疲劳分析.

1 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 2 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。疲劳可靠性设计需要大量的实测载荷谱数据或大量的仿真载荷谱数据，试验周期较长。当然，在有实验条件的情况下，将上述方法有机地结合起来，会取得更好地疲劳分析结果。

本文研究的冶金桥式起重机的桥架结构属于焊接钢结构，这类结构在焊接过程中不可避免地存在如夹渣、咬边、气孔和焊接裂纹等焊接缺陷，故本文对桥架金属结构的疲劳寿命估算采用损伤容限设计。

据相关调查研究表明，裂纹是冶金桥式起重机的金属结构的主要故障之一，出现了裂纹并不意味着金属结构的立即失效，也不意味着金属结构丧失了承载能力。只要对金属结构的裂纹进行及时有效地预防和控制，防止裂纹的快速扩展，就可以保证金属结构的安全性和可靠性，进而延长其使用寿命，提高生产效率。本文主要以断裂力学的知识为基础来探讨冶金桥式起重机的金属结构的裂纹的扩展规律。

Paris公式（裂纹扩展速率）

对于一个初始裂纹尺寸为0a的构件来说，在低于临界静应力的作用下，其裂纹不会扩展，但是在交变应力的作用下，其裂纹会缓慢地扩展。当裂纹由初始尺寸0a扩展到临界尺寸ca时，裂纹就会发生失稳扩展，使构件发生疲劳破坏。

()()mmdaCKCfadN

22()mmmmadaCfdN

在等幅应力下，在公式两边分别积分，

00/()CCNamNaNdNdaCK

22()mmmmadaCfdN

22()mmmmadaCfdN 3 1221()1/2mmmmaCfNm

当2m时，

1/21/202(1/2)()mmcmmmaaNmCf

当2m时，

22011ln()()caNCfa

式中，ca——裂纹的临界尺寸（222max/ccaKf，其中cK为材料的断裂韧性。对于16Mn来说，3529.1cKMpamm）。

0a——裂纹的初始尺寸（一般情况下，我们使用无损探伤的方法进行裂纹检测，若没有裂纹，则认为0a为0.5~1mm，若有则取探伤所得到的裂纹尺寸即可）。

f——裂纹形状修正系数。

C——材料的比例参数（41.31510/895.4mC）。

m——材料对裂纹的敏感系数（m一般为2.4~3.6）。

K——应力强度因子。

——应力变化幅值（maxmin或者直接由测试得到）。

在实际计算中，我们一般取m为3，f为1，则C为131.8410，那么如果我们知道了应力变化幅值后，我们就可以计算出循环次数N，即可预估结构的剩余疲劳寿命。

合集下载

疲劳分析方法范文

疲劳是指人体由于长时间、过度紧张的工作或其他原因引起的身体和精神疲劳状态。长期处于疲劳状态不仅会影响人的工作和生活质量，还可能导致身体和心理健康问题，如注意力不集中、记忆力下降、情绪波动、免疫力下降等。因此，准确评估和分析疲劳状态对于个人和组织的健康和效率至关重要。

目前，有许多方法可以用来分析疲劳状态。下面将介绍几种常用的疲劳分析方法：

1.主观评估方法：

这种方法主要依赖于个体对自身疲劳状态的主观感受进行评估。常见的主观评估方法包括疲劳问卷、疲劳量表和个体日记。通过这些工具，个体可以描述和评估自己的疲劳水平，并记录下来。这种方法的优点是简单易行，能够直接反应个体的主观感受。然而，主观评估方法存在着主观性和个体差异性的问题，因此需要与其他客观评估方法结合使用，以提高评估的准确性和可靠性。

2.客观测量方法：

这种方法通过客观测量一系列生理和心理指标来评估疲劳状态。常见的客观测量方法包括生理学指标、认知性能测试和行为指标。生理学指标可以通过检测心率、血压、体温等生理参数来评估疲劳水平。认知性能测试可以通过测量注意力、反应速度、工作记忆等认知能力来评估疲劳水平。行为指标可以通过观察和分析个体的行为表现来评估疲劳水平。这些客观测量方法具有客观性和客观性，但也存在着测量方法选择、标准化和设备成本等问题。 3.客观主观结合方法：

