常用结构疲劳分析软件的对比
结构的疲劳破坏是其主要的失效形式，结构的疲劳强度和疲劳寿命是进行结构抗疲劳设计、强度校核的重要内容。随着计算机技术和有限元技术的发展，结构疲劳分析方法在各个行业得到了广泛的应用，出现了多种疲劳分析软件。常见的有：FE-Fatigue、FE-safe、MSC-Fatigue、Nsoft系列和WinLIFE 软件。这些软件分别由不同的公司推出，其中FE-Fatigue和Nsoft软件是由英国的Ncode 公司推出的；MSC-Fatigue软件是由Ncode和MSC公司合作开发的疲劳分析软件；FE-safe软件是由英国的Safe Technology公司开发的；WinLIFE软件是由德国的Steinbeis TZ交通中心开发的。从以上可以看出，可以认为目前疲劳分析软件主要提供商是Nsoft公司、Safe Technology公司和Steinbeis TZ交通中心这三个单位。所以，我们把对比的对象选择为这三家单位的最新推出的疲劳软件，分别为：Ncode ICE filow系列的glyphwork、FE-safe 5.2版和WinLIFE 3.2版。
疲劳分析软件之间的差异主要表现在五个方面：操作、接口、可视化、功能和价钱。
疲劳分析软件一般作为有限元软件的后处理来进行结构的疲劳分析，需要把有限元的结果文件导入进行分析，和目前广泛使用的用限元软件的良好匹配是很重要的；疲劳分析软件是否能为工程师提供满意的解决实际问题的工具是一个十分关心的问题。所以在这里主要对比的内容是：接口和功能部分。操作和可视化也有所提及。至于价钱不在分析的范围之内。
1 三种软件接口的比较
1.1 Nsoft软件的接口
在Nsoft软件中，可以直接将有限元元软件的计算结果直接倒入到软件中，并能直接读出模型的材料和单元分组、以及应力的信息。并可以将导入的文件显示出来。
Nsoft软件中，可以直接导入的有限元软件及文件格式如下：?Patran/nastran的文件形式.op2
?I-DEAS的文件形式.unv
?ANSYS的文件形式.rst
?Pro/Mechanica的文件形式.neu
?ABAQUS的文件形式.fil
1.2 FE-safe 软件的接口
FE-safe 软件可以直接读入有限元软件的分析数据，例如应力、应变和温度等。
可以直接读入的软件的结果文件格式如下：
?ABAQUS软件的格式为：.fil文件、.ode文件
?ANSYS软件的格式为：.rst文件
?NASTRAN软件的格式为：.f06文件、.op2文件
?Pro/Engineer软件的格式为：.s01文件、s02文件等文件（应力）
?.d01文件（温度）
?SDRC I-DEAS软件的格式为：.unv文件
1.3 WinLIFE 软件的接口
WinLIFE 软件的合作者是NASTRAN(MAS.visual NASTRAN4 Windows)和NE/NASTRAN。这两个软件是采用FEMAP作为前处理和后处理的。这就决定了WinLIFE所能识别的数据的结构。其他有限元程序如果使用了FEMAP，都可和WinLIFE进行连接，不存在任何问题。
WinLIFE 3.2版软件提供了和NASTRAN软件、SDRC I-DEAS软件的文件交换界面。但在该软件的使用手册中只提供了和NASTRAN软件之间交互界面的安装。
在NASTRAN软件中安装WinLIFE-menu，将NASTRAN软件的有限元结果输出为WinLIFE的输入文件*.LST。
在这个输入文件中包含了节点的编号和节点的应力。
1.4 小结
从以上的内容可以看出，前两个软件和其他通用有限元软件的可以实现广泛的匹配使用，并且可以直接使用有限元软件的计算结果文件，可以在计算过程中实现自动搜索疲劳热点部位和每一单元或节点的损伤，并实现疲劳计算结果的可视化。第三个软件只能实现和Patran/Nastran的文件互换，需要人为动手实现有限元计算结果的导出。这对于软件的广泛应用将是不利的。
2 功能的比较
2.1 材料数据库的比较
高质量的材料数据是进行疲劳计算的根本保证。所以，各个疲劳软件都提供了强大的材料数据库。
2.1.1 nsoft软件的材料数据库
在nsoft软件中包含150种钢和铝合金的材料数据。这些数据包含的内容有：一般信息、单调拉伸数据、应变寿命和应力寿命数据、断裂力学数据和多轴疲劳的的数据。并且有专门的数据管理系统mdm，可以进行数据的加载、编辑、创建、删除以及绘图等的操作。
2.1.2 FE-safe软件的材料数据库
提供了常用材料钢、铝合金、体合金的疲劳性能数据。材料数据是根据其主要的使用环境来管理的。主要包含的材料疲劳性能有：一般数据信息、材料的说明、应变寿命曲线数据、稳态循环应力应变曲线、应力寿命曲线、失效概率、蠕变等的数据。对于这些数据同样可以进行编辑、绘图等的操作。
可以进行材料参考文件的链接。例如一个材料测试报告，通过设定路径可以建立链接来使用这些数据。并且可以建立网络链接。
2.1.3 WinLIFE软件的材料数据库
对于WinLIFE材料数据库的使用，需要安装Borland数据库引擎。材料数据库的内容包括：材料的描述、单调拉伸性能、循环性能、循环测试环境、化学成分。可以将测试的材料数据导入到软件中。也可以进行绘图、编辑等操作。
2.1.4 小结
从材料数据库方面来看，这三个软件中的前两个软件无论是在疲劳数据的管理还是包含的材料信息方面都比最后一个软件要强。但前两个软件是由英国推出的、最后一个软件是由德国推出的，所使用的材料的牌号都是本国的或是一些组织的牌号，如SAE的牌号。如果是中国用户使用的话，这些数据库所提供的材料参数的利用率就会大打折扣。
这三个数据库中所包含的材料性能数据不完全相同。主要是因为这些软件在功能上的不完全相同。WinLIFE软件不考虑温度和腐蚀环境对疲劳影响的情况，并且不包含线弹性断裂力学的分析部分，所以在数据库中就没有这方面的数据。
2.2 S-N曲线的产生方法和修正方法的比较
材料数据库中所给出的材料或进行实际测试的材料的S-N曲线数据是根据标准的光滑试件在对称横幅循环载荷下得到的。但在实际的结构中很难找到和标准试件完全相同的形状和使用环境的情况。实际的结构一般不是光滑试件，应力比也不是-1，尺寸大小也不尽相同，表面状态、载荷形式、加载频率也差异很大。如果要在实际的结构中使用材料的S-N曲线，就必须进行这些修正。
对于没有可用S-N曲线的材料，需要进行疲劳寿命的计算时，一般通过静强度的材料参数来估算S-N曲线。估算的方法和采用的材料参数，三个软件不尽相同。
本节主要对S-N曲线的估算方法和修正方法进行比较。
2.2.1 S-N曲线的估算方法的比较
2.2.1.1 Nsoft软件的S-N曲线估算方法
近似S-N曲线的产生仅仅依赖于极限拉伸强度，UTS。产生的方式如下表：循环应力
铁合金（钢） 1 1.0 X UTS
1000 0.9 X UTS
1000000 0.357 X UTS
钛合金 1 1 X UTS
1000 0.8 X UTS
1000000 0.307 X UTS
铝合金 1 1 X UTS
1000 0.7 X UTS
1000000 0.258 X UTS
其他合金 1 1 X UTS
1000 0.8 X UTS
1000000 0.274 X UTS
在软件的操作中只需要输入两个参数：材料的类型（钢、铝、钛、其他）和材料的拉伸强度极限，就可以得到材料的S-N曲线数据。
