ANSYS結(jié)構(gòu)分析指南-疲勞

ANSYS結(jié)構(gòu)分析指南第三章疲勞的定義疲勞是指結(jié)構(gòu)在低于靜態(tài)極限強度載荷的重復(fù)載荷作用下,出現(xiàn)斷裂破壞的現(xiàn)象。例如一根能夠承受300KN拉力作用的鋼桿，在200KN循環(huán)載荷作用下，經(jīng)歷1，000,000次循環(huán)后亦會破壞.導(dǎo)致疲勞破壞的主要因素如下：載荷的循環(huán)次數(shù)；每一個循環(huán)的應(yīng)力幅；每一個循環(huán)的平均應(yīng)力;存在局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。真正的疲勞計算要考慮所有這些因素,因為在預(yù)測其生命周期時，它計算“消耗”的某個部件是如何形成的。1ANSYS程序處理疲勞問題的過程ANSYS疲勞計算以ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范（ASMEBoilerandPressureVesselCode）第三節(jié)（和第八節(jié)第二部分）作為計算的依據(jù)，采用簡化了的彈塑性假設(shè)和Mimer累積疲勞準則.除了根據(jù)ASME規(guī)范所建立的規(guī)則進行疲勞計算外，用戶也可編寫自己的宏指令，或選用合適的第三方程序，利用ANSYS計算的結(jié)果進行疲勞計算.《ANSYSAPDLProgrammer'sGuide》討論了上述二種功能.ANSYS程序的疲勞計算能力如下：對現(xiàn)有的應(yīng)力結(jié)果進行后處理，以確定體單元或殼單元模型的疲勞壽命耗用系數(shù)（fatigueusagefactors）（用于疲勞計算的線單元模型的應(yīng)力必須人工輸入）;可以在一系列預(yù)先選定的位置上，確定一定數(shù)目的事件及組成這些事件的載荷,然后把這些位置上的應(yīng)力儲存起來;可以在每一個位置上定義應(yīng)力集中系數(shù)和給每一個事件定義比例系數(shù)。3。1。2基本術(shù)語位置(Location):在模型上儲存疲勞應(yīng)力的節(jié)點.這些節(jié)點是結(jié)構(gòu)上某些容易產(chǎn)生疲勞破壞的位置。事件(Event)：是在特定的應(yīng)力循環(huán)過程中，在不同時刻的一系列應(yīng)力狀態(tài)，見本章§3。2。3。4。載荷(Loading):是事件的一部分，是其中一個應(yīng)力狀態(tài)。應(yīng)力幅：兩個載荷之間應(yīng)力狀態(tài)之差的度量。程序不考慮應(yīng)力平均值對結(jié)果的影響。疲勞計算完成了應(yīng)力計算后，就可以在通用后處理器POST1中進行疲勞計算.一般有五個主要步驟：1、進入后處理POST1，恢復(fù)數(shù)據(jù)庫；2、建立位置、事件和載荷的數(shù)目，定義材料疲勞性質(zhì)，確定應(yīng)力位置和定義應(yīng)力集中系數(shù)；3、存儲不同事件和不同載荷下關(guān)心位置的應(yīng)力，并指定事件的重復(fù)次數(shù)和比例系數(shù);4、激活疲勞計算；5、查看結(jié)果。3。2。1進入POST1和恢復(fù)數(shù)據(jù)庫依照下列步驟進行疲勞計算:1、進入POST1命令：POST1GUI:MainMenu〉GeneralPostproc2、把數(shù)據(jù)庫文件（Jobname.DB）讀入到在內(nèi)存中（如果所要做的疲勞計算是正在進行的ANSYS計算過程的繼續(xù)，則Jobname.DB文件已在內(nèi)存中）。結(jié)果文件（Jobname。RST）M須已經(jīng)存在并將其讀入內(nèi)存。命令：RESUMEGUI:UtilityMenu〉File>Resumefrom3.2.2建立疲勞計算的規(guī)模、材料疲勞性質(zhì)和疲勞計算的位置定義下列數(shù)據(jù)：位置、事件和載荷的最大數(shù)目；材料的疲勞性質(zhì);應(yīng)力位置與應(yīng)力集中系數(shù)（SCFs）。1、定義位置、事件和載荷的最大數(shù)目缺省情況下,疲勞計算最多包括5個節(jié)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(shè)置較大的規(guī)模（即較多的位置、事件和載荷）.命令：FTSIZEGUI：MainMenu〉GeneralPostproc>Fatigue〉SizeSettings2、定義材料的疲勞性質(zhì)為了計算各種耗用系數(shù)，以及為了包含簡化彈塑性效應(yīng)，必須定義材料的疲勞性質(zhì)。