疲劳分析简介
ABAQUS_疲劳分析简介
Low-cycle Fatigue in Bulk Materials
• Abaqus/Standard提供一个分析延性金属材料，在反复施力下累积非弹性应 变能而造成的损伤与失效的功能
• Low-cycle fatigue里的损伤定义与我們平常定义的材料损伤分析 (continuum damage approach)大致相同：
*STEP, INC=800 *DIRECT CYCLIC, FATIGUE 60., 1920.,,, 29, 29,, 100 50, 100, 801, 1.1
Temperature load in once cycle
Low-cycle Fatigue in Bulk Materials
• Damage initiation criterion for ductile damage in low-cycle fatigue • The onset of damage in low-cycle fatigue is characterized by the accumulated inelastic hysteresis energy per cycle, w, in a material point when the structure response is stabilized in the cycle. • The cycle number (N0) in which damage is initiated is given by
107
108
N
低周期疲劳
高周期疲劳
永久
r
N0
N
低周期疲劳
预测裂缝的开始与成长
Introduction
• Low-cycle fatigue analysis is a quasi-static analysis of a structure subjected to sub-critical cyclic loading.
疲劳分析理论范文
疲劳分析理论范文疲劳分析理论是指对疲劳现象进行系统性研究和分析的一种理论体系。
人们在日常生活和工作中经常会感到疲劳，这是由于身体或者大脑长时间处于高负荷工作状态而造成的一种不适感受。
疲劳分析理论的研究目的是为了更好地理解和应对疲劳，提高个人的工作和生活质量。
1.疲劳的类型分类：疲劳可以分为生理疲劳和心理疲劳两种类型。
生理疲劳主要指人体身体疲劳，如长时间连续工作、运动过度等；心理疲劳主要指人的大脑疲劳，如长时间的思考、决策等。
2.疲劳的表现形式：疲劳的表现形式有多种多样，如身体的乏力、精神的不振、注意力不集中、反应迟钝等。
不同人在面对疲劳时可能会表现出不同的症状。
3.疲劳的影响因素：疲劳的产生受到众多因素的影响，这些因素包括个体的基本体质、工作强度和工作时间、生活方式、心理状态等。
不同的因素对个体的疲劳产生不同的影响。
4.疲劳的评估方法：疲劳的评估是疲劳分析的重要一环，目的是为了了解个体的疲劳程度。
常用的评估方法包括主观评估和客观评估两种，主观评估主要通过问卷调查等方式了解个体的疲劳感受，客观评估则通过心理生理指标或者行为表现等方面来评估疲劳程度。
5.疲劳的应对策略：疲劳是一种常见的身体反应，但是不同的人可能对疲劳的应对策略不同。
一般来说，可以通过调整工作强度和工作时间、适当锻炼身体、合理安排休息时间等方式来缓解疲劳。
疲劳分析理论对于个人和组织来说都具有重要的意义。
对于个人来说，理解疲劳现象有助于他们更好地调整自己的工作和生活，提高工作和生活的效率。
对于组织来说，了解疲劳现象对于制定合理的工作计划和保障员工的健康也具有重要的指导意义。
值得注意的是，疲劳分析理论是一个相对较新的研究领域，尚有许多问题有待进一步研究和探索。
例如，如何量化疲劳程度、如何标准化评估方法等都是需要进一步研究的问题。
同时，由于每个人的身体和心理状态不同，对疲劳的感受也会有所差异，个体差异在疲劳分析中也需要加以考虑。
总之，疲劳分析理论为我们更好地理解和应对疲劳问题提供了重要的理论基础。
ABAQUS_疲劳分析简介
Low-cycle Fatigue in Bulk Materials
• Results
Damage initiation at joint toe Cycle number 199
Damage evolution Cycle number 749
Damage evolution Cycle number 801
Low-cycle Fatigue at Material Interfaces
• The onset and fatigue delamination growth at the interfaces are characterized by using the Paris Law, which relates crack growth rates da/dN to the relative fracture energy release rate G,
• The details of choosing characteristic length will be discussed later.
• Note: c3 depends on the system of units in which you are working; care is required to modify c3 when converting to a different system units.