2.2.1.2 FE-safe软件的S-N曲线估算方法
这个软件认为S-N曲线近似等于局部应力应变法中的弹性部分：
斜率和可以通过coffin-manson关系式的估算得到。
对于coffin-manson关系式的估算，该软件把材料分为五种类型：钢（脆性）、钢（延性）、铝合金（脆性）、铝合金（延性）、钛合金。
需要输入的参数包括：材料类型、材料的拉伸极限强度和材料的弹性模量。
至于，coffin-manson关系式的估算在后面的局部应力应变法的计算中将会给出相应的计算方法。
2.2.1.3 WinLIFE软件的S-N曲线估算方法
该软件提供了三种S-N曲线的估算方法：Hauck方法、Haibach方法和FKM方法。这些方法和修正方法混合在一起不好区分。
该三种方法在用户手册中没有详细的讲出，具体的计算方法和计算过程不是很明确。
2.2.2.4 小结
三个软件采用了不同的方法给出近似的S-N曲线。存在的问题是：这三个软件给出的方法那个更好，需要进行分析；FE-safe软件给出的S-N曲线有很大的局限性；没有明确的给出这些方法是如何确定S-N曲线的疲劳强度的。
FE-safe软件给出的S-N曲线，仅适用于疲劳寿命在之间的结构的疲劳寿命计算。如果疲劳寿命小于的话，计算将存在很大的误差。
2.2.2 S-N曲线的修正方法的比较
由材料的S-N曲线到结构的S-N曲线一般需要进行修正。需要进行的修正包括：应力集中（理论应力集中系数、疲劳强度缩减系数）、尺寸大小、机械加工粗糙度、表面热处理（渗碳、渗氮、表面淬火等）、表面的冷处理（滚压、喷丸、挤压等）、载荷类型（拉压、剪、扭、弯）、加载频率、加载波形、平均应力等。一般认为加载频率和加载波形的影响很小，可以不考虑。
2.2.2.1 Nsoft软件的S-N曲线修正方法
?提供的修正系数包括
?疲劳强度缩减系数，用户设定
?表面状况，包括的内容有：no finish、Ground、Good machined、Average machined、Poor machined、hot rooled、forged、Cast、Water corroded、seawater corroded、user defined、unchanged。
?表面处理，包括：不进行处理、氮化处理、冷滚压处理、喷丸处理
?尺度系数，用户设定
?偏移量：用户设定，用于施加表面残余压应力
?小循环修正：haibach
?
2.2.1.2 FE-safe软件的S-N曲线修正方法
?提供了以下的修正系数：
?表面状况
?表面处理
?残余应力
?
2.2.2.3 WinLIFE软件的S-N曲线修正方法
?一条完整的S-N曲线的产生需要输入以下的参数
?材料类型：钢、铸铁、灰铁等
?计算模型：Hauck、Habach、FKM
?载荷类型：拉压、弯、扭、剪
?处理：没有处理，滚压/锻造
?拉伸强度
?屈服强度极限
?应力梯度
?应力集中系数
?表面粗糙深度
?安全系数
? 2.3 S-N曲线方法的比较
2.3.1 Nsoft软件的S-N曲线方法
Nsoft软件的S-N曲线方法采用的是线性方法，即有限元分析为线弹性分析。疲劳分析所采用的载荷和有限元分析中的载荷成一定的比例；
疲劳分析所采用的应力等于有限元分析的应力乘以疲劳载荷和有限元分析载荷的比值。然后按照一定的准则分析节点应力、单元应力。这些准则包括：最大应力准则、最大应变准则、mises准则、trseca准则等。可以进行单元的上表面、下表面和中面的疲劳分析。
对于进行了非线性分析的有限元模型，按照这样的计算将会得不到预定的要求的。
对于随机载荷的处理需要进行工作是：把随机载荷化简为恒幅载荷来处理。这就需要考虑材料的记忆效应。常用的而且已经被证明是有效的方法是通过雨流计数方法。通过雨流计数法后的数据一般不是均值为零的恒幅循环，所以还需要进行平均应力的修正。
该软件所采用的雨流计数方法为：四点雨流计数法，采用的ASTM 的方法
平均应力修正：Goodman、Gerber
所采用的累积损伤理论为：线性累积损伤理论
2.3.2 FE-safe软件的S-N曲线方法
和Nsoft软件的理论基本相同。
2.3.3 WinLIFE软件的S-N曲线方法
WinLIFE软件的S-N曲线方法不同于前两个软件的方法。它把S-N 曲线方法分为两种：名义应力法和局部应力法。名义应力法需要考虑应力集中系数的选取，局部应力法不用考虑应力集中系数的影响。其中局部应力法和前两个软件的方法相似。
因为这个软件在进行疲劳分析的时候可以选择的导入有限元软件的计算结果，所以可以进行名义应力法的计算。这个方法和传统的疲劳计算方法是一样的。在其中的一些常用的应力集中系数的选择方面，该软件还提供了简单的计算。
在对随机载荷进行处理的时候，该软件虽然采用了四点雨流计数
法，但它的雨流计数方法给出的结果不同于前两个软件。它给出的是载荷开始点，载荷结束点和数量组成的雨流矩阵。这样的做法必须给载荷进行分组。得到的只是一种近似的方法。
平均应力修正：Goodman、Gerber
所采用的累积损伤理论为：线性累积损伤理论
2.4 局部应力应变法的比较
2.4.1 疲劳性能参数的估计方法的比较
获得材料曲线的最好办法是进行控制应变下的疲劳试验。在无试验数据的情况下可利用材料的静拉伸性能来估算。常用的估算方法有：通用斜率法、四点关联法、Socie法、Seeger法等。不同的软件采用了不同的方法。通用斜率法、四点关联法、Socie法相比，四点关联法是最好的方法。
2.4.1.1 Nsoft软件的疲劳性能参数的估计方法
根据的是Baumel 和 Seeger 提出的方法。这种方法目前的使用范围被限制在低碳钢、中低合金钢、铝合金和钛合金。
钢铝/钛合金
-0.087 -0.095
0.35
-0.58 -0.69
0.15 0.11
2.4.1.2 FE-safe软件的疲劳性能参数的估计方法
该软件所采用的方法和Nsoft软件的方法相同。
2.4.1.3 WinLIFE软件的疲劳性能参数的估计方法
没有明确指出所采用的方法，但它的输入参数也是拉伸强度极限和弹性模量。所以采用的方法可能是Socie法，也可能是Seeger法。不可能是通用斜率法或四点关联法。因为这两种方法都需要材料的断口收缩率。
2.4.2 计算方法
对于完全依赖有限元软件计算结果的软件，一般都根据的是线弹性理论。认为载荷和应力、应变之间是线性关系的。所以在计算应变疲劳寿命的时候，根据这种线性关系直接就可以得到应力时间历程和应变时间历程。采用雨流计数方法考虑材料的记忆效应。根据线性累积损伤理论进行疲劳寿命的计算。其中Nsoft软件和FE-safe软件的局部应力应变计算方法都是采用这种方法的。
对于WinLIFE软件，它可以采用以上的方法进行局部应力应变法的计算，也可以采用Neuber方法进行计算。对于采用Neuber方法进行计算，需要解决的问题是：怎样将名义应力时间历程转化为局部的应力时间历程。采用雨流计数法来考虑这个问题的时，需要记录应力幅值的开始和结束应力。这在大的载荷谱的情况下是很麻烦的。这个软件的雨流计数方法可以解决这个问题。
所以，根据这种完全的线性的线性的方法，在材料已经达到非线性的情况下有可能高估了应力和应变，给出的结果将会偏于保守。
2.5 双轴疲劳和多轴疲劳计算方法的比较