总结起来，疲劳分析方法主要包括主观评估方法、客观测量方法和客观主观结合方法。不同的方法具有不同的优点和适用范围，可以根据具体情况选择和结合使用。在使用这些方法进行疲劳分析时，还需要考虑到个体差异、环境因素和任务特点等因素，以提高评估的准确性和可靠性。

压力容器疲劳分析设计

压⼒容器疲劳分析设计

⼀，⼯程背景19世纪30—40年代，英国铁路车辆轮轴在轴肩处（应⼒仅为0.4 ys）多次发⽣破坏；1954年1⽉, 英国慧星(Comet)号喷⽓客机坠⼊地中海（机⾝舱门拐⾓处开裂）；1980年3⽉27⽇，英国北海油⽥Kielland 号钻井平台倾复；127⼈落⽔只救起89⼈。主要原因是由变应⼒和裂纹导致的断裂。⼯程实际中发⽣的疲劳断裂破坏，占全部⼒学破坏的50％-90%，是机械、结构失效的最常见形式。

⼆，定义

疲劳：疲劳是在某点或某些点承受交变应⼒，且在⾜够多的循环交变作⽤之后形成裂纹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。

交变载荷：结构所承受的载荷经常有规律地变化着他它的⼤⼩，或者拉压交替变化。称为交变载荷或变值载荷。

交变应⼒：在交变载荷作⽤下，结构中的应⼒也随之有规律地改变着它的⼤⼩与⽅向。

当量交变载荷：平均应⼒不为零时真实的交变应⼒与平均应⼒为零时产⽣的疲劳破坏相同的应⼒。

疲劳极限：当最⼤应⼒减⼩到某⼀临界值以后，试件就可以经历⽆穷多次应⼒循环⽽不发⽣疲劳破坏，这个临界值就称为疲劳极限。

三，结构：应⼒分析基本上都是针对容器的局部区域进⾏的，因此在计算条件确定后应进⾏结构分析，以确定应⼒分析部位并建⽴⼒学模型。原则上容器的所有⼏何不连续点和承受局部载荷的元件都应作为应⼒分析部位，根据分析部位的结构形式和载荷形式建⽴相应的⼒学模型。

材料：最⼤应⼒低于材料强度极限或屈服极限；没有明显的塑性变形。断⼝表⾯上呈现出两个划分明显的区域。

载荷：载荷谱如开、停车次数、压⼒或温度波动幅度和周期等。分布载荷如温度、压⼒、⾃重等。局部载荷如管道推⼒、弯矩、扭矩、局部温度梯度等。谱载荷如开、停车次数、压⼒或温度波动幅度和周期等。容器制造过程中、⽔压试验、⼯作中的超载等留下的残余应⼒。

环境：周期性的温度变化。

时间：构件长期在交变应⼒下。

四，疲劳的特点：交变应⼒，局部⾼应⼒，裂纹，发展过程。

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

机械工程中的疲劳分析和寿命规范要求

疲劳分析和寿命规范是机械工程中极其重要的领域，涉及到材料的耐久性、结构的安全性以及机械设备的可靠性。本文将介绍疲劳分析的基本概念和原理，并探讨机械工程中对材料和结构的寿命规范要求。

一、疲劳分析的基本概念和原理

疲劳是机械材料或结构在交变载荷下发生的渐进性破坏现象，常出现在受到循环或周期作用的材料和结构中。疲劳分析是通过对材料和结构在交变载荷作用下的破坏行为进行研究，来预测和评估其寿命和可靠性的一种方法。