CYCLEINI Number of cycles to initialized the damage
Low-cycle Fatigue in Bulk Materials
• Damage evolution for ductile damage in low-cycle fatigue • Once the damage initiation criterion is satisfied at a material point, the damage state is calculated and updated based on the inelastic hysteresis energy for the stabilized cycle. • The rate of the damage (dD/dN) at a material point per cycle is given by
《疲劳分析介绍》课件
疲劳分析方法和工具的选择
提供选择合适的疲劳分析方法和 工具的指导。
疲劳分析在实际生产中的 应用展望
展望疲劳分析在实际生产中的应 用前景和发展方向。
2 疲劳裂纹的产生和扩展
疲劳裂纹是导致材料疲劳失效的主要原因，了解其产生和扩展的机理非常重要。
3 疲劳寿命
通过疲劳寿命评估材料和结构的使用寿命，确保其可靠性。
疲劳分析的方法
应力计算方法
使用数值模拟和有限 元分析等方法计算材 料和结构在循环载荷 下的应力分布。
应变计算方法
利用应变测量和应变 计算等技术评估材料 和结构的应变响应。
损伤积累方法
基于损伤机理和材料 特性，预测材料和结 构在循环载荷下的损 伤积累过程。
生命预测方法
结合实验数据和数值 分析，预测材料和结 构在循环载荷下的寿 命。
疲劳分析工具的使用
常用的工具介绍
介绍常用的疲劳分析工具和 软件，如ANSYS、ABAQUS等。
工具的优缺点比较
评估不同工具的特点和适用 性，选择适合的工具进行疲 劳分析。
工具的使用案例
分享使用疲劳分析工具进行 实际工程案例的经验和教训。
实例分析
1
实际应用例子分析
通过实际案例，详细分析材料和结构在循环载荷下的疲劳行为。
2
案例分析思路和方法
探讨进行疲劳分析的思路和方法，提供实践指导。
分析结果与结论
总结实例分析的结果，并得出相关的结论。
总结
疲劳分析的重要性和必要性
强调疲劳分析在工程领域中的重 要性和必要性。
疲劳分析介绍
疲劳分析是一项重要的工程领域，用于评估材料和结构在循环载荷下的寿命 和可靠性。本课程将介绍疲劳分析的基本概念和方法，以及在实际应用中的 意义。
疲劳分析介绍
F6前轮球轴断裂 前轮球轴断裂 断轴门” “断轴门” ：广本雅阁、一汽马 、北奔-戴克克莱斯勒 戴克克莱斯勒300C 双横臂式前悬挂： 双横臂式前悬挂 广本雅阁、一汽马6、北奔-戴克克莱斯勒 雅阁、 ，其球头方向是向上的， 雅阁、F6，其球头方向是向上的 属下挂式，承受车重， 凯美瑞、锐志、F6、 凯美瑞、锐志、F6、雅阁，属下挂式，承受车重，过度疲 劳。 马6、奔驰等采用是下压式。 、奔驰等采用是下压式。
1.概述-疲劳的定义 概述概述
• 零件或构件由于交变载荷的反复作用 零件或构件由于交变载荷的反复作用 的反复作用，在它所承受的交变应力尚未达到静 强度设计的许用应力情况下就会在零件或构件的局部位置产生疲劳裂纹并 强度设计的许用应力情况下就会在零件或构件的局部位置产生疲劳裂纹并 扩展、最后突然断裂。这种现象称为疲劳破坏 扩展、最后突然断裂。这种现象称为疲劳破坏 这种现象称为疲劳破坏 • The process of progressive localized permanent structural change occurring in a material subjected to conditions which produce fluctuating stresses and strains at some point or points and which may culminate in crack or complete fracture after a sufficient number of fluctuations. —— ASTM E206-72 • 在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹 在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成 且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹 且在足够多的循环扰动作用之后形成 或完全断裂的材料中所发生的局部永久结构变化的 或完全断裂的材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程，称为疲劳 永久结构变化的发展过程，称为疲劳
疲劳分析
疲劳分析方法疲劳问题的研究可追溯到19世纪初，经过近二百年探索，目前已经取得了很大的发展。
工程上，对疲劳设计主要采用四种方法，即名义应力法、局部应力应变法、损伤容限设计、疲劳可靠性设计。
（1）名义应力法（Miner线性累计损伤理论）名义应力法又称常规疲劳设计法或影响系数法，用名义应力法来估算构件或结构的寿命的前提是：材料和构件、结构是理想连续体，且承受的载荷不大，断面的应力值小于材料的屈服极限，应力应变成线性关系，应力循环作用下的寿命较小。
因此，用该方法进行寿命估算的依据是应力谱、材料的抗力指标P—S—N 曲线和累积损伤理论。
