Syz等等）。有时也采用带符号的Mises应力（大小不变等于Mises应力，符号取最大主应力的符号，好处是可以考虑拉或压的影响（反映在平均应力或r上））。同强度理论类似，V on-Mises等效应力和最大剪应力转换适用于延展性较好的材料，最大主应力转换用于脆性材料。 （2）无规律单轴应力-->简单单轴应力循环 其本质是从无规律的高高低低的等效单轴应力--时间曲线中提取出一系列的简单应力循环（用Sa,Sm表征）以及对应的次数。有很多种方法可以完成此计数和统计工作，其中又分为路径相关方法和路径无关方法。用途 最广的雨流法(rain flow counting method)就是一种路径相关方法。其算法和原理可见“Downing, S., Socie, D. (1982) Simplified rain flow counting algorithms. Int J Fatigue,4, 31–40“。 经过雨流法的处理后，无规律的应力--时间曲线转化为一系列的简单循环（Sa,Sm和ni,ni为该循环的次数，Sm如果不等于0，即r!=-1，需要考虑r的影响）。然后将r!=-1的循环再转化到r=-1对应的应力循环（见下），这样就可以根据损伤累计理论（Miner准则）计算分析了：Sum(ni/Ni) Ni为该应力循环对应的寿命（考虑Sa,Sm）。 （3）r!=-1的简单单轴应力循环-->r=-1的r!=-1的简单单轴应力循环 如果有不同r值下的S-N曲线，一般采用插值方法确定未知r值下的S-N曲线。如果只有r=-1的S-N曲线，可采用如下的公式计算等效的应力（就是将r！＝－1的单轴应力转换为r=-1时的单轴应力，即等效应力）： （Sa/Se)+(Sm/Su)^n=1 ^为指数运算符。 其中，Sa为半应力幅值，Se为欲求的等效应力，Sm为平均应力，Su和n不同的取值，构成不同的理论： Theory Su n ------------------------------------------------------------------ Soderberg yield stress (sy) 1 Goodman ultimate tensile stress (su) 1 Gerber ultimate tensile stress (su) 2 Morrow true fracture stress (sf) 1 ----------------------------------------------------------------- 至此，已经可以查询标准的S-N曲线了，结合Miner准则，可以计算疲劳寿命了。
ansys workbench困乏分析流程 基于S-N曲线的困乏分析的最终目的是将变化无规律的多轴应力转化为简单的单轴应力循环，以便查询S-N曲线，得到相应的困乏寿命。ansysworkbench 的困乏分析模块采用如下流程，其中r=Smin/Smax，Sa为应力幅度，Sm应力循环中的应力均值，注意后一个m不是大写：）： （1）无规律多轴应力-->无规律单轴应力 这个转换其实就是采用何种应力（或分量）。只能有以下选择： Von-Mises等效应力；最大剪应力；最大主应力；或某一应力分量（Sx,Syz 等等）。有时也采用带符号的Mises应力（大小不变等于Mises应力，符号取最大主应力的符号，好处是可以考虑拉或压的影响（反映在平衡应力或r 上））。同强度理论类似，Von-Mises等效应力和最大剪应力转换适用于延展性较好的材料，最大主应力转换用于脆性材料。 （2）无规律单轴应力-->简单单轴应力循环 其本质是从无规律的高高低低的等效单轴应力--时间曲线中提取出一系列的简单应力循环（用Sa,Sm表征）以及对应的次数。有很多种方法可以完成此计数和统计工作，其中又分为路径相关方法和路径无关方法。用途 最广的雨流法(rainflowcountingmethod)就是一种路径相关方法。其算法和原理可见“Downing, S., Socie, D. (1982) Simplified rain flow counting algorithms. Int J Fatigue,4, 31–40“。 经过雨流法的处理后，无规律的应力--时间曲线转化为一系列的简单循环（Sa,Sm和ni,ni为该循环的次数，Sm如果不等于0，即r!=-1，需要考虑r的影响）。然后将r!=-1的循环再转化到r=-1对应的应力循环（见下），这样就可以根据损伤累计理论（Miner准则）计算分析了：Sum(ni/Ni) Ni为该应力循环对应的寿命（考虑Sa,Sm）。 （3）r!=-1的简单单轴应力循环-->r=-1的r!=-1的简单单轴应力循环
第34卷第5期2013年10月 河南科技大学学报：自然科学版 Journal of Henan University of Science and Technology ：Natural Science Vol．34No．5Oct．2013 基金项目：内蒙古自治区自然科学基金项目（2012MS0717） 作者简介：关丽坤（1963－），女，辽宁沈阳人，教授，硕士，硕士生导师，主要从事机械结构强度及仿真分析研究．收稿日期：2012－12－31 文章编号：1672－6871（2013）05－0023－04 斜齿轮轴疲劳寿命分析 关丽坤，王宁宁 （内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古包头014010） 摘要：针对某钢厂210t 氧气顶吹转炉倾动机构减速机高速斜齿轮轴出现疲劳断裂的问题，采用ANSYS /FE-SAFE 疲劳软件对斜齿轮轴进行疲劳寿命分析，得到斜齿轮轴疲劳寿命和疲劳安全因数，确定疲劳寿命最短位置和实际断裂位置一致， 验证了分析的正确性，此分析为进一步结构优化提供了一定的参考。关键词：倾动机构；减速机；斜齿轮轴；疲劳寿命；结构优化中图分类号：TH133．2 文献标志码：A 0引言 氧气顶吹转炉倾动机构是用以转动炉体，以完成转炉兑铁水、出钢、加料、修炉等一系列工艺操作， 是实现转炉炼钢生产的关键设备之一［1］ 。某钢厂210t 氧气顶吹转炉倾动机构一级减速机高速斜齿轮轴出现断裂，断裂实物图如图1所示，由断裂的实物图并根据金属疲劳的破坏机理可以初步断定为疲劳 破坏［2］ 。本文应用ANSYS 软件对其进行静强度分析， 结合疲劳累计损伤理论法则和疲劳破坏的概念来查找断裂原因，并用专门的疲劳软件FE-SAFE 完成疲劳分析，为进一步的结构优化提供参考 。 图1斜齿轮轴断裂实物图 1 斜齿轮轴静强度分析 1．1 建立模型及结构简介 图2 斜齿轮轴三维模型 用SolidWorks 软件建立三维实体模型，如图 2所示。在图2中，1处连接制动器；2、4、5处装圆锥滚子轴承；3为斜齿轮；6处为断裂部位；7处连接电机。进行静强度分析之前需要对原模型进行 合理的简化， 这对分析精度影响不大，又节省时间［3］。 斜齿轮轴依靠3个双列圆锥滚子轴承支撑，引导它的旋转，并保证回转精度。一端通过键槽和电机联轴器相连；另一端和制动器相连，轴中间的斜齿轮和另一轴上的斜齿轮相啮合，传递运动和动力。轴承端处的螺纹上拧有锁紧螺母，起到固定轴承内圈的作用。
