应力疲劳与应变疲劳分析流程
疲劳分析流程
疲劳分析流程f a t i g u e(总16页)-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除摘要：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。
ncode分析流程
1 介绍DesignLife:简单的S-N疲劳运用应力-寿命曲线(S-N)方法计算恒载荷下的疲劳寿命.S-N方法通常涉及名义应力失效和大量的循环失效的问题,例如循环次数大于103或者104或者长寿命问题。
S-N分析流程五框技巧在每种情况下,1加载环境下结构的加载必须考虑(加载历史框)。
2必须作出某种形式的几何因素描述，通常表现为疲劳强度缩减因子(Kf)，一个服从函数（Y）或者有限元分析结果，取决于分析的类型。
3材料循环荷载的响应必须定义在材料数据框中作为S-N曲线、应变寿命曲线和应力应变循环曲线。
这里有三个输入合并在一个cycle-by-cycle fatigue analysis中，和一个后处理结果显示。
最初的结果应该是被最先考虑的，因为每个输入都遭受不同的变化和处理，由于模型或大或小的改变输入，初始疲劳分析结果影响后期处理灵敏度的结果。
放大：shift+中键框选，或者shift+左键拖动或者shift+右键自由图画旋转：ctrl+左键平移：ctrl+右键1、设置求解器属性2、设置材料属性(Edit Material Map) 本例恒载荷选PeakValley无影响3、赋材料参数4、编辑载荷（恒幅）即：最大3倍重力。
5、Run 完成2 介绍DesignLife:简单E-N疲劳E-N方法通常涉及到的一些循环载荷相对较大,大的塑性变形和与他们他们有关的,相对较短的寿命。
典型的是指低周疲劳和应变疲劳，即使对高周疲劳也很有效。
低周疲劳转化为高周疲劳通常发生104到105次循环。
不像S-N方法，通过提供时间历程文件作为载荷文件的输入，E-N方法更加量化了结构区域发生破坏的循环次数。
E-N分析流程因为E-N方法既可以用于高周疲劳也可以用于低周疲劳，它非常灵活。
也有可能用高周疲劳或者低周疲劳产生同样的结果。
1、编辑E-N分析属性PeakVally减少了时间历程点数目，Limit用于粗糙计算疲劳2、编辑材料属性3、指定分析载荷即默认配置。
ncode疲劳分析流程
ncode疲劳分析流程nCode Fatigue 分析流程概述nCode Fatigue 是一款先进的疲劳分析软件，用于评估材料和结构在循环载荷和环境条件下的疲劳寿命。
其分析流程涉及以下关键步骤：1. 定义材料和几何导入或创建材料模型，包括应力-应变曲线、循环应力-寿命(S-N) 曲线和疲劳裂纹扩展速率 (da/dN) 曲线。
定义几何模型，包括零件几何形状、载荷施加点和约束条件。
2. 载荷和边界条件定义施加到结构上的载荷和边界条件，包括静力载荷、动力载荷和热载荷。
指定载荷时程或载荷谱，代表实际或预测的载荷条件。
3. 有限元分析 (FEA)通过 FEA 求解几何模型，以计算应力、应变和其他应力状态。
FEA 结果提供局部和全局应力分布，这些分布对于疲劳分析至关重要。
4. 疲劳损伤计算基于 FEA 结果和材料模型，计算疲劳损伤。
使用线性累积损伤理论或雨流计数算法考虑循环载荷的影响。
5. 疲劳寿命预测分析疲劳损伤分布，以预测结构的疲劳寿命。
疲劳寿命是由材料特性、结构设计和载荷条件共同决定的。
6. 灵敏度分析执行灵敏度分析以评估设计参数对疲劳寿命的影响。
通过改变材料特性、几何形状或载荷条件，可以确定最敏感的参数。
最佳实践使用准确的材料模型和几何模型。
仔细定义载荷和边界条件，代表真实情况。
校准 FEA 模型，以确保与实验结果一致。
考虑环境因素，如温度和腐蚀。
进行灵敏度分析以确定关键设计参数。
应用nCode Fatigue 可广泛应用于各种行业，包括：航空航天：飞机和发动机部件的疲劳分析汽车：汽车部件和系统的疲劳分析能源：风力涡轮机叶片和发电机部件的疲劳分析医疗设备：植入物和手术器械的疲劳分析通过遵循这些步骤和最佳实践，工程师可以使用 nCode Fatigue 准确评估结构的疲劳寿命，并优化设计以提高耐用性和安全性。
midas fea_钢桥疲劳分析
即便作用在结构上的应力幅(σa)相同，但是平均应力(σm)不相同时，结构的疲劳寿命也会不一样。平均应力越大，最大应力和疲劳极限应力就越小。为了考虑平均应力的这种影响，Goodman和Gerber分别建议采用下面公式。
4
S-N曲线是等幅(constant amplitude)应力作用下发生疲劳破坏时的反复作用次数的曲线。实际发生的应力一般具有变幅(variable amplitude)特性。
5.使用修正系数调整S-N曲线中应力幅。
6.考虑平均应力的影响计算损伤程度。
7.使用Miner准则将损伤程度线性组合。
8.计算所有位置的疲劳寿命或安全系数。
三
1.
