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。
平均应力影响疲劳寿命，并且变换在S-N曲线的上方位置与下方位置(反映出在给定应力幅下的寿命长短)：（1）对于不同的平均应力或应力比值，设计仿真允许输入多重S-N曲线(实验数据)；
（2）如果没有太多的多重S-N曲线(实验数据)，那么设计仿真也允许采用多种不同的平均应力修正理论。
早先曾提到影响疲劳寿命的其他因素，也可以在设计仿真中可以用一个修正因子来解释。
1.6 总结
疲劳模块允许用户采用基于应力理论的处理方法，来解决高周疲劳问题。以下情况可以用疲劳模块来处理：
恒定振幅，比例载荷(参考第二章)；
变化振幅，比例载荷(参考第三章)；
恒定振幅，非比例载荷(参考第四章)。
需要输入的数据是材料的S-N曲线：
S-N曲线是疲劳实验中获得，而且可能本质上是单轴的，但在实际的分析中，部件可能处于多轴应力状态。
S-N曲线的绘制取决于许多因素，包括平均应力，在不同平均应力值作用下的S-N 曲线的应力值可以直接输入，或可以执行通过平均应力修正理论实现。
第二章疲劳程序
2.1 基本情况
进行疲劳分析是基于线性静力分析，所以不必对所有的步骤进行详尽的阐述。
疲劳分析是在线性静力分析之后，通过设计仿真自动执行的。对疲劳工具的添加，无论在求解之前还是之后，都没有关系，因为疲劳计算不并依赖应力分析计算。尽管疲劳与循环或重复载荷有关，但使用的结果却基于线性静力分析，而不是谐分析。尽管在模型中也可能存在非线性,处理时就要谨慎了，因为疲劳分析是假设线性行为的。
在本章中，将涵盖关于恒定振幅、比例载荷的情况。而变化振幅、比例载荷的情况和恒定振幅、非比例载荷的情况，将分别在以后的第三和四章中逐一讨论。
2.1.1 疲劳程序
下面是疲劳分析的步骤，用斜体字体所描述的步骤，对于包含疲劳工具的应力分析是很特殊的：
模型
指定材料特性，包括S-N曲线；
定义接触区域(若采用的话)；
定义网格控制(可选的)；
包括载荷和支撑；
(设定)需要的结果，包括Fatigue tool；
求解模型；
查看结果。
在几何方面，疲劳计算只支持体和面，线模型目前还不能输出应力结果，所以疲劳计算对于线是忽略的，线仍然可以包括在模型中以给结构提供刚性，但在疲劳分析并不计算线模型。
2.1.2 材料特性
由于有线性静力分析,所以需要用到杨氏模量和泊松比：如果有惯性载荷,则需要输入质量密度；如果有热载荷,则需要输入热膨胀系数和热传导率；如果使用应力工具结果(Stress Tool result),那么就需要输入应力极限数据,而且这个数据也是用于平均应力修正理论疲劳分析。
疲劳模块也需要使用到在工程数据分支下的材料特性当中S-N曲线数据：数据类型在“疲劳特性”(“Fatigue Properties”)下会说明；S-N曲线数据是在材料特性分支条下的“交变应力与循环”(“Alternating Stress vs. Cycles”)选项中输入的。
如果S-N曲线材料数据可用于不同的平均应力或应力比下的情况, 那么多重S-N 曲线也可以输入到程序中。
2.1.3 疲劳材料特性
添加和修改疲劳材料特性
在材料特性的工作列表中,可以定义下列类型和输入的S-N曲线，插入的图表可以是线性的（“Linear”）、半对数的（“Semi-Log”即linear for stress, log for cycles）或双对数曲线（“Log-Log”）。
记得曾提到的，S-N曲线取决于平均应力。如果S-N曲线在不同的平均应力下都可适用的，那么也可以输入多重S-N曲线，每个S-N曲线可以在不同平均应力下直接输入，每个S-N曲线也可以在不同应力比下输入。
可以通过在“Mean Value”上点击鼠标右键添加新的平均值来输入多条S－N曲线。
2.1.4 疲劳特征曲线
材料特性信息可以保存XML文件或从XML文件提取，保存材料数据文件，在material条上按右键，然后用“Export …”保存成XML外部文件，疲劳材料特性将自动写到XML文件中，就像其他材料数据一样。
一些例举的材料特性在如下安装路径下可以找到：