一般情况下，把多轴疲劳的问题当作单轴疲劳问题来处理会得到偏于保守的结果。所以，疲劳软件都提供了用于计算多轴疲劳的模块。多轴疲劳是指疲劳损伤发生在多轴应力状态下，即两个或三个主应力（主应变）的方向和幅度随时间变化。Nsoft 软件和WinLIFE软件把这个功能分为双轴疲劳和多轴疲劳，FE-safe软件只提到了多皱疲劳。
多轴疲劳可以分为比例加载和非比例加载。在比例加载的情况下主要的模型有：最大主应力、Von Mises应力、最大切应力、Gough和Sines模型。非比例加载情况下的模型有：Findley和McDiarmid模型。
在这三个软件里面这些计算的方法是基本相同的。
2.6 焊接结构疲劳计算方法的比较
焊接结构是工程中常见的一种形式。由于焊接会产生应力集中、焊接缺陷和残余应力，使结构的疲劳强度降低。焊接根据不同的分类方式可以分为多种形式，在软件中分为了缝焊和点焊。缝焊包含的类型比较多，常见的对接焊、搭焊等都是缝焊。
点焊一般用于焊接汽车外壳。
2.6.1 缝焊
这三个软件都可以进行缝焊的分析。但是所根据的理论有所不同。在这一方面，Nsoft软件和几个企业进行过合作研究。在进行这一方面的疲劳分析时，这个软件可能要好一点。
2.6.2 点焊
只有Nsoft软件可以进行点焊的分析。这个功能已经被广泛用于汽车整个车体的疲劳评估。
2.7 对于载荷信号的产生处理能力的比较
Nsoft软件和FE-safe软件都有载荷信号的产生和处理功能。可以在软件中直接给需要进行疲劳分析的有限元计算结果加正弦、余弦、三角形波等比较标准的载荷形式。也可以对载荷信号进行除了雨流计数法以外的多种计数处理。虽然这些计数方式已经不经常使用了，但ASTM的计数法标准中仍然包括这些方法。对于WinLIFE 软件只包含了一个雨流计数处理方法。
以下2.8、2.9、2.10三个比较范围不是疲劳分析软件的重点部分。
2.8 热疲劳的计算
在进行一些受热部件的疲劳分析时，需要考虑热疲劳的影响，像发动机的活塞、气缸等。FE-safe软件有专门的模块来进行疲劳分析。Nsoft软件也可以进行这一方面的分析，但功能没有前一个软件强大。WinLIFE软件不能进行这一方面的分析。
2.9 频域疲劳计算功能的比较
一般通过应力（应变）时间历程进行的疲劳计算，可以认为是时域的疲劳计算。对于有些随机载荷，一般很难知道它随时间的变化情况，但功率谱密度可以很容易的获得。这种疲劳问题可以在频域范围内很容易结局。一般这种方法主要用来处理振动疲劳问题。
Nsoft软件和FE-safe软件可以进行这一方面的工作。WinLIFE没有这一方面的功能。
2.10 断裂力学方法的比较
一个完整的结构疲劳过程可以分为：裂纹的萌生和扩展。裂纹的萌生可以通过局部应力应变法来计算。裂纹的扩展采用断裂力学的方法来计算。计算裂纹扩展比较成熟的方法是线弹性断裂力学方法。
Nsoft软件和FE-safe软件提供了简单的线弹性断裂力学模块。WinLIFE没有这一方面的功能。
2.11 特有的功能模块
对于Nsoft软件和FE-safe软件的功能上面的叙述已经基本上全部包括了。
对于WinLIFE软件还有一个重要的模块没有介绍过。这个模块就是：齿轮和轴承模块。
可惜这个模块只有德语的说明。由于看不懂德语，对这个模块不是很了解。也许这个模块可以对计算齿轮和轴承的接触疲劳有很大的帮助。
3 操作和可视化的比较
从操作的方便性和可视化方面来考虑这些软件，可以认为存在这样的顺序：Nsoft软件、FE-safe软件、WinLIFE软件。
4 结论和建议
从上面几个方面的考察可以得出以下的结论：
1、Nosoft软件和FE-safe软件的功能相差不大。主要的差距在于没有点焊的疲劳分
析计算功能；
2、WinLIFE软件有自己的独特之处，它在S-N曲线的估算方面有一定的优势，但雨流
计数法的准确程度却依赖于一些参数的设定；
3、WinLIFE软件在借口方面比较单一，而且不能分析完整的和比较大的结构的疲劳
4、WinLIFE软件不能在软件中显示疲劳计算后的结果，可视化比较差。
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疲劳寿命分析方法 摘要：本文简单介绍了在结构件疲劳寿命分析方法方面国内外的发展状况,重点讲解了结构件寿命疲劳分析方法中的名义应力法、局部应力应变法、应力应变场强度法四大方法的估算原理。 疲劳是一个既古老又年轻的研究分支，自Wohler将疲劳纳入科学研究的范畴至今，疲劳研究仍有方兴未艾之势，材料疲劳的真正机理与对其的科学描述尚未得到很好的解决。疲劳寿命分析方法是疲分研究的主要内容之一，从疲劳研究史可以看到疲劳寿命分析方法的研究伴随着整个历史。 金属疲劳的最初研究是一位德国矿业工程帅风W.A.J.A1bert在1829年前后完成的。他对用铁制作的矿山升降机链条进行了反复加载试验，以校验其可靠性。1843年，英国铁路工程师W.J.M.Rankine对疲劳断裂的不同特征有了认识，并注意到机器部件存在应力集中的危险性。1852年-1869年期间，Wohler对疲劳破坏进行了系统的研究。他发现由钢制作的车轴在循环载荷作用下，其强度人大低于它们的静载强度，提出利用S-N 曲线来描述疲劳行为的方法，并是提出了疲劳“耐久极限”这个概念。1874年，德国工程师H.Gerber开始研究疲劳设计方法，提出了考虑平均应力影响的疲劳寿命计算方法。Goodman讨论了类似的问题。1910年，O.H.Basquin提出了描述金属S-N曲线的经验规律，指出：应力对疲劳循环数的双对数图在很大的应力范围内表现为线性关系。Bairstow通过多级循环试验和测量滞后回线，给出了有关形变滞后的研究结果，并指出形变滞后与疲劳破坏的关系。1929年B.P.Haigh研究缺口敏感性。1937年H.Neuber指出缺口根部区域内的平均应力比峰值应力更能代表受载的严重程度。1945年M.A.Miner 在J.V.Palmgren工作的基础上提出疲劳线性累积损伤理论。L.F.Coffin和S.S.Manson各自独立提出了塑性应变幅和疲劳寿命之间的经验关系，即Coffin—Manson公式，随后形成了局部应力应变法。 中国在疲劳寿命的分析方面起步比较晚，但也取得了一些成果。浙江大学的彭禹，郝志勇针对运动机构部件多轴疲劳载荷历程提取以及在真实工作环境下的疲劳寿命等问题，以发动机曲轴部件为例，提出了一种以有限元方法，动力学仿真分析以及疲劳分
焊接对钢结构疲劳的影响及预防措施 自从20世纪初涂药焊条发明至今100年来，焊接已经成为应用最广泛的工艺方法，很难找出另一种发展如此之快，并在应用规模和多样化方面能与焊接相比的工艺，以至于当代许多最重要的技术问题必须采用焊接才能解决，例如造船、铁路、汽车、航空、航天、桥梁、锅炉、大型厂房和高层建筑等都离不开焊接技术的支持。目前在工程生产上，焊接是最主要的连接方法，焊接结构的重量已占钢铁总产量的50%以上，工业发达国家的这一比例已经接近70%。然而焊接结构经常发生断裂事故，其中80%为疲劳失效。在我国，焊接结构因疲劳问题而失效的工程事例也不断出现。例如，90年代末，高速客车转向架中焊接接头的疲劳断裂，以及水轮机叶片根部的疲劳断裂等，都给国家和企业造成了巨大的经济损失。 所谓疲劳是指在循环应力和应变作用下，在一处和几处产生局部永久性积累损伤，经一定的循环次数后产生的裂纹或突然发生断裂的过程。疲劳断裂是金属结构断裂的主要形式之一。大量的统计资料表明，工程结构失效约80%以上是由疲劳引起的。钢结构的疲劳破损是裂纹在重复或交变荷载作用下的不断开展以及最后达到临界尺寸而出现的断裂。疲劳破坏的主要影响因素是应力幅、循环次数和应力集中。一般地说，疲劳破坏经历三个阶段：裂纹的形成，裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂。对于钢结构.实际上只有后两个阶段，因为结构总会有内在的微小缺陷，这些缺陷本身就起着裂纹的作用疲劳破坏的起始点多数在构件的表面。对非焊接构件，表面上的刻痕、轧钢皮