（2）局部应力应变法零件的疲劳破坏都是从应变集中部位的最大局部应变处开始，并且在裂纹萌生以前，都要产生一定的塑性变形。
局部应力应变法以缺口根部的局部应力—应变历程为依据，再结合材料相应的疲劳特性曲线进行寿命估算。
该方法的合理性主要表现为考虑了金属的塑性应变和由此而引起的残余应力对疲劳性能的影响。
它所指的寿命就是缺口边上出现可见裂纹的寿命。
（3）损伤容限设计损伤容限设计是一项复杂的系统工程，它以断裂力学特别是线弹性断裂力学理论为基础，以保证结构安全为目标，以无损检测技术、断裂韧度和疲劳裂纹扩展速率的测定技术为手段，以有初始缺陷或裂纹的零件的剩余寿命估算为中心，以断裂控制为保证，目的是确保结构在给定使用寿命期内，不致因未发现的初始缺陷的扩展造成严重事故。
（4）疲劳可靠性设计疲劳可靠性设计即概率疲劳设计，它是根据构件工作应力和疲劳强度分布曲线，应用概率设计理论，在给定可靠性指标下，进行构件的可靠性设计。
疲劳可靠性设计不但需要知道构件的应力和疲劳强度的平均值，而且还要知道构件的应力和疲劳强度分布。
综上所述，名义应力法和局部应力应变法都是以材料内部没有缺陷和裂纹为前提条件的。
但是，实际构件在加工制造过程中，由于种种原因，往往已经存在着各种各样的缺陷或裂纹。
损伤容限设计考虑了结构的初始缺陷或裂纹，以断裂控制为保证，保证结构在给定使用寿命期内，不致因未发现的初始缺陷的扩展造成严重事故。
ANSYSworkbench教程—疲劳分析
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。
workbench疲劳分析
第一章简介1.1 疲劳概述构造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，其说明了短疲劳寿命。
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展讨论。
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，首先进展讨论。
否那么，那么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X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〕假设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开展，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。
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S1 - 1
什么是耐久性? • 耐久性是…
“保证其经久耐用的能力!”
• 可靠性是…
“在规定的条件下、在规定的时间内完成规定的功能的机 会!”
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/s
S-N & E-N 曲线在高周期 区域重合因为名义应力是 线弹性的
E-N 也能用到低周期区域 。S-N不能, 因为该区域不 存在线性应力-应变关系
1000 Cycles 10 7 Cycles
N
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S-N 方法
• • • S-N 方法用名义应力范围作为疲劳载荷的度量 在试验中记录失效寿命(两段) 试验在表征S-N曲线的应力范围的几个级别上进行
•
这样的曲线可以来自光滑试件,独立部件,子装配或者完整结构
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Wohler的铁路部件试验设备 (1852 to 1870)
S1 - 23
早期S-N曲线
Stress Amplitude
Unnotched Shaft
Notched Shaft
Log (fatigue life)
Wohler的一些旋转弯曲试验数据
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理等影响的实际结构的曲线
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S1 - 20
假设和定义
● 变形可以被分成弹性(可完全回复的)和塑
性(永久变形的)部分 ● 应力范围是一个循环中的最大、最小应 力的代数差 ● 应力幅值是应力范围的一半
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S1 - 3
疲劳的物理基础
•
疲劳失效通常开始于样品或部件的表面
•
疲劳失效开始于小的微观裂纹，因此对微小的应力增加都非常敏感
•
疲劳的过程包含从持续的滑移带上微小裂纹的生成到持续弹塑性变形下 长裂纹的扩展整个过程
S1 - 2
疲劳定义
参照BS 7608: “疲劳是指反复应力作用下裂纹或裂纹群的产生和逐步扩
展所导致的结构部件破坏的现象”
•
从实践角度，疲劳是：
– 在不断变化下的负载作用下导致失效的过程，并且实际应力值低于屈服强度; – 由裂纹萌生和随后的裂纹扩展组成，裂纹萌生和裂纹扩展是塑性变形不断循环 的结果。
– 锻造成型留下的圈痕;
– 脆面层
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S1 - 5