C:\ProgramFiles\AnsysInc\v80\AISOL\CommonFiles\Language\en-us\Enginee ringData\Materials，“Aluminum”和“Structural Steel”的XML文件，包含有范例疲劳数据可以作为参考，疲劳数据随着材料和测试方法的不同而有所变化，所以很重要一点就是，用户要选用能代表自己部件疲劳性能的数据
2.1.5 接触区域
接触区域可以包括在疲劳分析中，注意，对于在恒定振幅、成比例载荷情况下处理疲劳时，只能包含绑定（Bonded）和不分离（No-Separation）的线性接触，
尽管无摩擦、有摩擦和粗糙的非线性接触也能够包括在内，但可能不再满足成比例载荷的要求。例如，改变载荷的方向或大小，如果发生分离，则可能导致主应力轴向发生改变；如果有非线性接触发生，那么用户必须小心使用，并且仔细判断；对于非线性接触，若是在恒定振幅的情况下，则可以采用非比例载荷的方法代替计算疲劳寿命。
2.1.6 载荷与支撑
能产生成比例载荷的任何载荷和支撑都可能使用，但有些类型的载荷和支撑不造成比例载荷：螺栓载荷对压缩圆柱表面侧施加均布力，相反，圆柱的相反一侧的载荷将改变；预紧螺栓载荷首先施加预紧载荷，然后是外载荷，所以这种载荷是分为两个载荷步作用的过程；压缩支撑（Compression Only Support）仅阻止压缩法线正方向的移动，但也不会限制反方向的移动，像这些类型的载荷最好不要用于恒定振幅和比例载荷的疲劳计算。
2.1.7 (设定)需要的结果
对于应力分析的任何类型结果，都可能需要用到：应力、应变和变形–接触结果(如果版本支持)；应力工具（Stress Tool）。
另外，进行疲劳计算时，需要插入疲劳工具条（Fatigue Tool）：在Solution
子菜单下，从相关的工具条上添加“Tools > Fatigue Tool”，Fatigue Tool
的明细窗中将控制疲劳计算的求解选项；疲劳工具条（Fatigue Tool）将出现在相应的位置中，并且也可添加相应的疲劳云图或结果曲线，这些是在分析中会被用到的疲劳结果，如寿命和破坏。
2.1.8 需要的结果
在疲劳计算被详细地定义以后，疲劳结果可下在Fatigue Tool下指定；等值线
结果（Contour）包括Lifes(寿命)，Damage(损伤)，Safety Factor（安全系数），BiaxialityIndication（双轴指示），以及Equivalent Alternating Stress（等效交变应力）；曲线图结果(graph results)）仅包含对于恒定振幅分析的疲劳
敏感性(fatigue sensitivity)；这些结果的详细分析将只做简短讨论。
2.2 Fatigue Tool
2.2.1 载荷类型
当Fatigue Tool在求解子菜单下插入以后，就可以在细节栏中输入疲劳说明：载荷类型可以在“Zero-Based”、“Fully Reversed”和给定的“Ratio”之间定义；也可以输入一个比例因子，来按比例缩放所有的应力结果。
2.2.2 平均应力影响
在前面曾提及，平均应力会影响S-N曲线的结果. 而“Analysis Type”说明了程序对平均应力的处理方法：
“SN-None”：忽略平均应力的影响
“SN-Mean Stress Curves”：使用多重S-N曲线（如果定义的话）
“SN-Goodman,”“SN-Soderberg,”和“SN-Gerber”：可以使用平均应力修正理论。
如果有可用的试验数据，那么建议使用多重S-N曲线(SN-Mean Stress Curves)；
但是，如果多重S-N曲线是不可用的，那么可以从三个平均应力修正理论中
选择，这里的方法在于将定义的单S-N曲线“转化”到考虑平均应力的影响：
1.对于给定的疲劳循环次数，随着平均应力的增加，应力幅将有所降低；
2.随着应力幅趋近零，平均应力将趋近于极限（屈服）强度；
3.尽管平均压缩应力通常能够提供很多的好处，但保守地讲，也存在着许多不利的因素(scaling=1=constant)。
Goodman理论适用于低韧性材料，对压缩平均应力没能做修正，Soderberg理论比Goodman理论更保守，并且在有些情况下可用于脆性材料，Gerber理论能够对韧性材料的拉伸平均应力提供很好的拟合，但它不能正确地预测出压缩平均应力的有害影响，如下图所示。