的凹凸、轧钢缺陷和分层以及焰割边不平整，冲孔壁上的裂纹，都是裂源可能出现的地方。对焊接构件，最经常的裂源出现在焊缝趾处，那里常有焊渣侵入。有些焊接构件疲劳破坏起源于焊缝内部缺陷，如气孔、欠焊、夹渣等。 一、影响焊接疲劳强度的主要因素 1．应力集中对疲劳强度的影响 影响焊接结构几何不连续性的因素，都将影响应力集中和疲劳强度。 (1)焊接结构的几何形状结构上几何不连续的部位都会产生不同程度的应力集中。结构的截而变化幅度越大，产生的应力集中越大，结构的疲芳强度越低。 (2)焊接接头形式在接头部位由于传力线受到干扰，因而发生应力集中现象。对接接头的力线干扰较小，因而应力集中系数较小，其疲劳强度也将高于其他接头形式。十字接头或T形接头在焊接结构中得到了广泛的应用。这种承力接头中由于在焊缝向基本金属过渡处具有明显的截而变化，其应力集中系数要比对接接头的应力集中系数高，因此十字或丁形接头的疲劳强度要低于对接接头。提高丁形或十字接头疲劳强度的根本措施是开坡口焊接，并加工焊缝使之圆滑过渡，通过这种改进措施.疲劳强度可有较大幅度的提高。 (3)焊缝局部几何形状的影响焊缝局部几何形状的变化，对焊接结构的疲劳强度将产生十分明显的影响。在一定范围内，余高越大，应力集中系数越大，缺口效应越大，疲劳强度降低。很多人错误的认
疲劳载荷处理软件（LMS T ecWare）技术指标 ?系统要求 -操作系统：WindowsNT/2000， HP UX， SGI， Sun 工作站 ?任务管理和载荷时间历程管理（T ecW are Kernel 模块） -同时读入不同格式的多个文件中的任意多个时间历程，单个或多个同时显示、编辑 -时域信号编辑功能：同时对多个通道进行积分、微分、时间段剪切/粘贴、偏移/零点漂移初步矫正、数据平滑、函数生成时间历程信号、自动选择时间段… -可轻松地将时域信号在几种格式之间相互转换 -袖珍计算器和逻辑操作功能，根据数学函数生成时间历程 -桌面管理器用来管理所有数据对象并监控分析任务 -结果自动添加到当前桌面管理器中 -完全可自定义的用户界面（如菜单、按扭等） ?疲劳计数（T ecW are FatiCount 模块） -Rainflow（雨流），Range pair（程对）、level crossing（穿级）, symmetrical level crossing（对称穿级）, Peak Count（峰值计数）III … -一次批作业设置可以处理多个时间历程和通道 -交互式设置处理参数 -预定义的通用参数（滤波带宽、分级数、结果储存方案等） ?基于雨流矩阵的基本编辑和处理、重构为时间历程（T ecW are RainEdit 模块） -编辑雨流矩阵和雨流计数留数：改变分级大小和个数，对行/列/点/对角线进行计数值的修改/删除 -基于雨流矩阵的时间历程重构，进行加速模拟试验 ?基本的疲劳寿命估计(Falancs Strain & Stress 模块) -根据应变时间历程和材料特性计算该点的疲劳寿命，可以是应变片测得的时间历程 -根据载荷时间历程、应力集中系数和材料特性计算该点的疲劳寿命 -应力法和应变法多种损伤准则、均值校正 -可更改材料特性并存为新材料 ?基于雨流矩阵的载荷组合和外推（T ecW are RainExtra模块） -雨流矩阵的组合、叠加、差别比较等 -由短的时间历程生成雨流，外推到更长的使用工况 -扩展为更苛刻的载荷数据（更粗暴的驾驶员、更恶劣的试验路段等） ?耐久性试验信号处理(TecW are durability signal processing 模块) -提供处理时域信号常用的谱分析和附带交互式滤波器设计工具的频率滤波功能 -快速富氏变换（FFT）和逆变换，功率谱密度函数、频率响应函数、相干函数 -交互式滤波器设计工具：低通、高通、带通和组合式 ?高级耐久性试验信号处理(TecW are Advanced durability signal processing 模块) -检测信号异常、显示时域信号趋势。突出显示不正确的数据段，自动进行信号净化。 -自适应尖峰检测 -消除信号漂移 -逐帧信号分析 ?用多轴雨流技术进行多轴载荷分析（T ecW are MultiRain 和MultiRain Extension 模块） -把雨流矩阵扩展到包含相位影响的多轴向载荷分析 -叠加、外推为更长的测量数据，并重构为时间历程。基于雨流的所有著名的单轴向方法都扩展到多轴向。 ?多轴载荷的雨流投影滤波器(T ecW are RP filter 模块) -设定幅值大小，多通道统一滤波，显著缩短时间历程的长度，保持多轴载荷的相位特征 -保留频率特性，或者把能量损失限制在用户定义的频段内 -时间窗技术，用于保留窗内的频率特性 -试验预处理算法在需要时可以降低信号的斜率或频率
文章编号:167325196(2008)0420170203 柔性结构疲劳寿命的预测方法 董黎生,程 迪 (郑州铁路职业技术学院机车车辆系,河南郑州 450052) 摘要:讨论柔性构架结构疲劳寿命的预测方法,建立刚柔耦合多体动力学模型,计算结构危险点的动载荷时间历程;利用有限元准静态分析法,获得应力影响因子;利用模态分析技术获得结构固有频率和模态振型,确定结构的危险点位置。基于危险应力分布的动载荷历程,结合材料特性曲线以及线性损伤理论,进行标准时域的柔性结构应力应变的循环计数,损伤预测和寿命估计.应用该方法对构架结构进行疲劳寿命预测,结果表明,该预测方法预测精度有效,可以有效提高结构耐久性设计质量. 关键词:多体系统;柔性结构;有限元;疲劳寿命预测 中图分类号:O346 文献标识码:A Prediction method of fatigue life of flexible structure DON G Li2sheng,C H EN G Di (Locomotive and Rolling Stock Depart ment,Zhengzhou Railway Vocational&Technical College,Zhengzhou 450052,China) Abstract:Prediction met hod of fatigue life of flexible f ramed st ruct ure was discussed,dynamic model of rigidity2flexibility co upled multi2body was established,and time history of dynamic load at t he critical point of t he st ruct ure was comp uted.Influential factors of st resses were obtained by