在疲勞計算中，感興趣的材料性質(zhì)有:S-N曲線：應(yīng)力幅［(Smax—Smin)⑵一疲勞循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線。ASMES-N曲線考慮了最大平均應(yīng)力的影響.如果需要，應(yīng)把輸入的S-N曲線進行調(diào)節(jié)以便考慮平均應(yīng)力強度效應(yīng).如果不輸入S—N曲線，那么對于各種可能的應(yīng)力狀態(tài)的組合，應(yīng)力幅將降序排列，但不計算耗用系數(shù)。命令:FPGUI:MainMenu〉GeneralPostproc〉Fatigue>S-NTableSm-T曲線：設(shè)計應(yīng)力強度值-溫度曲線.如要考慮檢查應(yīng)力范圍是否進入塑性，就必須定義該曲線。命令：FPGUI：MainMenu〉GeneralPostproc〉Fatigue〉Sm_TTable彈塑性材料參數(shù)M和N(應(yīng)變強化指數(shù))。只在需要使用簡化的彈塑性準則時，才輸入M、N。這些參數(shù)可以從ASME規(guī)范中獲得。命令：FPGUI：MainMenu〉GeneralPostproc>Fatigue>Elas-plasPar下述例子說明了用于輸入疲勞材料性質(zhì)的FP命令的使用方法：！DefinetheS-Ntable：FP，1,10,30,100,300,1000,10000!AllowableCycles，NFP，7,100000，1000000！"FP,21，650，390，240，161,109，59！AlternatingStress-FP,27,37，26！IntensityRange,S，ksi！DefinetheSm-Ttable：FP，41，100,200,300，400,500,600！Temperature,degFFP,47，650,700，750，800!”FP,51,20,20,20,18。7,17.4,16。4!"DesignStress—IntensityFP，57,16.1，15.9.15。5,15。1!Value",Sm（=2/3*Syor！1/3＊Su），ksi!Definetheelastic-plasticmaterialparameters:FP，61，1.7,.3!MandN3、定義應(yīng)力位置和應(yīng)力集中系數(shù)下面的選項允許用戶顯式地定義疲勞計算中關(guān)心的節(jié)點位置、該位置的應(yīng)力集中系數(shù)，以及在該位置的一個短的標題（可用20個字母）。命令：FLGUI:MainMenu〉GeneralPostproc〉Fatigue>StressLocations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(jié)點位置是自動定義的.假使在建模時包含有足夠細的網(wǎng)格，則所計算的應(yīng)力是準確的，因此不必指定應(yīng)力集中系數(shù)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一個位置，則可以省略標題.假使定位明確，或是不需要應(yīng)力集中系數(shù)和標題,則可完全不使用FL命令。

這里給出了在一個圓柱筒分析中應(yīng)用FL命令的例子.整體坐標Y軸為旋轉(zhuǎn)軸。在不同璧厚交界處的外壁給出了應(yīng)力集中系數(shù)SCFs(針對軸向線性化應(yīng)力)。FL,1,281,,,,Line1atinsideFL,2,285,1。85,,Line1atoutsideFL，3,311FL,2,285,1。85,,Line1atoutsideFL，3,311,，,Line2atinsideFL,4,315,,2。11,FL,4,315,,2。11,,Line2atoutside圖3-1圓柱筒應(yīng)力集中系數(shù)SCFs3。2。3儲存應(yīng)力、指定事件循環(huán)次數(shù)和比例因子3。2。3.1儲存應(yīng)力為了進行疲勞計算，程序必須知道每一個位置上不同事件和載荷時的應(yīng)力，以及每一個事件的循環(huán)次數(shù).可采用下列選項來存儲每一個位置、事件和載荷組合情況下的應(yīng)力：人工儲存應(yīng)力；從(Jobname.RBT)文件中取得節(jié)點應(yīng)力;橫截面應(yīng)力。［警告］：程序從不假定存在。應(yīng)力條件。如果一定要考慮零應(yīng)力條件,就必須在每一個事件中明確地輸入何處產(chǎn)生零應(yīng)力。下面的命令序列，說明如何存儲應(yīng)力。在某些情況下，用戶也可以用LCASE命令代替SET命令。人工儲存應(yīng)力：FS從Jobname.RST中取出節(jié)點應(yīng)力：SET，F(xiàn)SNODE橫截面應(yīng)力:PATH，PPATH，SET，F(xiàn)SSECT（橫截面計算也需從Jobname.RST的數(shù)據(jù)中取得）可以用不同的方法在一個事件中儲存應(yīng)力。