缺省的平均应力修正理论可以从“Tools > Control Panel：
Fatigue>Analysis T ype”中进行设置–如果存在多重S-N曲线，但用户想要使用平均应力修正理论，那么将会用到在σm=0或R=-1的S-N曲线。尽管如此，这种做法并不推荐。
2.2.3 强度因子
除了平均应力的影响外，还有其它一些影响S-N曲线的因素，这些其它影响
因素可以集中体现在疲劳强度(降低)因子Kf中，其值可以在Fatigue Tool的细节栏中输入，这个值应小于1，以便说明实际部件和试件的差异，所计算的交变应力将被这个修正因子Kf分开,而平均应力却保持不变。
2.2.4 应力分析
在第一章中，注意到疲劳试验通常测定的是单轴应力状态，必须把单轴应力状态转换到一个标量值，以决定某一应力幅下(S-N曲线)的疲劳循环次数。Fatigue Tool细节栏中的应力分量(“Stress Component”)允许用户定义应力结果如何与疲劳曲线S-N进行比较。6个应力分量的任何一个或最大剪切应力、最大主应力、或等效应力也都可能被使用到。所定义的等效应力标示的是最大绝对主应力，以便说明压缩平均应力。
2.3 求解疲劳分析
疲劳计算将在应力分析实施完以后自动地进行，与应力分析计算相比，恒定振幅情况的疲劳计算通常会快得多。如果一个应力分析已经完成，那么仅选择Solution或Fatigue Tool 分支并点击Solve，便可开始疲劳计算。在求解菜单中（solution branch）的工作表将没有输出显示，疲劳计算在Workbench中进行，ANSYS的求解器不会执行分析中的疲劳部分，疲劳模块没有使用ANSYS /POST1的疲劳命令(FSxxxx, FTxxxx)。
2.4 查看疲劳结果
对于恒定振幅和比例载荷情况，有几种类型的疲劳结果供选择：
Life（寿命）：等值线显示由于疲劳作用直到失效的循环次数，如果交变应力比S-N曲线中定义的最低交变应力低，则使用该寿命（循环次数）(在本例中，S-N 曲线失效的最大循环次数是1e6，于是那就是最大寿命。
Damage（损伤）：设计寿命与可用寿命的比值，设计寿命在细节栏（Details view）中定义，设计寿命的缺省值可通过下面进行定义“Tools > Control
Panel:Fatigue > Design Life。
Safety Factor（安全系数）：安全系数等值线是关于一个在给定设计寿命下的失效，设计寿命值在细节栏（Details view）输入，给定最大安全系数SF值是15。
BiaxialityIndication：应力双轴等值线有助于确定局部的应力状态，双轴指示（Biaxialityindication）是较小与较大主应力的比值(对于主应力接近0的被忽略)。因此，单轴应力局部区域为B值为0，纯剪切的为-1，双轴的为1。
等效交变应力(Equivalent Alternating Stress）：等值线在模型上绘出了部件的等效交变应力，它是基于所选择应力类型，在考虑了载荷类型和平均应力影响后，用于询问（query）S-N曲线的应力。
疲劳敏感性( Fatigue Sensitivity )：一个疲劳敏感曲线图显示出部件的寿命、损伤或安全系数在临界区域随载荷的变化而变化，能够输入载荷变化的极限(包括负比率)，曲线图的缺省选项，“Tools menu > Options…Simulation：Fatigue>Sensitivity”。
任何疲劳选项的范围可以是选定的部件（parts）和/或部件的表面，收敛性可用于等值线结果。收敛和警告对疲劳敏感性图是无效的，因为这些图提供关于载荷的敏感性(例如，没有为了收敛目的而指定的标量选项)。
疲劳工具也可以与求解组合一起使用，在求解组合中，多重环境可能被组合。疲劳计算将基于不同环境的线性组合的结果。
2.5 总结
a 建立一个应力分析(线性,比例载荷)
b 定义疲劳材料特性,包括S-N曲线
c 定义载荷类型和平均应力影响的处理
d 求解和后处理疲劳结果Solve
and postprocessfatigue results
