【ANSYS精品资源】利用ANSYS随机振动分析功能实现随机疲劳分析
(完整版)疲劳分析的数值计算方法及ANSYS疲劳分析实例
第十四章疲劳分析的数值计算方法及实例第一节引言零件或构件由于交变载荷的反复作用，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扩展、最后突然断裂。
这种现象称为疲劳破坏。
疲劳裂纹的形成和扩展具有很大的隐蔽性而在疲劳断裂时又具有瞬发性，因此疲劳破坏往往会造成极大的经济损失和灾难性后果。
金属的疲劳破坏形式和机理不同与静载破坏，所以零件疲劳强度的设计计算不能为经典的静强度设计计算所替代，属于动强度设计。
随着机车车辆向高速、大功率和轻量化方向的迅速发展，其疲劳强度及其可靠性的要求也越来越高。
近几年随着我国铁路的不断提速，机车、车辆和道轨等铁路设施的疲劳断裂事故不断发生，越来越引起人们的重视。
疲劳强度设计及其研究正在成为我国高速机车车辆设计制造中的一项不可缺少的和重要的工作。
金属疲劳的研究已有近150年的历史，有相当多的学者和工程技术人员进行了大量的研究，得到了许多关于金属疲劳损伤和断裂的理论及有关经验技术。
但是由于疲劳破坏的影响因素多而复杂并且这些因素互相影响又与构件的实际情况密切相关，使得其应用性成果尚远远不能满足工程设计和生产应用的需要。
据统计，至今有约90%的机械零部件的断裂破坏仍然是由直接于疲劳或者间接疲劳而引起的。
因此，在21世纪的今天，尤其是在高速和大功率化的新产品的开发制造中，其疲劳强度或疲劳寿命的设计十分重要，并且往往需要同时进行相应的试验研究和试验验证。
疲劳断裂是因为在零件或构件表层上的高应力或强度比较低弱的部位区域产生疲劳裂纹，并进一步扩展而造成的。
这些危险部位小到几个毫米甚至几十个微米的范围，零件或构件的几何缺口根部、表面缺陷、切削刀痕、碰磕伤痕及材料的内部缺陷等往往是这种危险部位。
因此，提高构件疲劳强度的基本途径主要有两种。
一种是机械设计的方法，主要有优化或改善缺口形状，改进加工工艺工程和质量等手段将危险点的峰值应力降下来；另一种是材料冶金的方法，即用热处理手段将危险点局部区域的疲劳强度提高，或者是提高冶金质量来减少金属基体中的非金属夹杂等材料缺陷等局部薄弱区域。
ansys疲劳可靠性及随机振动分析
ANSYS疲劳分析
5. 调入载荷步计算并储存节点应力分量
Main Menu>General Postproc>Read Results>First Set(Next Set) Main Menu>General Postproc>Fatigue>Store Stresses>From rst File
ANSYS疲劳分析
3. 定义材料应变强化指数M和N
Main Menu>General Postproc>Fatigue>Property Table>Elas-plas Par
ANSYS疲劳分析
4. 定义关键点及应力集中系数
Main Menu>General Postproc>Fatigue>Stress Locations
！定义载荷变量 ！设置实常数 ！定义材料参数
！建立平面 ！建立中间圆孔面 ！面的布尔操作 ！设置单元划分的分段数 ！定义单元为四边形 ！网格自由划分 ！划分网格 ！结束前处理
ANSYS可靠性分析
二．进入概率分析模块，选定分析文件
Main Menu>Prob Design>Analysis File>Assign
ANSYS可靠性分析
② 显示输入随机变量的采样曲线
（Main Menu>Prob Results>Sampl History）
ANSYS可靠性分析
③ 显示输入随机变量的累计概率分布曲线
（Main Menu>Prob Results>CumulativeDF）
ANSYS可靠性分析
④ 还可以显示输出随机变量的概率敏感图以及输出随机变 量和输入随机变量的相关性等。
利用ANSYS随机振动分析功能实现随机疲劳分析
利用ANSYS随机振动分析功能实现随机疲劳分析ANSYS随机振动分析功能可以获得结构随机振动响应过程的各种统计参数（如：均值、均方根和平均频率等），根据各种随机疲劳寿命预测理论就可以成功地预测结构的随机疲劳寿命。
