ANSYS疲勞分析介紹

3.1 疲勞的定義

疲勞是指結構在低於靜態極限強度載荷的重複載荷作用下，出現斷裂破壞的現象。例如一根能夠承受 300 kn 拉力作用的鋼桿，在 200 kn 迴圈載荷作用下，經歷 1,000,000 次迴圈後亦會破壞。導致疲勞破壞的主要因素如下：

載荷的迴圈次數；

每乙個迴圈的應力幅；

每乙個迴圈的平均應力；

存在區域性應力集中現象。

真正的疲勞計算要考慮所有這些因素，因為在**其生命週期時，它計算「消耗」的某個部件是如何形成的。

3.1.1 ansys程式處理疲勞問題的過程

ansys 疲勞計算以a**e鍋爐和壓力容器規範(a**e boiler and pressure vessel code)第三節(和第八節第二部分)作為計算的依據，採用簡化了的彈塑性假設和mimer累積疲勞準則。

除了根據 a**e 規範所建立的規則進行疲勞計算外，使用者也可編寫自己的巨集指令，或選用合適的第三方程式，利用 ansys 計算的結果進行疲勞計算。《ansys apdl programmer『s guide》討論了上述二種功能。

ansys程式的疲勞計算能力如下：

對現有的應力結果進行後處理，以確定體單元或殼單元模型的疲勞壽命耗用係數(fatigue usage factors)(用於疲勞計算的線單元模型的應力必須人工輸入)；

可以在一系列預先選定的位置上，確定一定數目的事件及組成這些事件的載荷，然後把這些位置上的應力儲存起來；

可以在每乙個位置上定義應力集中係數和給每乙個事件定義比例係數。

3.1.2 基本術語

位置(location)：在模型上儲存疲勞應力的節點。這些節點是結構上某些容易產生疲勞破壞的位置。

事件(event)：是在特定的應力迴圈過程中，在不同時刻的一系列應力狀態，見本章 §3.2.3.4。

載荷(loading)：是事件的一部分，是其中乙個應力狀態。

應力幅：兩個載荷之間應力狀態之差的度量。程式不考慮應力平均值對結果的影響。

3.2 疲勞計算

完成了應力計算後，就可以在通用後處理器 post1 中進行疲勞計算。一般有五個主要步驟：

1、進入後處理 post1，恢復資料庫；

2、建立位置、事件和載荷的數目，定義材料疲勞性質，確定應力位置和定義應力集中係數；

3、儲存不同事件和不同載荷下關心位置的應力，並指定事件的重複次數和比例係數；

4、啟用疲勞計算；

5、檢視結果。

3.2.1 進入post1和恢復資料庫

依照下列步驟進行疲勞計算：

1、進入post1

命令：post1

gui：main menu>general postproc

2、把資料庫檔案(jobname.db)讀入到在記憶體中(如果所要做的疲勞計算是正在進行的 ansys 計算過程的繼續,則jobname.db檔案已在記憶體中)。