ANSYSWORKBENCH疲劳分析指南 第一章简介 1.1 疲劳概述 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。疲劳通常分为两类：高周疲劳是当载荷的循环（重复）次数高(如1e4 -1e9)的情况下产生的。因此，应力通常比材料的极限强度低，应力疲劳（Stress-based）用于高周疲劳；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。一般认为应变疲劳（strain-based）应该用于低周疲劳计算。在设计仿真中，疲劳模块拓展程序（Fatigue Module add-on）采用的是基于应力疲劳（stress-based）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。 1.2 恒定振幅载荷 在前面曾提到，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，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。 否则，则称为变化振幅或非恒定振幅载荷。 1.3 成比例载荷 载荷可以是比例载荷，也可以非比例载荷： 比例载荷，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，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。 相反，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： σ1/σ2=constant 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； 非线性边界条件。
1.4 应力定义 考虑在最大最小应力值σ和σ作用下的比例载荷、恒定振幅的情况：应力范围Δσ定义为(σ-σ) 平均应力σ定义为(σ+σ)/2 应力幅或交变应力σa是Δσ/2 应力比R是σ/σ 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。这就是 σm=0，R=-1的情况。 当施加载荷后又撤除该载荷，将发生脉动循环载荷。这就是σ=σ/2，R=0的情况。 1.5 应力-寿命曲线 载荷与疲劳失效的关系，采用的是应力-寿命曲线或S-N曲线来表示： （1）若某一部件在承受循环载荷, 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； （2）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； （3）应力-寿命曲线或S-N曲线,展示出应力幅与失效循环次数的关系。 S-N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，影响S-N曲线的因素很多，其中的一些需要的注意，如下：材料的延展性，材料的加工工艺，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，载荷环境，包括平均应力、温度和化学环境，例如，压缩平均应力比零平均应力的疲劳寿命长，相反，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，平均应力将分别提高和降低S-N曲线。 因此，记住以下几点：一个部件通常经受多轴应力状态。如果疲劳数据(S-N 曲线)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：（1）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，包括多轴应力的选择；（2）双轴应力结果有助于计算在给定位置的情况。
ANSYS WORKBENCH 疲劳分析指南 第一章简介 1.1 疲劳概述 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。疲劳通常分为两类：高周疲劳是当载荷的循环（重复）次数高(如1e4 -1e9)的情况下产生的。因此，应力通常比材料的极限强度低，应力疲劳（Stress-based）用于高周疲劳；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。一般认为应变疲劳（strain-based）应该用于低周疲劳计算。 在设计仿真中，疲劳模块拓展程序（Fatigue Module add-on）采用的是基于应力疲劳（stress-based）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。 1.2 恒定振幅载荷 在前面曾提到，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，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。 否则，则称为变化振幅或非恒定振幅载荷。 1.3 成比例载荷 载荷可以是比例载荷，也可以非比例载荷： 比例载荷，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， 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。 相反，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： σ1/σ2=constant 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； 非线性边界条件。 1.4 应力定义 考虑在最大最小应力值σmin和σmax作用下的比例载荷、恒定振幅的情况： 应力范围Δσ定义为(σmax-σmin) 平均应力σm定义为(σmax+σmin)/2 应力幅或交变应力σａ是Δσ/2 应力比R是σmin/σmax 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。这就是 σm=0，R=-1的情况。 当施加载荷后又撤除该载荷，将发生脉动循环载荷。这就是σm=σmax/2，R=0的情况。 1.5 应力-寿命曲线 载荷与疲劳失效的关系，采用的是应力-寿命曲线或S-N曲线来表示： （1）若某一部件在承受循环载荷, 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； （2）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； （3）应力-寿命曲线或S-N曲线,展示出应力幅与失效循环次数的关系。