2.
本例题是介绍疲劳分析的过程和查看结果的方法，所以省略了建模的过程，直接打开已经建立的模式。
例题模型是使用钢桥面板的箱形桥梁，跨度为27.5m，用板单元模拟。桥幅宽度为15m，梁高为2.5m，横隔梁间距为5.0m，上部U型加劲肋间距为0.64m。
疲劳荷载由几个疲劳荷载组构成，疲劳荷载组由线性分析中的荷载组的应力和用户定义的历程曲线构成。
线性分析的应力结果乘以历程曲线就是疲劳荷载组。多个疲劳荷载组将组成一个疲劳荷载，使用该疲劳荷载进行疲劳分析。
定义荷载谱/应力谱
通过定义集中系数、荷载组、曲线等定义疲劳荷载组。
定义荷载重复次数
输入疲劳荷载重复的次数。
2.
疲劳分析的步骤如下：
1)首先做结构静力分析确定最大和最小应力的绝对值或者计算von Mises应力，从而获得应力幅。
2)当作用应力为变幅时，使用可将各应力幅组成起来的雨流计数法(Rainflow counting)和S-N曲线计算。
3)考虑平均应力的影响确定疲劳寿命和损伤度。
疲劳分析的各种方法
疲劳寿命预测方法很多。
按疲劳裂纹形成寿命预测的基本假定和控制参数，可分为名义应力法、局部应力一应变法、能量法、场强法等。
2.4.1.1名义应力法名义应力法是以结构的名义应力为试验和寿命估算的基础，采用雨流法取出一个个相互独立、互不相关的应力循环，结合材料的S -N 曲线，按线性累积损伤理论估算结构疲劳寿命的一种方法。
基本假定：对任一构件（或结构细节或元件），只要应力集中系数K T 相同，载荷谱相同，它们的寿命则相同。
此法中名义应力为控制参数。
该方法考虑到了载荷顺序和残余应力的影响，简单易行。
但该种方法有两个主要的不足之处：一是因其在弹性范围内研究疲劳问题，没有考虑缺口根部的局部塑性变形的影响，在计算有应力集中存在的结构疲劳寿命时，计算误差较大；二是标准试样和结构之间的等效关系的确定十分困难，这是由于这种关系与结构的几何形状、加载方式和结构的大小、材料等因素有关。
正是因为上述缺陷，使名义应力法预测疲劳裂纹的形成能力较低，且该种方法需求得在不同的应力比R和不同的应力集中因子K T下的S-N曲线，而获得这些材料数据需要大量的经费。
因而名义应力法只适用于计算应力水平较低的高周疲劳和无缺口结构的疲劳寿命。
近年来，名义应力法也在不断的发展中，相继出现了应力严重系数法（S. ST）、有效应力法、额定系数法（DRF）等。
2.1.2.2局部应力一应变法局部应力一应变法的基本思想是根据结构的名义应力历程，借助于局部应力-应变法分析缺口处的局部应力。
再根据缺口处的局部应力，结合构件的S-N 曲线、材料的循环。
一曲线、 E -N 曲线及线性累积损伤理论，估算结构的疲劳寿命。
基本假定:若一个构件的危险部位（点）的应力一应变历程与一个光滑小试件的应力一应变历程相同，则寿命相同。
此法中局部应力一应变是控制参数。
局部应力一应变法主要用于解决高应变的低周疲劳和带缺口结构的疲劳寿命问题。
该方法的特点是可以通过一定的分析、计算将结构上的名义应力转化为缺口处的局部应力和应变。
应力疲劳法,应变疲劳法,断裂疲劳法
应力疲劳法,应变疲劳法,断裂疲劳法应力疲劳法、应变疲劳法和断裂疲劳法是材料科学和工程领域中常用的疲劳试验方法。
这些方法可用于评估材料在长期重复加载下的疲劳性能，以及预测材料的寿命。
下面将分别介绍这三种疲劳试验方法及其应用。
一、应力疲劳法应力疲劳法是通过施加周期性的应力加载来评估材料的疲劳性能。
在应力疲劳试验中，材料会在一定的应力水平下进行重复加载，加载过程中记录应力和应变数据。
通过分析应力-应变曲线，可以得到材料的疲劳寿命和疲劳强度。
应力疲劳法可以用于评估金属材料、复合材料和橡胶等各种材料的疲劳性能。