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 Tool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 Tool 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。
第四章非比例载荷的疲劳分析
在第二章中,讨论了恒定振幅和比例载荷情况，本节将针对恒定振幅非比例载荷情况进行介绍。其基本思想是用两个加载环境代替单一加载环境，进行疲劳计算，不采用应力比，而是采用两个载荷环境的应力值来决定最大最小值。由于同一组应力结果不并不成比例，这就是为什么这种方法称为非比例
(non-proportional)的原因,但是两组结果都会使用到，由于需要两个解，所以可以采用求解组合来实现。
对于恒定振幅,非比例情况的处理过程与恒定振幅、比例载荷的求解基本相同,
除了下面所提出的以外:
1.建立两个带不同载荷条件的环境(two Environment )分支条。
2.增加一个求解组合分支条( Solution Combination branch)，并定义两个环境。
3.为求解组合(solution combination)添加Fatigue Tool (和其他结果) ,并将载荷类型定义“非比例”（Non-Proportional）。
4.(定义)所需的结果并求解。
4.1 建立两个载荷环境( two loading environments:)
这两个载荷环境可以有两组不同的载荷以模仿两载荷的交互形式(支撑也是一样)，例如，一个是弯曲载荷，另一个是扭转载荷作为两个环境(Environments)，这样的疲劳载荷计算将假定为在这样的两个载荷环境下的交互受载的。一个交互载荷可以叠加到静载荷上，例如，有一个恒定压力和一个力矩载荷。对于其中一个环境(Environment)仅定义恒定压力，而另一个环境定义为恒定压力力矩载荷。这就将模仿成一个恒定压力和交变力矩。非线性支撑/接触(supports/contact)
或非比例载荷的使用，例如，仅有一个压缩支撑，只要阻止刚体运动，那么两个环境应该反映的是某一方向和其相反的方向的载荷。
4.2 从模型分支条下增加一个求解组合( Solution Combination )
在工作表(Worksheet)中，添加用于计算的两个环境(Environments)。注意，系数可以是一个数值，只有一种情况除外，即结果是被缩放的。注意，两个环境将会很好地用于非比例载荷。从两个环境（Environments）产生的应力结果将决定对于给定位置的应力范围。
4.3 求解组合(solution combination)添加Fatigue Tool
“Non-Proportional”必须作为“Type”在Details 栏中定义。任何其他选项将把两个环境(two Environments)当作线性组合(见sectionB的结尾)，比例系数、疲劳强度系数(因子)、分析类型以及应力组分都可以进行相应地设置。
4.4 (定义)所需的其它结果并求解
对于非比例载荷，用户可能需要获得与作用在比例载荷情况下同样的结果。唯一的差别在于双轴指示(BiaxialityIndication)。由于所进行的分析是在作用在非比例载荷条件下，所以对于给定的位置，没有单个应力双轴性存在.应力双轴性的平均或标准偏差可以在Details栏中进行设置。
平均应力双轴性是直接用来解释的.标准偏差显示的是在给定位置的应力状态改变量.因此,一个小标准偏差值是指行为接近比例载荷；而大的标准偏差值，则是指在主应力方向上的足够变化。
在两个环境(two Environments)首先得到求解以后,疲劳求解将自动进行。
基于Workbench的复杂条件下底部钻具组合疲劳寿命分析
发表时间：2013-2-25 作者: 闫永丽杨秀娟闫相祯来源: 安世亚太
1 前言
近年来，随着钻井深度的增加以及各种钻井技术的迅速发展，对钻柱性能的要求越来越高。而且钻柱常在交变应力和井壁摩擦碰撞的恶劣条件下工作，使得钻柱成为旋转钻井设备中的薄弱环节。特别是在深井作业中及硬地层，容易发生失效事故，其中疲劳失效是主要的失效形式。计算钻柱疲劳寿命可以为钻柱使用和管理提供依据。由于钻柱的疲劳失效往往没有可以观察的预兆，事故通常会造成极大地经济损失。为此，有必要在钻柱的结构设计过程中利用仿真手段，对其进行疲劳分析，以便在研发的早期就发现设计中的不足，并寻求优化