using t he finite element analysis met hod for quasi2static conditions.The nat ural frequency and vibration modes of t he struct ure as well as t he location of it s critical point were determined by using t he model analysis technique.Based on t he dynamic load history of critical st ress distribution and employing t he material characteristic curves and it s linear damage t heory,t he cyclic counting of stresses and st rains,damage p rediction,and life estimation of t he flexible st ruct ure were performed in standard time domain.The fatigue life prediction of t he f ramed st ruct ure was conducted wit h t his met hod and it was shown by t he result t hat t he prediction accuracy was valid and t he design quality of struct ure durability would be effectively imp roved. K ey w ords:multi2body system;flexible st ruct ure;finite element;fatigue life prediction 预测结构寿命最有效方法是通过室内工作台或线路耐久性试验获得危险点的动应力历程数据.对一些复杂结构,要在室内进行耐久性试验几乎是不可能的.而在实际线路上进行耐久性试验,耐久性试验费用昂贵,试验周期也长,受到运行路线和时间等诸多条件限制,只能在有限的线路和时段内进行构架结构危险部位的动应力测试,进而通过应力应变数据的有效采集和雨流法统计处理,最后根据相关损伤累计理论进行结构寿命估计. 文献[1]中首次在国内外提出通过动力学仿真及有限元分析混合技术手段进行车体结构疲劳寿命 收稿日期:2008202229 作者简介:董黎生(19622),男,山西万荣人,副教授.的评估.就机车车辆而言,在运行过程中反复承受随机轨道不平顺传递的持续小幅振动载荷、过曲线、过道岔以及启动制动时的冲击等复合载荷的作用,导致结构关键部位,如关键位置处的焊接接头以及焊接区域局部应力集中发生,从而导致裂纹萌生和扩展等结构疲劳现象的发生.针对这些疲劳问题,现场一般采用设置局部加强筋、开设止裂板等措施来提高其局部静强度和分化应力集中导致的影响.但是这些措施并没有从整车系统动态特性的角度考虑问题,因此可能再次导致结构刚度的分布不均,从而使得结构其他部位再次出现新的疲劳问题.在文献[1～8]的基础上,本文提出一种柔性结构疲劳寿命的预测方法,对机车车体结构进行寿命预测. 第34卷第4期2008年8月 兰 州 理 工 大 学 学 报 Journal of Lanzhou University of Technology Vol.34No.4 Aug.2008
钢结构事故中的疲劳破坏及腐蚀破坏 摘要：本文分析了铜结构疲劳破坏及腐蚀破坏的原因，近而提出了提高和改善铜结构构件疲劳及腐蚀的措施， 关键词:钢结构；疲劳；腐蚀；破坏 引言 钢结构相较于混凝土结构具有质量轻、塑性韧性好、易于采用工业化生产等优点，近年来在工民建，铁路，桥梁等结构中被大量采用。然而钢结构在受到交变荷载的作用下极易产生脆性破坏，特别在承受行车动荷载的桥梁结构中此问题更为明显，在一定程度上阻碍了钢结构的发展。鉴于此，本文在分析疲劳破坏及腐蚀破坏原因的基础上重点介绍工程设计预防疲劳破坏及腐蚀破坏的措施，以此来避免此问题的产生。 一，钢结构疲劳破坏 钢结构的疲劳破坏是裂纹在重复或交变荷载作用下的不断开裂以及最后达到临界尺寸而出现的断裂。此类破坏属脆性破坏。由于在破坏发生前几乎观察不到构件的塑性发展过程。没有破坏的征兆，然而一旦破坏后果严重，所以工程设计的任何一个领域无一例外的都要避免。疲劳破坏经历三个阶段：裂纹的形成，裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂。对于钢结构，实际上只有后两个阶段，因为在钢材生产和结构制造等过程中，不可避免地在结构的某些部位存在着局部微小缺陷，如钢材化学成分的偏析、非金属杂质；非焊接构件表面上的刻痕、轧钢皮的凹凸、轧钢缺陷和分层以及制造时的冲孔、剪边、火焰切割带来的毛边和裂纹在静荷载下，具有初始裂纹的构件当应力水平达到临界应力时才会出现失稳扩展，导致破坏。而承受交变荷载的构件经历裂纹的缓慢扩展过程最终达到破坏时，破坏应力还远小于静荷载作用时的临界应力。 钢结构疲劳分析时，习惯上当循环次数N<105时称为低周疲劳：N>105时称为高周疲劳。如果钢结构构件的实际循环应力特征和实际循环次数超过设计时所采取的参数，就可能发生疲劳破坏。此外影响钢结构疲劳破坏的原因还有：结构构件中有较大应力集中区域：所用钢材的抗疲劳性能差：钢结构构件加工制作时有缺陷其中裂纹缺陷对钢材疲劳强度的影响比较大：钢材的冷热加工、焊接工艺所产生的残余应力和残余变形对钢材疲劳强度也会产生较大影响。 二，抗疲劳的措施 出疲劳性能的影响因素来看，应力幅及循环次数是客观存在的事实，因此，提高和改善疲劳性能的途径只有从减小应力集中人手。具体措施如下： 1选材 对用于动载作用的钢结构或构件，应严格控制钢材的缺陷，并选择优质钢材。 2设计措施 (I)力求减少截面突变，避免焊缝集中，使钢结构构造做法合理化。 (2)要避免多条焊缝相互交汇而导致高额残余拉应力的情形。尤其是三条在空间相互垂直的焊缝交于一点，造成三轴拉应力的不利状况。对于加劲肋应与受拉翼缘不焊接，且保持一段距离。对于连接横向支撑处的横向加劲肋，可以把横向加劲肋和受拉翼缘顶紧不焊，且将加劲肋切角，保持腹板与加劲肋50～lOOr砌不焊。 三，钢结构腐蚀破坏 普通钢材的抗腐蚀能力比较差，这一直是工程上关注的重要问题。腐蚀使钢结构杆件净截面面积减损，降低结构承载力和可靠度，腐蚀形成的“锈坑”使钢结构脆性破坏的可能性增大，尤其是抗冷脆性能下降。一般来说钢结构下列部位容易发生锈蚀：经常干湿交替又未包混凝