AnsysWorkbench详细介绍及入门基础 1、什么是Ansys Workbench? –ANSYS Workbench中提供了与ANSYS系统求解器的强大交互功能的方法 这个环境提供了一个独特的CAD及设计过程的集成系统。 2、Ansys Workbench主要组成模块： –Mechanical：利用ANSYS的求解器进行结构和热分析。 –Mechanical APDL：采用传统的ANSYS用户界面对高级机械和多物理场进行分析。 –Fluid Flow (CFX)：利用CFX进行CFD分析。 –Fluid Flow (FLUENT)：使用FLUENT进行CFD分析。 –Geometry (DesignModeler)：创建几何模型（DesignModeler）和CAD几何模型的修改。–Engineering Data：定义材料性能。 –Meshing Application：用于生成CFD和显示动态网格。 –Design Exploration：优化分析。 –Finite Element Modeler (FE Modeler)：对NASTRAN 和ABAQUS的网格进行转化以进行ansys 分析。 –Explicit Dynamics：具有非线性动力学特色的模型用于显式动力学模拟。
3、Workbench 环境支持两种类型的应用程序： –本地应用(workspaces):目前的本地应用包括工项目管理，工程数据和优化设计 本机应用程序的启动，完全在Workbench窗口运行。 –数据综合应用: 目前的应用包括Mechanical, Mechanical APDL, Fluent, CFX, AUTODYN 和其他。 4、Workbench界面主要分为2部分： ---Analysis systems :可以直接在项目中使用预先定义好的模板。 ---Component systems :建立、扩展分析系统的各种应用程序。 ---Custom Systems : 应用于耦合(FSI,热应力,等)分析的预先定义好的模板。用户也可以创建自己的预定义系统。 ---Design Exploration : 参数管理和优化工具
钢砼组合结构PBH剪力键的疲劳性能 组合结构；剪力键；疲劳试验；疲劳寿命 ： PBH test model is designed and 240000 times fatigue tests were conducted to investigate the steel boxconcrete composite structure of PBH shear connector under repeated load fatigue performance. The fatigue failure pattern and test data are analysed. Take advantage of the finite element software to analysis the floor opening aperture，wear into the steel bar diameter， concrete strength influence of the PBH fatigue. Results showed that the PBH’s fatigue failure pattern is similar to static， which is concrete surface appear oblique splitting cracks，concrete tenor crushed， through the steel yield. Fatigue damage can be divided into beginning and development and damage three stages， the development stage accounted for 917% of the whole fatigue stage， structural stiffness in the beginning and development stages degradation slower，fast during the damage stage. Three parameters are of great influence on the fatigue life of PBH， among them through the bar diameter’s influence particularly prominent.
细解Ansys疲劳寿命分析 ANSYS Workbench 疲劳分析 本章将介绍疲劳模块拓展功能的使用: –使用者要先学习第4章线性静态结构分析. ?在这部分中将包括以下内容: –疲劳概述 –恒定振幅下的通用疲劳程序，比例载荷情况 –变振幅下的疲劳程序,比例载荷情况 –恒定振幅下的疲劳程序，非比例载荷情况 ?上述功能适用于ANSYS DesignSpacelicenses和附带疲劳模块的更高级的licenses. A. 疲劳概述 ?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 ?疲劳通常分为两类: –高周疲劳是当载荷的循环（重复）次数高(如1e4 -1e9)的情况下产生的. 因此，应力通常比材料的极限强度低. 应力疲劳（Stress-based）用于高周疲劳. –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。一般认为应变疲劳（strain-based）应该用于低周疲劳计算. ?在设计仿真中, 疲劳模块拓展程序（Fatigue Module add-on）采用的是基于应力疲劳（stress-based）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. …恒定振幅载荷 ?在前面曾提到, 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, 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. –否则，则称为变化振幅或非恒定振幅载荷
…成比例载荷 ?载荷可以是比例载荷, 也可以非比例载荷:–比例载荷, 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. 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.–相反, 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:?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?非线性边界条件