二、应变疲劳法应变疲劳法是通过施加周期性的应变加载来评估材料的疲劳性能。
在应变疲劳试验中，材料会在一定的应变幅值下进行重复加载，加载过程中记录应力和应变数据。
通过分析应力-应变曲线，可以得到材料的疲劳寿命和疲劳强度。
应变疲劳法在评估纤维增强复合材料等材料的疲劳性能时，具有一定的优势。
三、断裂疲劳法断裂疲劳法是通过施加循环加载并观察材料破裂的方式来评估材料的疲劳性能。
在断裂疲劳试验中，材料会在一定的加载循环数下进行重复加载，加载过程中记录应力和位移等数据。
通过分析应力-位移曲线，可以得到材料的疲劳寿命和疲劳强度。
断裂疲劳法适用于评估金属材料、混凝土和岩石等材料的疲劳性能。
这三种疲劳试验方法在实际工程中有着广泛的应用。
例如，在航空航天领域，疲劳性能是评估飞机部件和发动机部件可靠性的重要指标之一。
通过应力疲劳法、应变疲劳法和断裂疲劳法，可以对材料在复杂载荷下的疲劳行为进行研究，提高航空器的安全性和可靠性。
疲劳试验方法还可以应用于材料的研发和设计过程中。
通过对不同材料的疲劳性能进行评估，可以选择合适的材料用于特定的工程应用，提高产品的寿命和可靠性。
同时，疲劳试验方法也可以用于研究材料的疲劳机制和损伤演化规律，为材料的改进和优化提供科学依据。
应力疲劳法、应变疲劳法和断裂疲劳法是评估材料疲劳性能的重要方法。
这些方法可以通过施加不同的加载方式，对材料的疲劳寿命和疲劳强度进行评估，为工程应用和材料设计提供依据。
06-07疲劳断裂分析4-2
4.2
应变疲劳
3.局部应力－应变法：局部应力应变的确定
解：1）缺口的应力-应变响应
p ( np e ) K
4.2
应变疲劳
3.局部应力－应变法：局部应力应变的确定
解：2）缺口的应力-应变响应如图所示，根据稳态环可 知：
3）将其带入ε-N曲线：
则可求得：N=12470循环
p ( np e ) K
4.2
应变疲劳
3.局部应力－应变法：局部应力应变的确定 在循环载荷作用下，缺口的局部应力-应变也是随时 间变化，此时用反映材料性能的循环应力-应变曲线代 替单调应力-应变曲线，反向加载后，应力-应变响应应 当由滞后环来描述，还要考虑缺口应力集中的影响。
p ( np e ) K
4.2
1 n'
p ( np e ) K
4.2
应变疲劳
材料记得曾为反向加载所 中断的应力－应变路径 应变第二次到达某处， 该处曾经发生过反向应 变，则形成封闭环； 过了封闭环顶点以后， σ-ε路径不受封闭环的 影响，仍然记得原有路 径
④ 循环应力-应变曲线：材料的记忆特性
材料的记忆特性图
4.29
b 疲劳强度指数(-0.06 -0.14,可取-0.1)；
典型应变-寿命曲线
c-疲劳延性指数(-0.5 0.7，可取－0.6)
p ( np e ) K
4.2
应变疲劳
当 ea＝ pa时，有：
2.应变寿命曲线（ε－N曲线）
f
'
E 可得 :
(2 N )b＝ f '(2 N )c
p ( np e ) K
4.2
应变疲劳
应力疲劳与应变疲劳分析流程
应力疲劳与应变疲劳分析流程应力疲劳与应变疲劳分析是一种对材料在长期受到交变载荷作用下的损伤和破坏进行研究的方法。
应力疲劳是指材料在交变载荷作用下，由于周期性应力超过其疲劳极限而引起的疲劳失效。
应变疲劳是指材料在交变载荷作用下，由于周期性应变超过其疲劳极限而引起的疲劳失效。
下面将介绍应力疲劳与应变疲劳分析的流程。
1.材料性能测试：首先需要对材料进行性能测试，确定其力学性能和疲劳性能。
力学性能测试包括拉伸试验、冲击试验等，疲劳性能测试主要包括疲劳寿命试验和疲劳裂纹扩展试验等。
2.应力/应变历程获取：通过实验或模拟计算得到材料在实际工况下的应力或应变历程。
应力或应变历程描述了材料在实际使用中的载荷变化规律，是进行疲劳分析的基础。