联合 ANSYS WORKBENCH和DESIGNLIFE进行疲劳分析 分类： CAE 疲劳分析 ansys 疲劳失效是机械零部件失效的主要形式。如何对这些结构进行有效的疲劳分析，引起了很多产品设计工程师的关注。对于一般零部件的疲劳分析，并没有理论公式可以解决，几乎都是依据有限元技术以及疲劳分析技术。因此联合有限元分析软件和疲劳分析软件，对这些零部件进行疲劳分析，是解决这类问题的有效途径。 ANSYS WORKBENH是世界上著名的以多物理场分析为特色的有限元分析软件，而DESIGNLIFE是NCODE公司的功能强大的疲劳分析软件。本文以材料力学中中一根变截面轴的弯扭组合的疲劳分析为例，说明如何联合这两款软件对之进行疲劳分析。 问题描述如下： 一根变截面轴，左边轴段（蓝色部分）固定，而在最右边轴段上（红色部分）施加一个1N 的集中力（它导致弯曲变形）和一个1000Nmm的集中力偶（它导致扭转变形）， 对于这两种载荷的时间历程，使用力传感器进行测定94秒，得到如下图所示的时间历程曲线。 上图中的红色曲线图反应了集中力随时间的变化规律，横坐标是时间，单位是秒，这里测试了94秒。而纵坐标是载荷的大小。从图中可以看出，最大的载荷是18KN左右，而且也可
以看到，载荷的变化很不规则，并非理想的循环方式。而蓝色曲线反应的是集中力偶随时间变化的规律，其幅值在-2717到2834之间改变。 该轴的材料已经给定，是碳钢SAE1045_390_QT. 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。
不同钢结构疲劳强度分析 发表时间：2017-08-31T10:20:36.993Z 来源：《电力设备》2017年第12期作者：孙晓丽赵娜马连凤李晓莉刘谆 [导读] 摘要：随着生产和加工工艺的不断提高，高强度钢材钢结构已经开始在各种电器柜中得到应用，并取得了良好的效益。由于在材料力学性能 （中车永济电机有限公司） 摘要：随着生产和加工工艺的不断提高，高强度钢材钢结构已经开始在各种电器柜中得到应用，并取得了良好的效益。由于在材料力学性能、加工工艺、初始缺陷影响等方面的差别，高强度结构钢材构件的整体稳定性能与普通强度钢材有明显不同。 关键词：疲劳强度；屈服极限；疲劳寿命 1 、概述 钢材的生产工艺与构件的加工工艺是推动钢结构发展的重要因素，钢材力学性能的提高，能够提升钢结构构件的受力性能、安全性能以及钢结构整体的使用功能；同时，实际应用的不断创新也会促进钢结构的发展，这就对钢材的力学性能提出了新的要求，特别是要求结构材料应具有更高的强度。在这一背景之下，采用新的生产冶金工艺开发出了新型高强度结构钢材，先进的加工工艺特别是焊接技术以及与高强度钢材相匹配的焊接材料也陆续出现，高强度结构钢材具备了应用于实际电器柜的基本条件。本文的研究对象主要针对强度等级在420MPa 及以上的新型高强度结构钢材中厚板材（即板厚<40mm）构件。 2、疲劳的定义及特征 疲劳破坏是指材料或结构在循环交变应力或者循环交变应变的作用下,由于某点或某些点所在的部位发生局部永久性结构变化,在经历一定的循环次数后形成裂纹并最后发生断裂的现象,即在交变载荷重复作用下材料或者结构的结构破坏现象。经过人们长期的经验积累和对疲劳破坏事故的认真考察,疲劳破坏的显著特征己初步为人们所掌握,这些特征使疲劳破坏与传统的静力破坏、腐蚀破坏以及其他破坏形式相区别,给人们对事故的分析带来方便。具体的特征包括:长期性、非屈服性、难以预测性、局部性、影响因素多样性、端口形貌特殊性。 疲劳破坏的过程大致就可以描述为以下的“恶性循环阶段”: 应力集中一一争疲劳裂纹出现一一争裂纹尖端新的应力集中一一卜裂纹扩展一一卜构件发生 断裂。 3、影响结构疲劳强度的因素 构件在某一循环载荷下工作时,构件应力值的大小为一般用S来表示。当构件的应力水平S低于某一个应力限度值的时候,如果构件可以在该应力水平作用下承受无限次循环而不发生疲劳破坏,则该应力限度值为材料或者构件的“疲劳极限”。疲劳失效之前机械零部件所经历的应力或者应变循环次数称为“疲劳寿命”,一般用N表示,前面所提到的“韦勒曲线”或者“疲劳曲线”是表示应力幅Sa或者最大应力Sma、与疲劳寿命N之间关系的一种表达方式。一般我们从标准或者书上所查到的一些材料的疲劳极限和S一N曲线,只能代表标准光滑试样的疲劳性能,称之为“中值S一曲线”。但实际零部件的尺寸、形状和表面情况等是多样的,与标准试件存在一定程度上的差别,所以实际构件的疲劳强度、疲劳寿命与标准试样之间也存在一定的差距。 影响结构疲劳强度的因素主要有:形状,尺寸,表面状况,平均应力,腐蚀介质和温度等等,本节主要介绍与本论文相关的因素即形状、尺寸、表面加工方法对材料疲劳强度的影响。 4、理论计算 在钢结构梁的设计中要让力有很好的传导闭合性，就要充分的发挥每个梁的支撑作用。对4mm和6mm钢板的截面模量计算如下： 对安装梁截面模量计算如下： 4mm钢板 6mm钢板 4mm内部加6mm钢板 通过计算4mm钢板对于x-x抗弯截面模量Wx=4.0612cm3 6mm钢板对于x-x的抗弯截面模量Wx=5.8505cm3 4mm内部增加两块6mm钢板后对于x-x的抗弯截面模量Wx=4.0612+1.681*2=7.4232cm3 根据最大弯曲正应力的计算公式：σmax=M/WX 可见，最大弯曲正应力与弯矩成M正比，与抗弯截面模量Wx成反比，当M不变时，Wx越大，所受的最大弯曲正应力越小，根据以上3种情况可以看出，第3种的抗弯截面模量Wx为7.4232cm3，较第1种增加了将近1倍。 5、实验分析 运用计算机分析软件ANSYS分别对4mm钢板折弯，6mm钢板折弯，4mm钢板折弯内侧加焊6mm钢板， 5mmQ235A槽钢进行了最大
媒体文章 结构疲劳分析技术新进展 安世亚太 雷先华 众所周知，疲劳累积损伤是导致航空产品结构失效的主要原因之一，而结构失效往往给航空器带来灾难性后果，因而在现代航空产品设计中通常要求进行较为准确的结构疲劳寿命预测。由于疲劳的形式和影响结构疲劳的因素都非常繁多，因而并没有一套放之四海而皆准的疲劳寿命预测算法，多数算法都只能在某些特定情况下才能获得满足工程精度要求的预测结果。现代疲劳分析软件通常需要在通用疲劳算法的丰富性和先进性（核心）、有限元应力应变计算的准确性和精确性（基础）、以及针对特殊疲劳问题进行处理的方法多样性和完整性（全面）等方面进行持续不断的改进方能较好地满足工程设计的要求。下面我们以安世亚太高级疲劳分析软件Fe-safe为例，简要阐述其在这些方面的新进展。 1．基于临界平面法的精确多轴疲劳算法 航空器上的零部件通常都是在多轴疲劳载荷作用下工作，此时，材料的循环应力应变关系由于受到加载路径的影响而变得相当复杂。目前，多轴疲劳破坏的准则主要有三大类：应力准则、应变准则和能量准则。众多分析及试验对比证明，组合最大剪应变和法向应变的Brown-Miller准则和Wang-Brown准则对于韧性材料具有最好的计算精度，而主应变准则则适合于脆性材料。 对于航空结构中常见的、而且是最复杂的多轴非比例加载情况，由于载荷间的相位关系在不断变化，结构中每个位置点处的主应力/应变、最大剪应力/应变等参数的方向（所在平面）都是随加载历程而不断变化的，也就是说损伤累积在每个位置处都有方向性。对于很多软件所采用的Wang-Brown准则，它无法直接考虑这种方向变化性，只是利用了一个附加的材料参数来考虑法向应变对裂纹萌生的影响。 Fe-safe独特地提供了“临界平面”算法来配合Brown-Miller准则、主应变准则等，以获得最好的计算精度。临界平面法的核心思想是：将每个位置处的应变分解到按某种规律变化的一系列平面上，计算每个平面上的损伤，以这些平面中的最小寿命作为该位置的寿命。 2．独特的焊接结构疲劳算法 焊接连接是航空器上非常常见的结构连接方式，在航空结构设计中具有非常重要的地位，但焊接部位同时也是最容易产生疲劳裂纹问题的位置。现有疲劳分析软件几乎无一例外都是按照“焊接分类”（如英国BS7608标准）的方法来进行焊接结构疲劳分析的，该方法在大量工程实例的基础上根据预期的疲劳裂纹位置而将焊接结构分为数个类型（B、C、D、E、F、F2、G、W等），每个类型对应一条相互平行的S-N曲线用于疲劳评估。因此，在焊接结构疲劳分析中存在两个主要问题极大地影响了其工程应用：一是焊接分类的标准难以把握（事实上焊接类型是无穷多的）；二是由于焊接位置通常都是应力集中位置，难以精确计算应力分布。