方案，降低事故危险。本文在前人研究的基础之上，采用有限元方法建立模型，以实验数据为依据，运用ANSYS Workbench仿真分析平台对下部钻具组合（BHA）进行了疲劳特性分析，得到了疲劳寿命使用系数以及各种裂纹对应的疲劳寿命。
2 分析模型
2.1 模型的建立
正钻井过程中钻柱在狭长的井眼内运动，受力十分复杂，本文主要研究受到轴向应力和扭转剪应力的情况下，下部钻具组合的疲劳寿命分析，图1所示为其仿真模型图：
本文研究的钻具基本结构尺寸为：
17.5’’钻头（0.5m）+接头（0.5m）+钻铤（9m）2根+扶正器（2m）+钻铤（9m）1根。钻压为5t，扭矩为5。
2.2 参数的设置
在ANSYS Workbench中Static Structural下，设置求解参数。选择insert/最大等效应力来寻找钻具峰值应力出现的位置。选择insert/fatigue tool选项设置疲劳强度削弱系数为0.8；在分析类型中有Goodman（古德曼）、Gerber（杰柏）和Soderberg（索德柏格）三种，其中Goodman（古德曼）理论在疲劳设计中应用最广，所以本文选择Goodman理论对疲劳寿命进行估计；在Fatigue Tool中，选择insert/life、Damage、Safety Factor选项，设置BHA的疲劳寿命、疲劳累积损伤系数和安全系数，设定设计寿命均为1.0e6次循环。
3 疲劳分析及其结果
3.1 无裂纹的BHA的疲劳分析结果
在ANSYS Workbench有限元分析软件中，按照以上简化模型和参数的设置，对下部钻具组合（BHA）的疲劳失效分析进行求解。
分页
在Solution的stress中查看BHA的应力云图。由应力云图2可以看出，最大应力值出现在钻柱底部，与工程实际经验结论相符合。安全系数（Safety Factor）的定义是零件或构件所用材料的失效应力与设计应力的比值。如图3所示，在Fatigue Tool/Safety Factor中可查到的BHA的疲劳安全系数为6大于1，说明此钻柱是安全的。损伤（damage）结果是指设计寿命与可用寿命的比值。当损伤数值大于1时，说明产生疲劳破坏，如图可知损伤的数值为0.00083，所以该BHA是安全的。由图5可知，该BHA的在交变载荷作用下的疲劳寿命为1.2e+009次。
3.2 无裂纹的BHA的疲劳分析结果
有初始裂纹的钻柱与无初始裂纹的钻柱，其破坏机理不同，疲劳寿命也不同；对有裂纹
的钻柱，由于钻柱的初始裂纹形状不同，每种裂纹的应力强度因子不同，因此疲劳寿命也不同，尤其以表面线性裂纹的影响最大，所以应特别注意避免机械损伤钻柱的外表面。下面主要针对具有表面线性裂纹、深埋圆形裂纹、表面半椭圆裂纹和深埋椭圆裂纹的BHA进行了疲劳寿命的预测。
由上图可以看出，表面线性裂纹的下部钻具组合（BHA）的疲劳寿命计算结果为
3.09e+007次；深埋圆形裂纹的BHA的疲劳寿命计算结果为2.18e+008次；深埋椭圆形裂纹的BHA的疲劳寿命计算结果为1.01e+008次。表面半椭圆裂纹的BHA的疲劳寿命为
5e+007次。计算结果符合现场的使用情况。
3.3 裂纹长度对BHA寿命的影响
各种裂纹在某一次循环载荷的作用下都将发生扩展，随着裂纹的扩展，扩展后的裂纹尖
端的应力强度因子也将产生变化。这一变化按产生的原因可以分为两大类：第一类是自身几何尺寸的变化导致的应力强度因子的增大；另一类是由于自身以及其他裂纹几何尺寸的变化而导致的应力强度因子综合构形系数的变化。本文主要研究了第一类影响—裂纹长度的变化，对于钻柱疲劳寿命的影响。
图7所示为基于ANSYS Workbench的具有表面线性裂纹、深埋圆形裂纹、表面半椭圆裂纹和深埋椭圆裂纹的BHA的疲劳寿命随着不同形状裂纹长度的不同的变化曲线。由图可知，不管裂纹形状如何，下部钻具组合的疲劳寿命随着裂纹长度的增加都呈现降低的趋势。因此，在实际现场应用中，要尽力控制裂纹的扩展，延长钻柱的使用寿命。
4 结论
利用ANSYS Workbench对下部钻具组合进行疲劳仿真分析，得到以下规律：
（1）在分析钻柱受力的基础上，根据疲劳强度理论，建立了下步钻具组合的疲劳分析有限元模型；
（2）无裂纹的算例分析说明了，没有裂纹的情况下钻柱一般不会破坏，且钻柱的使用寿命最长为1.2e+009次；