裂纹的产生和扩展: STAGE I AND II
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S1 - 11
E-N 方法
• • • 也称作局部应变方法，裂纹萌生方法，和应变-寿命方法。 E-N方法是汽车行业里评估寿命方法中最常用的一个。 实际上，裂纹萌生意味着已经有1-2mm的裂纹发生。这往往在部件寿命中占 较高比例。 许多汽车部件的设计允许使用中出现大的塑性变形(特别是在试车场)。这种情 况下 E-N方法比基于忽略塑性变形的S-N方法更好。
•
LEFM (裂纹扩展方法)
– 应力强度与裂纹扩展速率的关系
所有的方法均都基于相似性原理
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S1 - 9
S-N 方法
•
• • •
也称为应力-寿命和全寿命方法
评估产生严重失效的总疲劳寿命 疲劳寿命由对数应力-循环(S-N)曲线计算 该方法适合于长寿命疲劳失效问题，因为该方法是基于名义弹性应力，即使 有小的塑性发生。 疲劳寿命评估与失效概率相关，因为S-N曲线上有一定的分散性。
由于试验的统计学特征, 任何给的的S-N曲线关联一定的失效概率 更多的关于S-N的关系的认知可以从描述发散带宽(比如+/-3标准偏差)以及 平均曲线(50%生存率)获得。
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The life of this . . . . . . . . . . . . . . . . is the same as the life of this . . . . . if both are subject to the same nominal stress
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S1 - 4
疲劳的物理基础(续) 小裂纹产生的原因很多:
– 第二相粒子的裂变或界面脱离(cracking or debonding of second phase particles); – 表面上的自然划痕和加工痕; – 腐蚀坑或晶间腐蚀; – 铸造气孔;
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S1 - 19
应力寿命 (S-N) 理论
• • S-N 方法评估全寿命，而没有清楚区分初始裂纹和裂纹扩展 它通常要求涉及到几何模型的试验数据是结构S-N曲线
•
材料S-N曲线从光滑样件试验中获得，随后可以修改成为反映缺口，表面处
S1 - 26
疲劳极限
• • •
恒幅加载的钢材展示一个疲劳极限-低于这个应力没有明显的疲劳损 伤发生. 疲劳极限与裂纹通过第一晶界的难度、或者占主导地位的微观障碍有 关。它可以在几个大载荷或腐蚀性环境里被减少或消除 铝合金似乎没有疲劳极限
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S1 - 13
应变-寿命 (E-N)曲线
● 也称作“低周期疲劳” 或“局部应变方法” ● 局部应变可以是弹性或塑性，因此它适于低周期疲劳。
Plastic (Low Cycle Fatigue Line)
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S1 - 17
方法总结
• This is an interesting view of the 3 methods but is practically flawed because in reality the S-N and E-N approaches are just slightly different versions of the same type of approach.
S1 - 7
疲劳寿命计算方法概述
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S1 - 8
疲劳寿命方法
• S-N (Stress-Life方法)
名义或局部弹性应力与总寿命的关系
•
E-N (Strain-Life方法)
局部应变与裂纹萌生寿命的关系
Elastic (High Cycle Fatigue Line)
N
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S-N和E-N疲劳曲线比较
Low Cycle Region (EN Method) High Cycle Region (SN or EN Method) E-N Curve 'Infinite Life' S-N Curve
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S1 - 21
S-N曲线
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S1 - 22
早期疲劳试验
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Nf = Ni + Np
Total Life = Crack Initiation + Crack Growth
S-N
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Local Strain
S1 - 18
LEFM
应力寿命 (S-N) 方法