首先要明确我们大体上遇到的疲劳问题均为高周疲劳问题（当然不排除个别如压力容器和燃气轮机的零件疲劳问题），应力水平较低，破坏循环次数一般大于十的四次方或五次方。疲劳设计和寿命预测方法一般有无限长寿命设计法和有限寿命设计法。无限寿命设计法使用的是S-N曲线的右段水平部分（疲劳极限），而有限寿命设计法使用的是S-N曲线的左段斜线部分。有限寿命设计的设计应力一般高于疲劳极限，这时就不能只考虑最高应力，而要按照一定的累积损伤理论估算总的疲劳损伤。 大多数零件所受循环载荷的幅值都是变化的，也就是说，大多数零件都是在变幅载荷下工作。变幅载荷下的疲劳破坏，是不同频率和幅值的载荷所造成的损伤逐渐积累的结果。因此，疲劳累计损伤是有限寿命设计的核心问题。 一般常用三种累积损伤理论，其各自适用范围如下： 线性疲劳累积损伤理论适合于高周疲劳寿命计算，可较好地预测疲劳寿命均值。线性累计损伤理论指的是损伤积累与循环次数成线性关系，包括Miner法则和相对Miner法则；Miner 理论的表达式为（D为损伤） 修正的线性疲劳累积损伤理论适合于低周疲劳寿命计算； 而非线性疲劳累积损伤理论对二级加载情况的疲劳寿命估算比较有效。非线性累计损伤理论包括损伤曲线法和Corten-Dolan理论。 要注意的是，只有当应力高于疲劳极限时，每一循环使结构产生一定量的损伤，这种损伤是累积的；当应力低于疲劳极限时，由于此时N将无穷大，因此，它的循环便不必考虑。 国内外常用的疲劳设计方法-安全寿命法的具体步骤为： 1. 得到用于疲劳计算的载荷谱； 2. 计算构件各位置的应力历程； 3. 利用计数法（如雨流法）将应力历程整理为不同应力幅及其相应的循环次数； 4. 由S-N曲线得到应力幅对应的使用极限； 5. 利用累积损伤理论（如Miner准则）计算总损伤； 6. 计算安全寿命Ts=TL/D MSC.Fatigue软件与此方法结合的很好，然而，有限元法解决实际工程中的疲劳问题还有一些问题： 1. 目前疲劳理论对于材料微裂纹的形成和扩展过程中的某些效应无法全面彻底地分析其机理，因此在此基础上发展而来的各种方法在某些情况下可能导致结果误差很大； 2. 各种疲劳分析有限元法对应力类型及作用方式十分敏感，而实际工程中这些因素往往无法精确得到，造成结果分散性相当大； 3. 很难预先判断易发生疲劳破坏的危险区域，而想要对其中所有可能发生初始裂纹的节点进行细化建模分析目前显然不太现实； 4. 不确定因素如载荷时间历程的复杂性、模型试验结果的分散性、残余应力及腐蚀影响等，可能导致结果与实际情况存在量级上的偏差。 对于常用的疲劳分析软件Fatigue，其自带三种分析方法适用范围如下： 1. S-N曲线总寿命分析法： 疲劳寿命相当长的结构，且很少发生塑性变形； 裂纹初始化及裂纹扩展模型不适用的结构如复合材料、焊接材料、塑料以及一些非钢结构；已有针对结构的大量现成S-N数据的情形； 焊接热点区域疲劳分析以及随机振动引发的疲劳问题。 2. 适用裂纹初始化分析法的情形： 基本没有缺陷的金属构件；
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
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。 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
问题1：ANSYS后处理疲劳功能与ANSYS/Fe-safe疲劳功能的关系是什么？ 回答1：ANSYS后处理疲劳功能是依据线性累积损伤理论，利用S-N曲线、应力时间历程以及雨流计数技术直接计算疲劳寿命使用系数，属于简单的名义应力疲劳寿命评估，对疲劳的影响因素的考虑有限，适用于粗略估算。ANSYS/Fe-safe则是专用的高级疲劳分析模块，采用先进的单/双轴疲劳计算方法，允许计算弹性或弹塑性载荷历程，综合多种影响因素（如平均应力、应力集中、缺口敏感性、（焊接成型等）初始应力、表面光洁度、表面加工性质等），按照累积损伤理论和雨流计数，根据各种应力或应变进行疲劳寿命和耐久性分析设计，或者根据疲劳材料以及载荷的概率统计规律进行概率疲劳设计以及疲劳可靠性设计，或者按照断裂力学损伤容限法计算裂纹扩展寿命。Fe-safe疲劳计算技术先进，精度很高，广泛实用于各类金属、非金属以及合金等材料。总之，ANSYS后处理疲劳功能仅仅是Fe-safe疲劳功能的一个很少部分，Fe-safe作为复杂环境下的疲劳耐久性计算是ANSYS疲劳的补充与延伸。 问题2：什么是高周疲劳和低周疲劳？它们与应力疲劳法和应变疲劳法之间的关系是什么？ 回答2：根据疲劳断裂时交变载荷作用的总周次，疲劳可分为低周疲劳、中周疲劳和高周疲劳。一般将断裂时的总周次在以下时，称为低周疲劳；断裂时的总周次大于时，称为高周疲劳。在高周疲劳中，构件在破坏之前一般仅发生极小的弹性变形，而在低周疲劳中，应力往往大到足以使每个循环产生可观的宏观的塑性变形。因此，低周疲劳较高周疲劳而言显示出了延性状态。高周疲劳传统上用应力范围来描述疲劳破坏所需的时间或循环数，即按应力疲劳法评估疲劳寿命。低周疲劳（短寿命）传统上用应变范围来描述全塑性区域疲劳破坏所需的时间或循环数，即按(局部)应变疲劳法评估疲劳寿命。 ANSYS FE-SAFE是一款高级疲劳耐久性分析和信号处理的软件，它是多轴疲劳分析解决方案的领导者，算法先进，功能全面细致，是世界公认精度最高的疲劳分析软件。 ANSYS FE-SAFE既支持基于疲劳试验测试应力和应变信号的疲劳分析技术，也支持基于有限元分析计算的疲劳仿真设计技术。 ANSYS FE-SAFE具有完整的材料库、灵活多变的载荷谱定义方法、实用的疲劳信号采集与分析处理功能以及丰富先进的疲劳算法，完整的输出疲劳结果。 疲劳分析软件ANSYS FE_SAFE 简介（转） 来源：刘兴兴的日志
三、填空 1.钢材 2.脆性破坏 3.塑性破坏 4.脆性破坏 5.力学性能 6.抗拉强度 7.屈服点 8.韧性 9.冷弯性能 10.疲劳强度 11.概率极限状态 12.铆钉 13.高强度螺栓连接 14.粗制螺栓 15.角焊缝 16.斜缝 17.部分焊透 18.斜角角焊缝 19.残余变形 20.施工要求 21.受剪螺栓 22.受拉螺栓 23.钢梁 24.组合梁 25.热轧型钢梁 26.临界荷载 27.局部稳定 28.经济条件 29.建筑高度 30.拼接 31.工厂拼接 32.工地拼接 33.刚接 34.滚轴支座 35.桁架 36.高度 37.弯矩 38.轴心力 39.节点板 40.构件详图 41.结构布置图 42.结构布置图 43.构件详图