結果檔案(jobname.rst)必須已經存在並將其讀入記憶體。

命令：resume

gui：utility menu>file>resume from

3.2.2 建立疲勞計算的規模、材料疲勞性質和疲勞計算的位置

定義下列資料：

位置、事件和載荷的最大數目；

材料的疲勞性質；

應力位置與應力集中係數(scfs)。

1、定義位置、事件和載荷的最大數目

預設情況下，疲勞計算最多包括5個節點位置，10個事件，每個事件中3個載荷。如果需要，可以通過下面的命令來設定較大的規模(即較多的位置、事件和載荷)。

命令：ftsize

gui：main menu>general postproc>fatigue>size settings

2、定義材料的疲勞性質

為了計算各種耗用係數，以及為了包含簡化彈塑性效應，必須定義材料的疲勞性質。在疲勞計算中，感興趣的材料性質有：

s-n 曲線：應力幅[(**ax-**in)/2]-疲勞迴圈次數的關係曲線。a**e s-n 曲線考慮了最大平均應力的影響。

如果需要，應把輸入的 s-n 曲線進行調節以便考慮平均應力強度效應。如果不輸入s-n曲線，那麼對於各種可能的應力狀態的組合，應力幅將降序排列，但不計算耗用係數。

命令：fp

gui：main menu>general postproc>fatigue>s-n table

**-t曲線：設計應力強度值-溫度曲線。如要考慮檢查應力範圍是否進入塑性，就必須定義該曲線。

命令：fp

gui：main menu>general postproc>fatigue>**_t table

彈塑性材料引數 m 和 n(應變強化指數)。只在需要使用簡化的彈塑性準則時，才輸入 m、n。這些引數可以從 a**e 規範中獲得。

命令：fp

gui：main menu>general postproc>fatigue>elas-plas par

下述例子說明了用於輸入疲勞材料性質的fp命令的使用方法：

! define the s-n table:

fp,1,10,30,100,300,1000,10000 ! allowable cycles, n

fp,7,100000,1000000 ! "

fp,21,650,390,240,161,109,59 ! alternating stress-

fp,27,37,26 ! intensity range, s, ksi

! define the **-t table:

fp,41,100,200,300,400,500,600 ! temperature, deg f

fp,47,650,700,750,800 ! "

fp,51,20,20,20,18.7,17.4,16.4 ! "design stress-intensity

fp,57,16.1,15.9.15.5,15.1 ! value", ** (=2/3*sy or

! 1/3 *su), ksi

! define the elastic-plastic material parameters:

fp,61,1.7,.3 ! m and n

3、定義應力位置和應力集中係數

下面的選項允許使用者顯式地定義疲勞計算中關心的節點位置、該位置的應力集中係數，以及在該位置的乙個短的標題(可用20個字母)。

命令：fl

gui：main menu>general postproc>fatigue>stress locations

注意--不是所有的疲勞分析都需要使用fl命令。如果使用fs、fsnode或fssect等命令(見下)，則疲勞節點位置是自動定義的。假使在建模時包含有足夠細的網格，則所計算的應力是準確的，因此不必指定應力集中係數 scfs (但是如果考慮表面影響、尺寸影響和腐蝕影響，則仍然需要指定 scfs )。

在計算疲勞時如果只需要考察乙個位置，則可以省略標題。假使定位明確，或是不需要應力集中係數和標題，則可完全不使用fl命令。

這裡給出了在乙個圓柱筒分析中應用fl命令的例子。整體座標 y 軸為旋轉軸。在不同璧厚交界處的外壁給出了應力集中係數 scfs (針對軸向線性化應力)。

fl,1,281,,,,line 1 at inside

fl,2,285,,1.85,,line 1 at outside

fl,3,311,,,,line 2 at inside

fl,4,315,,2.11,,line 2 at outside

圖3-1 圓柱筒應力集中係數 scfs

3.2.3 儲存應力、指定事件迴圈次數和比例因子3.2.3.1 儲存應力

為了進行疲勞計算，程式必須知道每乙個位置上不同事件和載荷時的應力，以及每乙個事件的迴圈次數。可採用下列選項來儲存每乙個位置、事件和載荷組合情況下的應力：

人工儲存應力；

從(jobname.rbt)檔案中取得節點應力；

橫截面應力。

[警告]：程式從不假定存在0應力條件。如果一定要考慮零應力條件，就必須在每乙個事件中明確地輸入何處產生零應力。

下面的命令序列，說明如何儲存應力。在某些情況下，使用者也可以用lcase命令代替set命令。

人工儲存應力： fs

從jobname.rst中取出節點應力： set，fsnode

橫截面應力： path，ppath，set，fssect

(橫截面計算也需從jobname.rst的資料中取得)

可以用不同的方法在乙個事件中儲存應力。下面說明各種不同的方法。

3.2.3.1.1 人工儲存應力

可以人工儲存應力和溫度(不是直接從jobname.rst的結果檔案取得)。在這種情況下，實際並沒有將 post1 的疲勞模組作為後處理器，而是僅僅作為疲勞計算器使用。

線單元(如梁單元)的應力必須人工輸入，因為疲勞模組不能如體元或殼元那樣從結果檔案中讀取資料。

命令：fs

gui：main menu>general postproc>fatigue>-store stresses-

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