3.应力/应变分析：利用实验结果或有限元分析等手段对材料的应力或应变进行分析。
应力分析可以通过应力级数法、极限干扰法等方法，得到材料在不同载荷状态下的应力分布情况。
应变分析可以使用应变分布测试或数值模拟等方法，获得材料在不同应力状态下的应变分布情况。
4.损伤累积分析：根据得到的应力或应变分布情况，对材料的损伤进行累积分析。
损伤累积分析是基于疲劳寿命模型和疲劳裂纹扩展理论进行的，得到材料在不同工况下的疲劳寿命或裂纹扩展速率。
5.疲劳寿命预测：基于损伤累积分析的结果，可以预测材料在实际使用条件下的疲劳寿命。
对于应力疲劳，常用的寿命预测方法有S-N曲线法、评估疲劳损失法等。
对于应变疲劳，常用的寿命预测方法有应变寿命法、塑性应变范围法等。
6.疲劳强度评估：根据疲劳寿命预测的结果，对材料的疲劳强度进行评估。
疲劳强度评估是对材料在实际工况下的耐久性能进行综合评估，可以用于决策材料的选用与设计参数的确定。
总结起来，应力疲劳与应变疲劳分析流程包括材料性能测试、应力/应变历程获取、应力/应变分析、损伤累积分析、疲劳寿命预测和疲劳强度评估等步骤。
这些步骤相互关联，共同构成了对材料在长期受到交变载荷作用下的疲劳损伤和破坏进行分析和预测的方法。
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雨流计数例子（续）
点号 应变 点号 A 0.003 D B -0.001 E C 0.0014 F D—E段 应变 -0.0025 0.0014 -0.001
对于D-E历程：应力-应变沿着以D点为坐标原点的迟滞曲线变化，应变 变化量为（-0.0025-0.0014）=0.0039，相应的应力变化量为540.1MPa，因 此E点应力为（-301.1 MPa+540.1MPa）= 239MPa。
点号 应变 点号 A 0.003 D B -0.001 E C 0.0014 F 应变 -0.0025 0.0014 -0.001
O—A段
σ n' ε = + ' E K
σ
1
雨流计数例子（续）
点号 应变 点号 A 0.003 D B -0.001 E C 0.0014 F A—B段 应变 -0.0025 0.0014 -0.001
F—A段
对于F-A历程：应变历程F-A使以EF为尖点迟滞曲线封闭，对于E-F循 σ E =239.1MPa。利用材料的记忆特 环的应变变化量为0.0024，最大应力为 性，A点的应力应该利用以D点为坐标原点的迟滞曲线计算：D点到A点的应 变变化量为0.0055，A点的应力值为321.1MPa。可见应变历程A-D-A已经使 随机载荷里最大的循环封闭，在这个大循环里应变变化量为0.0055，最大 应力为σ A =321.1 MPa。
1
雨流计数例子（续）
点号 应变 点号 A 0.003 D B -0.001 E C 0.0014 F B—C段 应变 -0.0025 0.0014 -0.001
对于B-C历程：应力-应变沿着以B点为坐标原点的迟滞曲线变化，应 变变化量为（-0.001+0.0014）=0.0024，相应的应力变化量为415.1MPa，于 是C点应力为（-225.2 MPa+415.1MPa）=189.9MPa。
雨流计数例子（续）
点号 应变 点号 A 0.003 D B -0.001 E C 0.0014 F 应变 -0.0025 0.0014 -0.001
疲劳寿命计算
分析结论
