疲劳分析相关设置(一)

文摘   2024-11-11 23:25   安徽  
接着上节的疲劳分析流程,本节详细讨论疲劳分析相关的各项设置

疲劳分析流程中所述的前置分析类型不全,还应包括随机振动、谐响应分析,响应谱分析以及组合分析等(原文已修改)。前置的分析包括建立模型、网格划分、设定边界条件及加载和分析求解等步骤。然而,在疲劳分析中,材料属性除了基本的弹性模量、泊松比等外,还需要包括疲劳特性参数(如S-N曲线或E-N曲线数据);网格划分要确保关键区域(如应力集中部位)的网格质量,以获得更精确的应力或应变分布;加载应根据工况和疲劳分析的需求来施加;如果材料的塑性特征对疲劳寿命有影响,应选择非线性分析,以准确计算应力集中问题。

对于应变-寿命方法,材料必须定义应变-寿命参数;对于应力-寿命方法,材料必须定义 S-N 曲线。Workbench关于寿命的材料模型,主要包括以下四种类型,如下图所示。

1)线性S-N曲线

所有基于频率的疲劳公式都由材料的应力(S)和寿命循环次数(N)之间的关系式表达。S-N关系可用以上三种S-N曲线的任意一种表示。单段的S-N曲线通常用以下方程描述,

其中A为疲劳强度系数,m为疲劳强度指数,S表示应力幅值,N为循环次数。对于两个线性S-N曲线,应力单位必须是Pa。

线性S-N曲线假设应力与寿命之间的关系在双对数坐标下呈线性,即S-N曲线在对数图上是一条直线。这种方法适用于许多金属材料在较高循环寿命范围(通常是高周疲劳)下的情况。应力-寿命之间的关系可通过以下公式描述,

材料模型中对应输入A和m,如下所示。

2)双线性S-N曲线

双线性S-N曲线用于描述材料在低应力区和高应力区的不同疲劳行为。在对数坐标下,双线性S-N曲线由两条直线组成,一般用于低周疲劳和高周疲劳的混合情况,特别是材料在高应力和低应力水平下的疲劳特性存在不同特性的材料。在高应力区和低应力区分别使用两条线性段来描述应力与寿命的关系。在高应力范围内衰减较快,而在低应力范围内衰减较慢。两段S-N曲线公式为,

其中A为第一疲劳强度系数,m为第一疲劳强度指数,C为第二疲劳强度系数,r为第二疲劳强度指数。

转换为双对数坐标,方程即为,

材料模型可通过两种形式定义,系数和指数定义以及过渡点定义。
系数和指数定义法,直接输入A,m,C和r四个参数,其余参数自动计算。

过渡点定义法,直接输入m,r,Nq,Sq四个参数,其余参数自动计算。Sq为过渡点的应力幅值(单位Pa),Nq为过渡点的循环次数。

3)S-N曲线
S-N曲线数据可以根据平均应力、应力比r或温度单独进行定义,不同的平均应力、应力比r或温度对应一条S-N曲线。还可以定义插值方法,主要包括对数-对数、半对数和线性三种方法。需要注意的是,曲线的数据必须大于零。有材料测试数据的,优先使用测试数据。

对于基于频率的疲劳,如果材料模型仅提供S-N曲线表(而不是上述的线性/双线性S-N曲线),则求解器将使用S-N表的第一点和最后一点通过上述单段的S-N曲线方程执行线性插值,并得出所需的参数A和m来进行求解。如果材料模型提供了任一曲线参数(线性/双线性S-N曲线,则将直接使用它们,并忽略已经定义的S-N曲线表。

这是因为ANSYS Workbench的基于频率的疲劳分析中,S-N曲线必须是线性的。主要是由于这种分析方法的数学模型和计算方式。基于频率的疲劳分析依赖于快速傅里叶变换(FFT)和线性累积损伤模型(如Miner准则),在频域内处理载荷谱。线性S-N曲线是频域疲劳分析的一种合理近似,能够在精度和计算效率之间找到平衡。对于需要更高精度的疲劳分析(尤其是涉及非线性材料行为的情况),通常会使用基于时域的疲劳分析方法,这样可以更灵活地处理复杂的S-N曲线和材料模型。

4)应变寿命参数

该模型包括四个应变寿命参数和两个循环应力-应变参数。四个应变寿命参数,疲劳强度系数、疲劳强度指数、疲劳延性系数以及疲劳延性指数。详细介绍见疲劳极限及寿命曲线

两个循环应力-应变参数,循环强度系数K'和循环应变硬化指数n'。

材料模型中依次输入上述6和参数,即可定义应变寿命参数模型。

下节讨论Fatigue Tool相关设置。
参考资料:ANSYS HELP

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