本文介绍了ANSYS随机振动分析功能，以及利用该功能，按照Steinberg提出的基于高斯分布和Miner线性累计损伤定律的三区间法进行ANSYS随机疲劳计算的具体过程。
１．随机疲劳现象普遍存在在工程应用中，汽车、飞行器、船舶以及其它各种机械或零部件，大多是在随机载荷作用下工作，当它们承受的应力水平较高，工作达到一定时间后，经常会突然发生随机疲劳破坏，往往造成灾难性的后果。
因此，预测结构或零部件的随机疲劳寿命是非常有必要的。
2．ANSYS随机振动分析功能介绍ANSYS随机振动分析功能十分强大，主要表现在以下方面：1.具有位移、速度、加速度、力和压力等PSD类型；2.能够考虑a阻尼、 阻尼、恒定阻尼比和频率相关阻尼比；3.能够定义基础和节点PSD激励；4.能够考虑多个PSD激励之间的相关程度：共谱值、二次谱值、空间关系和波传播关系等；5.能够得到位移、应力、应变和力的三种结果数据： 1σ位移解，1σ速度解和1σ加速度解；3．利用ANSYS随机振动分析功能进行疲劳分析的一般原理在工程界，疲劳计算广泛采用名义应力法，即以S-N曲线为依据进行寿命估算的方法，可以直接得到总寿命。
下面围绕该方法举例说明ANSYS随机疲劳分析的一般原理。
当应力历程是随机过程时，疲劳计算相对比较复杂。
但已经有许多种分析方法，这里仅介绍一种比较简单的方法，即Steinberg提出的基于高斯分布和Miner线性累计损伤定律的三区间法（应力区间如图1所示）：应力区间发生的时间68.3%的时-1σ ~+1σArray间27.1%的时-2σ ~+2σ间4.33%的时-3σ ~+3σ间99.73%大于3σ的应力仅仅发生在0.27%的时间内，假定其不造成任何损伤。
基于Ansys二次开发的随机振动疲劳寿命可视化程序开发
基于Ansys二次开发的随机振动疲劳寿命可视化程序开发
丁杰;唐玉兔
【期刊名称】《机械强度》
【年(卷),期】2014(36)5
【摘要】为解决现有随机振动分析中存在的结构各节点的振动频率计算、三个方
向振动结果的叠加、全域可视化显示等问题,进行了基于Ansys软件的二次程序开发。
通过程序在某变流装置中的应用,表明了二次开发的程序可以更加快速、全面、有效地进行虚拟样机的疲劳寿命分析,为产品结构的优化设计提供理论指导。
【总页数】6页(P813-818)
【关键词】Ansys;随机振动;加速度谱密度;疲劳损伤;疲劳寿命;可视化
【作者】丁杰;唐玉兔
【作者单位】南车株洲电力机车研究所有限公司南车电气技术与材料工程研究院【正文语种】中文
【中图分类】TB123;U264.37
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1.基于ANSYS的机床滑合随机振动疲劳寿命分析 [J], 孟行;孟广耀;黄居鑫;石英训;生开明
2.基于Ansys的车桥结构随机振动疲劳寿命分析 [J], 王鹏利
3.基于ANSYS二次开发的大跨桥梁疲劳寿命与失效概率的可视化技术 [J], 侯士通;王莹
4.基于ANSYS的连接件随机振动疲劳寿命分析及优化设计 [J], 白永明; 邱恩举; 王宏建
5.基于ANSYS的连接件随机振动疲劳寿命分析及优化设计 [J], 白永明; 邱恩举; 王宏建
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利用ANSYS随机振动分析功能实现随机疲劳分析
利用ANSYS随机振动分析功能实现随机疲劳分析ANSYS是一款常用的工程仿真软件，具有强大的分析功能。
在进行随机疲劳分析时，可以利用ANSYS的随机振动分析功能来模拟随机加载下的疲劳损伤。
随机疲劳分析是一种考虑工作载荷随机性对结构疲劳寿命影响的方法。
通过采用随机振动分析，可以考虑到工作载荷的随机特性，进一步分析结构的疲劳损伤。
ANSYS中的随机振动分析功能可以通过以下步骤来进行：1.几何建模：首先，需要进行结构的几何建模。
使用ANSYS的几何建模工具可以创建出要进行疲劳分析的结构。
2.材料属性定义：在进行材料属性的定义时，需要确定材料的弹性模量、泊松比、密度和疲劳参数等。