44.施工导流闸门 45.弧形闸门 46.液压式 47.螺杆式 48.卷扬式 49.水头的大小 50.闸门的尺寸 四、简答题 1. 钢材在复杂应力作用下是否仅产生脆性破坏？为什么？ 答：钢材在复杂应力作用下不仅仅发生脆性破坏。因为当材料处于三向同号应力场时，它们的绝对值又相差不大时，根据第四强度理论，即使σ1、σ2、σ3的绝对值很大，甚至远远超过屈服点，材料也不易进入塑性状态。因而，材料处于同号应力场中容易产生脆性破坏。反之，当其中有异号应力，且同号的两个应力相差又较大时，即使最大的一个应力尚未达到屈服点f y时，材料就已进入塑性工作状态，这说明材料处于异号应力状态时，容易发生塑性破坏。 2.残余应力对压杆的稳定性有何影响？ 答：由于残余应力的存在，在轴心压力Ｎ的作用下，残余应力与截面上的平均应力Ｎ/Ａ叠加，将使截面的某些部位提前屈服并发展塑性变形。因此，轴心受压杆达临界状态时，截面由屈服区和弹性区两部分组成，只有弹性区才能承担继续增加的压力。这时截面的抗弯刚度降低，由理论分析知，残余应力对构件稳定的不利影响对弱轴要比对强轴严重的多。 3. 钢桁架与梁相比，桁架具有哪些优点？为什么它适合于大跨度？ 答：钢桁架与梁相比是用稀疏的腹杆代替整体的腹板，并且杆件主要承受轴心力，应力沿截面分布均匀，能充分利用材料，从而能节省钢材减少自重，所以钢桁架特别适用于跨度或高度较大的结构。同时钢还可以按使用要求制成不同的
目录 1．模块功能简介 (1) 2．柔性平台模型 (3) 2.1模型简介 (3) 2.2工作流程 (3) 2.3动力学计算 (4) 2.4应力载荷谱分析 (8) 2.4.1载荷工况描述 (9) 2.4.2初始化Sensor节点组 (15) 2.4.3设置应力载荷谱评估参数 (17) 2.4.4保存项目 (18) 2.4.5计算应力载荷时程 (19) 2.4.6应力载荷时程分析结果 (20) 2.5疲劳耐久性分析 (25) 2.5.1设置疲劳耐久性分析方法 (25) 2.5.2选择控制区域 (27) 2.5.3疲劳耐久性分析 (35) 2.5.4结果分析 (35)
1．模块功能简介 UM Durability模块是专业的疲劳耐久性CAE分析工具，它基于UM FEM 刚柔耦合动力学计算的结果进行应力载荷谱分析和疲劳寿命预测。其中，柔性体通过外部有限元软件导入（目前支持ANSYS和MSC.NASTRAN），刚柔耦合系统的动力学计算和疲劳后处理都在UM软件里完成。 首先，采用模态综合法将构件的柔性特性（包括模态振型和应力张量）从有限元软件导入UM，构成所需的刚柔耦合动力系统。其次，在UM里设置好一个或多个仿真工况，计算得到一系列有限元节点的应力时程数据。最后，根据材料的疲劳强度特性进行疲劳寿命预测。 疲劳耐久性分析有如下三个关键输入： ?应力载荷数据：节点应力时程； ?材料数据：材料在不同应力水平的循环载荷作用下的反应； ?疲劳耐久性分析方法。 由于从有限元软件导入UM的柔性体模型包含完整的单元和节点信息，根据模态综合法理论可以直接求得节点在任意时刻的位移和应力。只要选取足够的、合理的有限阶模态，就能快速地获得比较精确的响应。 在计算柔性体的弹性变形时采用模态叠加的方法，即可以通过一组模态振型的线性组合得到最终结果。显然，只需要乘以适当的系数，就能将这种方法拓展到应力的计算。这种系数，又称模态坐标，可以用来表征柔性体的瞬时应力状态。试想，在动力学计算的每一步，对每一个有限元节点都执行模态叠加计算，那么就可以获得整个时间历程上的节点位移和应力曲线。 使用UM FEM模块进行动力学计算时可以自动保存所有的模态坐标时程。UM Durability利用模态坐标时程数据和完整的节点信息（模态文件），可以快速获得每个节点的应力时程。然后，采用雨流计数法统计应力循环次数，最后根据S-N曲线等方法评估寿命。 仿真流程如图 1.1所示。
第30卷,第4期 中国铁道科学Vo l 30No 4 2009年7月 CH INA RAILWAY SCIEN CE July,2009 文章编号:1001-4632(2009)04-0069-07 钢结构焊缝疲劳强度分析技术的最新进展 周张义,李 芾,安 琪,黄运华,卜继玲 (西南交通大学机车车辆工程系,四川成都 610031) 摘 要:在平板焊接钢结构焊缝疲劳强度分析中,近年来国外主要发展起了等效结构应力法和表面外推热点应力法2种新方法。等效结构应力法考虑焊趾部位的结构应力集中效应,应用改进线性化法或节点力法分析结构应力,确保计算结果对有限单元类型、网格形状及尺寸的不敏感,从而有效区分不同焊接接头类型的焊趾结构应力集中情形;以结构应力为控制参数计算应力强度因子,在主要考虑焊趾缺口、结构板厚、载荷模式等因素影响基础上,基于断裂力学分析确定与焊缝疲劳寿命直接相关的应力参数,导出等效结构应力转化方程;基于上述应力计算和转化方法对焊缝疲劳试验结果数据进行处理,建立焊缝疲劳强度设计单一主S N 曲线,实现对钢结构焊缝的疲劳强度评定和寿命预测。通过比较分析可知,表面外推热点应力法适用于钢结构焊缝设计阶段的方案比较及方案优化;等效结构应力法较适合对钢结构焊缝最终设计方案进行更为精确的焊缝疲劳强度评定和寿命预测以及不能用表面外推热点应力法进行钢结构焊缝疲劳强度分析时。 关键词:等效结构应力;网格不敏感;有限元法;焊趾;疲劳分析;表面外推 中图分类号:T G457 11 文献标识码:A 收稿日期:2008-10-27;修订日期:2009-02-26 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50821063) 作者简介:周张义(1982 ),男,山西霍州人,博士研究生。 对于平板焊接钢结构的疲劳设计,按照传统的焊接细节分类法需要严格确定特定接头几何形状和载荷模式下的名义应力及相应疲劳抗力数据[1-4],故很大程度上影响了焊接细节分类法在工程中的应用。为了完善或替代焊接细节分类法,针对广泛存在的结构焊趾疲劳,新发展的2种适合于有限元技术的表面外推热点应力法和等效结构应力法,通过将焊趾结构应力集中考虑在应力分析之中,一方面可适应有限元强大的应力分析技术,另一方面避免了对疲劳设计S N 曲线的选择。表面外推热点应力法在国内相关行业的应用研究已得到普遍关注 [5-7] 。而等效结构应力法虽然在2007版ASME 锅炉及压力容器标准[8] 、以及API/ASME 合于使用性评定标准[9]中均推荐将其应用于焊缝疲劳分析,但至今国内尚未有技术文献详细介绍。有鉴于此,本文在阐述、分析等效结构应力法的基础上将它与表面外推热点应力法进行对比,研究分析2种方法各自存在的优势和局限性,以及在实际工程的结构疲劳设计中的合理应用方式。 1 等效结构应力法剖析 等效结构应力法是1种新型焊接结构疲劳寿命预测技术 [10-13] ,可广泛应用于不同工业领域的各类 形式焊接承载部件的焊趾疲劳分析,如压力容器、 管道、海上平台、船舶、地面车辆等结构的管件及平板焊接接头[14-18]。该方法主要基于以下2项关键技术: 考虑焊趾部位的结构应力集中效应,应用改进线性化法或节点力法分析其结构应力(即热点应力),确保计算结果对有限单元类型、网格形状及尺寸均不敏感,从而有效区分不同接头类型的焊趾结构应力集中情形; 以结构应力为控制参数计算应力强度因子,在主要考虑焊趾缺口、结构板厚、载荷模式等因素影响的基础上,基于断裂力学分析确定与疲劳寿命直接相关的应力参数,导出等效结构应力转化方程。进而将其应用于处理疲劳试验结果数据,构建出单一通用的疲劳设计主S N 曲线,从而基于等效结构应力并结合该主S N 曲线进行焊接结构的疲劳强度评定及寿命预测。