•C点和E点的局部应变值相同，但最大应力值却不同。这一点从应变时间历 程曲线中不易看出，但从构建的迟滞曲线中清晰可见。 •B-C循环和E-F循环的应变变化量相同，所以利用应变幅-寿命关系计算出的 损伤也是相同的。而利用平均应力修正公式计算出的损伤结果是E-F循环的 损伤大于B-C循环。从图中还可以看出，B-C循环的平均应变为正而平均应力 为负。 •这段应变时间历程中的最大应变值位于起点和终点处。如果最大的应变值 不在起点和终点处（最大的应变值很少在起点和终点处），分析仍从最大应 变值处开始而在另一最大应变值处结束。在计算机软件中，通过回到信号初 始端继续分析直到再次到达起点从而可以得到最大应变值（如果最大的应变 为压应变，那么分析将从构建压缩方向的稳态循环应力-应变曲线开始）。
平均应力修正举例（续）
应变疲劳分析流程
E—N曲线
应力时间历程与应变时间历程
两种情况： 弹性有限元结果
弹塑性有限元结果
雨流计数(续)
O——A段
雨流计数（续）
O——A——B段
雨流计数（续）
O——A——B——C—— D——E——F——F—— A段
平均应力修正（Morrow）
累积损伤
雨流计数例子
E—F段
对于E-F历程：应力-应变沿着以E点为坐标原点的迟滞曲线变化，应 变变化量为（0.0014-（-0.001））=0.0024 ，相应的应力变化量为 σc 415.1MPa，因此E点应力为（239.1 MPa-415.1MPa）= -176MPa。
雨流计数例子（续）
点号 应变 点号 A 0.003 D B -0.001 E C 0.0014 F 应变 -0.0025 0.0014 -0.001
C—D段
对于C-D历程：因为由C点到D点的应变变化量大于由B点到C点的应 变变化量，所以迟滞曲线被封闭，形成了以BC为尖点的循环迟滞回线， 其中应变变化量0.0024，最大应力为σ c =189.9 MPa。由于材料的记忆特 性，所以D点的应力应该依据以A点为坐标原点的迟滞曲线且用A-D历程 里的应变变化量来计算；A-D历程应变变化量为（0.003-（-0.0025）） =0.0055，相应的应力变化量为628.2MPa，所以D点的应力值为（321.1 MPa-628.2MPa）=301.1MPa
1
雨流计数例子（续）
点号 应变 点号 A 0.003 D B -0.001 E C 0.0014 F A—B段 应变 -0.0025 0.0014 -0.001
∆σ ∆σ n' ∆ε = + 2 ' E 2K
对于A-B历程：应力-应变响应沿着以A 点为坐标原点的迟滞曲线变化，应变变化量 为（0.003-（-0.001））=0.004，由迟滞回 线方程计算得相应的应力变化量为546.3MPa， 于是B点应力为（321.1 MPa-546.3MPa）= 225.2MPa。
∆σ ∆σ n' ∆ε = + 2 ' E 2K
对于A-B历程：应力-应变响应沿着以A 点为坐标原点的迟滞曲线变化，应变变化量 为（0.003-（-0.001））=0.004，由迟滞回 线方程计算得相应的应力变化量为546.3MPa， 于是B点应力为（321.1 MPa-546.3MPa）= 225.2MPa。
分析结论
•举例讲解构件寿命求解步骤的目的是指出测量的载荷只是构件服役期中承 受的一次载荷，相同的载荷历程将在构件上重复循环直到构件萌生裂纹。用 循环次数表示寿命也说明了这点。因为开始点可能是任意的（取决于采样开 始的时间），所以以任意点为开始点进行分析结果都是一样的，之所以要求 分析始于最大数值点终于最大数值点主要是为了保证最外侧的迟滞曲线能够 封闭。 •举例的另一个目的是说明小循环处在最大应变值之前和之后，他们的平均 应力值不同，进而计算得到的损伤也不同。
应力疲劳与应变疲劳分析流程
安世亚太广州分公司 何 欢/Tony He TEL:+8620-38102018-137 tony.he时间历程
雨流计数
平均应力修正
平均应力修正（续）
累积损伤
平均应力修正举例
平均应力修正举例（续）