可以根据材料的材料数据手册来获取这些参数。
3.边界条件设置：在进行随机振动分析时，需要设置结构的边界条件。
这些边界条件可以是结构受到的随机外载荷或者是结构与其他部件的接触情况。
4.加载设置：在进行随机振动分析时，需要设置结构受到的随机载荷。
这些载荷可以是来自于实际工况的随机载荷，也可以通过振动台试验数据等手段获取。
5.随机振动分析：利用ANSYS的随机振动分析功能，可以进行频域分析或时域分析。
频域分析可以用于计算结构的响应功率谱密度，时域分析可以用于计算结构的随机响应。
6.疲劳寿命计算：在获得结构的随机响应后，可以进行疲劳寿命计算。
根据结构的随机响应和材料的疲劳性能参数，可以使用ANSYS的疲劳分析功能来计算结构的疲劳寿命。
通过以上步骤，可以利用ANSYS的随机振动分析功能实现随机疲劳分析。
这种方法能够更全面地考虑结构在实际工作环境下的疲劳寿命，为结构的设计和改进提供准确的参考。
需要注意的是，在进行随机疲劳分析时，需要对随机载荷进行合理的统计分析，获取载荷的概率密度函数。
如果没有足够的载荷数据，也可以使用统计模型进行估计。
此外，还需要对材料的疲劳性能参数进行准确的测定，以保证疲劳寿命计算的准确性。
总之，利用ANSYS的随机振动分析功能进行随机疲劳分析是一种有效的方法，可以更准确地评估结构在随机工作载荷下的疲劳性能，为结构的设计和改进提供有力的支持。
Ansys nCode疲劳分析及应用
破坏模式1：
结构在恒定载荷作用下，当应 力超过抗拉强度时发生破坏， 这种破坏属于静力破坏。
破坏模式2：
在应力水平较低的情况下，对 结构施加循环载荷，最终引起 结构破坏，这种破坏属于疲劳 破坏。 疲劳是由应力的不断改变引起 的，不是最大应力的原因。
4
疲劳破坏的断面
粗粒状 或
纤维状
静力破坏
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• 拉伸平均应力减少疲劳寿命
• 压缩平均应力增加疲劳寿命
Smax
Sa
Sm
DS
Sa Smin
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36
3.3 平均应力对疲劳寿命的影响
对于应力-疲劳寿命，平均应力的影响通常使用Goodman 或者 Gerber平均应力 修正理论
Goodman 平均应力修正理论假设一条直线
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15
Ansys nCode疲劳分析优势（三）
完全集成在Workbench平台下
以流程图形式建立分析任务； 无缝读取ANSYS计算结果； 与ANSYS共享材料数据库； 在WB平台上统一进行参数管理，可用 DX进行优化。
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16
ANSYS nCode 疲劳分析优势（四） 提供专业的疲劳分析技术，协助用户在产品设计中：
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25
3.1 材料表面状况对疲劳寿命的影响
在 ANSYS nCode DesignLife中，用表面因子(Ksur)同时考虑表面光洁度和处 理对疲劳的影响
− 表面因子用来调整材料s-n曲线
Ksur是三个用户定义因子的乘积 − Ksur = KTreatment * Kuser * Kroughness
Ansys培训-随机振动分析
15. In the Details of the PSD Load,
14
change “Direction” to “Y Axis” for
this particular XYZ orientation.
16. For >Load Data chose >New PSD Load
Acceleration
– The data points can be entered for each Freq & Amplitude, or a function can be entered.