疲劳分析过程通常包括以下几个步骤：

1. 确定载荷：对于不同的机械设备和材料，载荷形式和大小都不尽相同。在疲劳分析过程中，需要准确确定实际工作载荷下的应力和应变分布。

2. 建立应力循环振幅和寿命曲线：通过实验或数值模拟，获得不同应力循环下材料和结构的疲劳寿命。这通常表示为应力循环振幅和寿命之间的关系曲线。

3. 疲劳损伤评估：利用疲劳损伤理论，根据应力循环振幅和疲劳寿命曲线，评估材料或结构在实际工况下的疲劳损伤程度。 4. 寿命预测和可靠性评估：基于疲劳损伤评估结果，通过可靠性分析和寿命预测方法，确定材料或结构在一定载荷下的可靠寿命和安全系数，为实际设计和使用提供指导。

二、机械工程中的寿命规范要求

机械工程中的寿命规范要求是根据材料和结构的疲劳分析结果，制定的具体要求和标准。以下是一些常见的机械工程中的寿命规范要求：

1. 疲劳寿命要求：根据疲劳分析结果和设备使用要求，确定机械设备和结构的寿命要求。这可以是固定的循环次数，也可以是预计的使用年限。

2. 安全系数要求：为了确保机械设备和结构在使用过程中的可靠性和安全性，通常会在疲劳寿命的基础上，设置一个安全系数。安全系数可以根据设备的特点和使用环境的不同而有所调整。

3. 维护要求：机械设备和结构在使用过程中，需要定期进行维护和检修，以保证其正常运行和延长使用寿命。维护要求通常包括定期润滑、紧固螺栓、更换易损件等内容。

疲劳分析理论

1 耐久性理论知识 ................................................................................................................... 2

1.1 耐久性分析介绍 ........................................................................................................... 2

1.2 循环应力-循环应变行为介绍 ...................................................................................... 6

1.3 强度评估介绍 ............................................................................................................... 8

1.4 疲劳安全评估 ............................................................................................................... 9

1.5 单元自由面的疲劳计算 ............................................................................................. 10

1.6 累积破坏 ..................................................................................................................... 10

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。

疲劳分析方法

第 1 页共 15 页疲劳寿命分析方法

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。

ANSYS疲劳分析

疲劳是指结构在低于静态极限强度载荷的重复载荷作用下，出现断裂破坏的

现象。例如一根能够承受 300 KN 拉力作用的钢杆，在 200 KN 循环载荷作用

下，经历 1,000,000 次循环后亦会破坏。导致疲劳破坏的主要因素如下：

载荷的循环次数；

每一个循环的应力幅；

每一个循环的平均应力；

存在局部应力集中现象。

真正的疲劳计算要考虑所有这些因素，因为在预测其生命周期时，它计算“消

耗”的某个部件是如何形成的。

1. ANSYS程序处理疲劳问题的过程

ANSYS 疲劳计算以ASME锅炉和压力容器规范(ASME Boiler and Pressure

Vessel Code)作为计算的依据，采用简化了的弹塑性假设和Mimer累积疲劳准则。

除了根据 ASME 规范所建立的规则进行疲劳计算外，用户也可编写自己的宏指

令，或选用合适的第三方程序，利用 ANSYS 计算的结果进行疲劳计算。《ANSYS

APDL Programmer’s Guide》讨论了上述二种功能。ANSYS程序的疲劳计算能力

如下：

(1) 对现有的应力结果进行后处理，以确定体单元或壳单元模型的疲劳寿命耗用

系数(fatigue usage factors)(用于疲劳计算的线单元模型的应力必须人工输

入)；

(2) 可以在一系列预先选定的位置上，确定一定数目的事件及组成这些事件的载

荷，然后把这些位置上的应力储存起来；

(3) 可以在每一个位置上定义应力集中系数和给每一个事件定义比例系数。

2. 基本术语

位置(Location)：在模型上储存疲劳应力的节点。这些节点是结构上某些容易产

生疲劳破坏的位置。

事件(Event)：是在特定的应力循环过程中，在不同时刻的一系列应力状态。

载荷(Loading)：是事件的一部分，是其中一个应力状态。

应力幅：两个载荷之间应力状态之差的度量。程序不考虑应力平均值对结果的影响。

3. 疲劳计算

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。

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。