（3）裂纹的形状不同以及埋深不同对于钻柱的疲劳寿命的影响都不同，本文主要针对具有表面线性裂纹、深埋圆形裂纹、表面半椭圆裂纹和深埋椭圆裂纹的BHA进行了疲劳寿命的预测，结果表明表面线性裂纹对于钻柱的疲劳寿命影响最小，表面半椭圆裂纹的影响最大；
（4）裂纹的扩展导致了裂纹尖端应力强度因子的变化，因此，不同裂纹的长度对于钻柱疲劳寿命的影响也是不同的，通过模拟得出：钻柱疲劳寿命随着裂纹的长度的增加呈降低的趋势。
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
a b a q u s与f a t i g u e结 合疲劳分析 公司标准化编码 [QQX96QT-XQQB89Q8-NQQJ6Q8-MQM9N]
Fatigue 分析实例 为如图1所示的中心孔板，材料为LY12-CZ ，板宽50mm,孔直径为8mm ，板厚1mm 。LY12-CZ 铝板弹性模量GPa E 68=，强度极限MPa b 482=σ。在板的两边施加1MPa 的均布拉应力。 图1 中心孔板结构示意图 1、应力计算结果与分析 对上述模型进行有限元计算，结果应力云图如图2所示。
图2 应力云图 2、*.Fil文件说明 *.fil文件是ABAQUS的一种二进制输出文件，供其他软件（如Patran）后处理使用，如生成X-Y曲线，制作二维表格等，可以输出的项目包括：单元、节点、接触面、能量、模态、梁截面等的输出信息，输出的方法是在INP文件中增加输出指令， 生成*.fil文件的步骤如下 对ABAQUS/Standard，可以直接输出.fil文件，步骤如下： 在inp文件中，step步骤之后， end step步骤之前，加上以下内容：
*NODE FILE RF,U,V **输出节点的作用力(RF)，位移(U,V)到*.fil中 *EL FILE S,E **输出单元应力(S)，应变(E)到*.fil中 在abaqus的job界面重新运行inp文件，即可得到对应的fil文件3、疲劳寿命估算 疲劳寿命估算需用到软件中的模块。如图3所示，位于的Tools菜单下，点击Main Interface即可进入模块主界面。 图3 在中进入界面
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
第三章疲劳载荷谱的统计处理 3.1 疲劳载荷谱的统计处理理论基础 3.1.1 数字化滤波 频率分析的典型参量是功率谱密度（PSD），如像确定频率为4Hz对应的幅值的均方根值，只需要求取功率谱密度下对应的3.5-4Hz之间的面积。 3.1.2 雨流计数法 循环计数法：将不规则的随机载荷-时间历程，转化为一系列循环的方法。 3.2 数据的导入与显示 （1）新建：File>New （2）导入：Tools>Fatigue Utilities>File Conversion Utilities>Covert ASCII.dac to Binary...>Single Channel（设置，注意Header Lines to skip要跳过的行数）>exit （3）查看：Tools>Fatigue Utilities>Graphic Display>Quick Look Display 1）放大：View>Window X，输入X的最值 2）读取：①左击任何位置，状态栏显示②数据轨迹：Display>Track 3）显示数据点：Display>Join Points；显示实线图：Display>Join 4）网格和可选坐标轴：Axes>Axes Type/Grid 5）显示某段时间信号的统计信息：Display>Wstats，放大 3.3 数字滤波去除电压干扰信号 （1）载荷时间历程的PSD分析 1）File>New 2）Tools>Fatigue Utilities>Advanced Load Utilities>Auto Spectral density （2）信号的滤波 1）Tools>Fatigue Utilites>Advanced Load Utilities>Fast Fourier Filtering 2）比较滤波前后结果：Tools>Fatigue Utilities>Graphic