ansys workbench疲勞分析流程

2016-08-21 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

基于S-N曲線的疲勞分析的最終目的是將變化無規(guī)律的多軸應力轉(zhuǎn)化為簡單的單軸應力循環(huán),以便查詢S-N曲線,得到相應的疲勞壽命。ansysworkbench的疲勞分析模塊采用如下流程,其中r=Smin/Smax,Sa為應力幅度,Sm應力循環(huán)中的應力均值,注意后一個m不是大寫:):
(1)無規(guī)律多軸應力-->無規(guī)律單軸應力
這個轉(zhuǎn)換其實就是采用何種應力(或分量)。只能有以下選擇:
Von-Mises等效應力;最大剪應力;最大主應力;或某一應力分量(Sx,Syz等等)。有時也采用帶符號的Mises應力(大小不變等于Mises應力,符號取最大主應力的符號,好處是可以考慮拉或壓的影響(反映在平均應力或r上))。同強度理論類似,Von-Mises等效應力和最大剪應力轉(zhuǎn)換適用于延展性較好的材料,最大主應力轉(zhuǎn)換用于脆性材料。

(2)無規(guī)律單軸應力-->簡單單軸應力循環(huán)
其本質(zhì)是從無規(guī)律的高高低低的等效單軸應力--時間曲線中提取出一系列的簡單應力循環(huán)(用Sa,Sm表征)以及對應的次數(shù)。有很多種方法可以完成此計數(shù)和統(tǒng)計工作,其中又分為路徑相關方法和路徑無關方法。用途最廣的雨流法(rain flow counting method)就是一種路徑相關方法。其算法和原理可見“Downing, S., Socie, D. (1982) Simplified rain flow counting algorithms. Int J Fatigue,4, 31–40“。
經(jīng)過雨流法的處理后,無規(guī)律的應力--時間曲線轉(zhuǎn)化為一系列的簡單循環(huán)(Sa,Sm和ni,ni為該循環(huán)的次數(shù),Sm如果不等于0,即r!=-1,需要考慮r的影響)。然后將r!=-1的循環(huán)再轉(zhuǎn)化到r=-1對應的應力循環(huán)(見下),這樣就可以根據(jù)損傷累計理論(Miner準則)計算分析了:Sum(ni/Ni) Ni為該應力循環(huán)對應的壽命(考慮Sa,Sm)。

(3)r!=-1的簡單單軸應力循環(huán)-->r=-1的r!=-1的簡單單軸應力循環(huán)
如果有不同r值下的S-N曲線,一般采用插值方法確定未知r值下的S-N曲線。如果只有r=-1的S-N曲線,可采用如下的公式計算等效的應力(就是將r!=-1的單軸應力轉(zhuǎn)換為r=-1時的單軸應力,即等效應力):
(Sa/Se)+(Sm/Su)^n=1 ^為指數(shù)運算符。
其中,Sa為半應力幅值,Se為欲求的等效應力,Sm為平均應力,Su和n不同的取值,構成不同的理論:
Theory             Su                            n
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Soderberg          yield stress (sy)                1
Goodman ultimate tensile stress (su)       1
Gerber       ultimate tensile stress (su)       2
Morrow    true fracture stress (sf)             1
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至此,已經(jīng)可以查詢標準的S-N曲線了,結(jié)合Miner準則,就可以計算疲勞壽命。

結(jié)構失效的一個常見原因是疲勞,其造成破壞與重復加載有關。疲勞通常分為兩類:

1)高周疲勞是當載荷的循環(huán)(重復)次數(shù)高(如1e4 -1e9)的情況下產(chǎn)生的。因此,應力通常比材料的極限強度低。應力疲勞( Stress-based)用于高周疲勞。

2)低周疲勞是在循環(huán)次數(shù)相對較低時發(fā)生的。塑性變形常常伴隨低周疲勞,其闡明了短疲勞壽命。一般認為應變疲勞( strain-based)應該用于低周疲勞計算。

在ANSYS Workbench結(jié)構分析模塊的后處理中的疲勞計算工具可以完成高周疲勞和低周疲勞的計算。