Acceleration
A2
A3
A1 A4
F1 F2
F3
F4
Frequency
Workshop – 假定
• The Girder has fixed constraints along all lower edges.
2. Click OK, thus accepting the default number of modes
3. Choose the U.S. inch pound unit system.
– “Units > U.S. Customary (in, lbm, lbf, …)” 1
2
3
Workshop – 前处理-壳体厚度
PSD分析. • Steps: 进行模态和随
机振动分析，并显示 结果.
随机振动分析
随机振动分析流程 打开, Tower.dsdb.
• Browse to file if not in list
• 打开分析向导…
随机振动分析
随机振动分析流程
随机振动分析
ansys疲劳分析解析
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。
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利用ANSYS随机振动分析功能实现随机疲劳分析
ANSYS随机振动分析功能可以获得结构随机振动响应过程的各种统计参数（如：均值、均方根和平均频率等），根据各种随机疲劳寿命预测理论就可以成功地预测结构
的随机疲劳寿命。
本文介绍了ANSYS随机振动分析功能，以及利用该功能，按照Steinberg提出的基于高斯分布和Miner线性累计损伤定律的三区间法进行ANSYS
随机疲劳计算的具体过程。
１．随机疲劳现象普遍存在
在工程应用中，汽车、飞行器、船舶以及其它各种机械或零部件，大多是在随机载
荷作用下工作，当它们承受的应力水平较高，工作达到一定时间后，经常会突然发生
随机疲劳破坏，往往造成灾难性的后果。
因此，预测结构或零部件的随机疲劳寿命是
非常有必要的。
2．ANSYS随机振动分析功能介绍
ANSYS随机振动分析功能十分强大，主要表现在以下方面：
1.具有位移、速度、加速度、力和压力等PSD类型；
2.能够考虑a阻尼、 阻尼、恒定阻尼比和频率相关阻尼比；
3.能够定义基础和节点PSD激励；
4.能够考虑多个PSD激励之间的相关程度：共谱值、二次谱值、空间关系和波
1
传播关系等；
5.能够得到位移、应力、应变和力的三种结果数据：1σ位移解，1σ速度解和
1σ加速度解；
3．利用ANSYS随机振动分析功能进行疲劳分析的一般原理
在工程界，疲劳计算广泛采用名义应力法，即以S-N曲线为依据进行寿命估算的方法，可以直接得到总寿命。
下面围绕该方法举例说明ANSYS随机疲劳分析的一般原理。
当应力历程是随机过程时，疲劳计算相对比较复杂。
但已经有许多种分析方法，这
里仅介绍一种比较简单的方法，即Steinberg提出的基于高斯分布和Miner线性累计
损伤定律的三区间法（应力区间如图1所示）：
应力区间发生的时间
-1σ ~+1σ68.3%的时间
-2σ ~+2σ27.1%的时间
-3σ ~+3σ 4.33%的时间
99.73%
大于3σ的应力仅仅发生在0.27%的时间内，假定其不造成任何损伤。
在利用Miner
定律进行疲劳计算时，将应力处理成上述3个水平，总体损伤的计算公式就可以写成：
其中：
2
：等于或低于1σ水平的实际循环数目（0.6831 ）；
：等于或低于2σ水平的实际循环数目（0.271 ）；
：等于或低于3σ水平的实际循环数目（0.0433 ）；
, , ：根据疲劳曲线查得的1σ、2σ和3σ应力水平分别对应许可循环的次数。
综上所述，针对Steinberg提出的基于高斯分布和Miner线性累计损伤定律的
三区间法的ANSYS随机疲劳分析的一般过程是：
(1) 计算感兴趣的应力分量的统计平均频率(应力速度/应力)；
(2) 基于期望(工作)寿命和统计平均频率，计算1 ，2 和3 水平下的循环
次数、和；
(3) 基于S-N曲线查表得到、和；
(4) 计算疲劳寿命使用系数。
显然，根据其他随机疲劳分析方法和ANSYS随机振动分析结果，我们还可以进行
许多类似的疲劳分析计算。
3。