Display>Multi-file Display （3）滤波稳定性检查：比较前后PSD，多文件叠加显示 第四章应力疲劳分析 4.2 载荷谱块的创建与疲劳寿命计算 （1）创建载荷谱块：Tools>Fatigur Utility>Load Management>Add an Entry>Block program （2）疲劳分析：Tools>Fatigue Utilities>Advanced fatigue utilities>选方法 4.3 零部件疲劳分析 （1）导入有限元模型及应力结果：工具栏Import>Action、Object、Method，查看Results （2）疲劳分析 1）设置疲劳分析方法：工具栏Analysis，设置 2）设置疲劳载荷 ①创建载荷时间历程文件Loading info>Time History Manager ②将有限元分析工况与时间载荷关联：Loading Info>Load case空白>Get/Filte result...
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
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。
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。
疲劳分析软件ANSYS FE_SAFE 简介（转） 来源：刘兴兴的日志 ANSYS FE_SAFE 产品投放市场后，如果在耐久性方面出现问题将会造成许多新产品失去竞争力，给企业带来巨大的经济损失，同时又使企业形象蒙受巨大的负面影响。在中国，由于疲劳耐久性与可靠性不过关造成的产品问题更是普遍存在，是国产产品缺乏国际竞争力的最重要因素之一。国际上，每年因结构疲劳的原因，大量产品在其有效寿命期内报废，由于疲劳破坏而造成的恶性事故也时有出现。据统计，欧洲每年早期断裂造成的损失达800亿欧元，而美国每年早期断裂造成的损失达1190亿美元，其中95% 是由于疲劳引起的断裂。而通过应用疲劳耐久性分析技术，其中的50%是可以避免的，因此许多企业将疲劳耐久性定为产品质量控制的重要指标。 在传统的设计过程中，设计人员在概念或详细设计阶段通常使用简单而不真实的计算来估计产品的寿命，而对这些估计寿命的验证通常是通过一定量物理样机的耐久试验得到，不但试验周期长、耗资巨大，而且许多相关参数与失效的定量关系也不可能在试验中得出，试验结论还可能受许多偶然因素的影响。因此对于产品疲劳寿命的仿真分析方法越来越受到产品设计人员的关注。 ANSYS FE-SAFE是美国ANSYS公司与英国安全技术公司（SAFE TECHNOLOGY LIMITED）紧密合作的产品，是进行结构疲劳耐久性分析的专用软件。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参数实验和实际结构件的试验验证。 在产品设计阶段使用ANSYS FE-SAFE，可在物理样机制造之前进行疲劳分析和优化设计，真实地预测产品的寿命，实现等寿命周期设计。设计阶段的耐久性分析可以显著缩短产品推向市场的时间、提高产品可靠性，极大地降低制造物理样机和进行耐久性试验所带来的巨额研发费用。ANSYS FE-SAFE耐久性分析技术可广泛应用于从空间站、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。 疲劳分析及概念 >疲劳破坏的概念 当材料或结构受到多次重复变化的载荷作用后，在应力值虽然始终没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏。这种在交变载荷持续作用下材料或结构的破坏现象，就叫做疲劳破坏。 >疲劳破坏的特征 材料力学是根据静力试验来确定材料的机械性能（比如弹性极限、屈服极限、强度极限）的，这些机械性能没有充分反映材料在交变载荷作用下的特性。因此，在交变载荷作用下工作的零件和构件，如果还是按静载荷去设计，在使用过程中往往就会发生突如其来的破坏。 >疲劳破坏与传统静力破坏的本质区别
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.