下面說明各種不同的方法。3。2.3.1。1人工儲存應(yīng)力可以人工存儲應(yīng)力和溫度（不是直接從Jobname。RST的結(jié)果文件取得）。在這種情況下,實際并沒有將POST1的疲勞模塊作為后處理器，而是僅僅作為疲勞計算器使用.線單元（如梁單元）的應(yīng)力必須人工輸入，因為疲勞模塊不能如體元或殼元那樣從結(jié)果文件中讀取數(shù)據(jù).命令：FSGUI：MainMenu〉GeneralPostproc〉Fatigue>—StoreStresses-SpecifiedVal下面的例子說明用上述命令輸入的方式：FS,201，1,2,1,—2。0，21。6,15.2,4.5,0。0，0。0FS，201,1，2，7，450.3在這個例子中，只輸入了全應(yīng)力（1~6項）和溫度。如果還要輸入線性化應(yīng)力，它們將緊隨在溫度后面，即8~13項。注意——對只有軸向應(yīng)力的梁單元，只需輸入一個應(yīng)力分量（SX），其余各項空白.3.1。2從結(jié)果文件中提取應(yīng)力該方法把包含有6個分量的節(jié)點應(yīng)力向量直接儲存在結(jié)果的數(shù)據(jù)庫內(nèi)。隨后可以用FS命令修正存入的應(yīng)力分量。注意--在執(zhí)行FSNODE命令之前，必須使用SET命令，可能還有SHELL命令。SET命令從數(shù)據(jù)庫的Jobname.RST文件中讀取某一特殊載荷子步下的結(jié)果，SHELL命令可選擇從殼單元的頂面、中面或底面讀取結(jié)果（缺省是從頂面讀取結(jié)果）。命令:FSNODEGUI：MainMenu>GeneralPostproc>Fatigue〉—StoreStresses-FromrstFile下面給出用FSNODE命令在一個事件的一個節(jié)點位置輸入應(yīng)力結(jié)果的例子：SET,1！Definedatasetforloadstep1FSNODE,123,1,1!Stressvectoratnode123assignedtoevent1，！loading1.SET,2!Definedatasetforloadstep2FSNODE,123,1,2!。。.event1,loading2SET,3!..。loadstep3FSNODE，123，1,3！.。。event1,loading3圖3-2一個事件中的三個荷載3.1.3橫截面應(yīng)力本選項計算和存儲截面路徑（它是由以前的PATH和PPATH命令定義的）端點的線性化應(yīng)力。因為通常線性化應(yīng)力計算是在能代表兩個表面的最短距離的線段上進行的，因此，只需在兩個表面上各取一個點來描述PPATH命令中的路徑。這一步驟將從計算結(jié)果的數(shù)據(jù)庫中獲得應(yīng)力；因此必須在SET命令之前使用FSSECT命令。用FSSECT命令儲存的應(yīng)力分量可用FS命令修正.命令：FSSECTGUI:MainMenu>GeneralPostproc>Fatigue〉-StoreStresses-AtCrossSect使用FSSECT命令的方法可用下述例子說明。如果節(jié)點位置沒有在FL命令中指定，則在該例子中命令FSSECT將自動給兩個路徑節(jié)點391和395設(shè)定位置編號。見圖3—3。圖3-3在執(zhí)行FSSECT命令之前由PPATH命令識別的表面節(jié)點2列表、顯示或刪除儲存的應(yīng)力用下列選項對儲存的應(yīng)力進行列表、繪圖或刪除。1、列出每一個位置、每一個事件、每一種載荷或每一種應(yīng)力狀態(tài)下的儲存應(yīng)力：命令：FSLISTGUI：MainMenu>GeneralPostproc〉FatigueA一StoreStresses—ListStresses2、對某一位置和事件，以載荷號的函數(shù)來顯示應(yīng)力項：命令：FSPLOTGUI：MainMenu〉GeneralPostproc〉Fatigue〉-StoreStresses-PlotStresses3、刪除儲存在某一位置、事件和載荷下的應(yīng)力狀態(tài)：命令:FSDELEGUI：MainMenu>GeneralPostproc〉Fatigue>一StoreStresses一DeleStresses4、刪除某一位置上的所有應(yīng)力：命令：FLGUI：MainMenu〉GeneralPostproc>Fatigue〉StressLocations5、刪除在某一事件中各種載荷下的所有應(yīng)力：命令：FEGUI：MainMenu〉GeneralPostproc〉Fatigue>EraseEventData3。2.3。3設(shè)定事件重復(fù)次數(shù)和比例系數(shù)本選項確定事件重復(fù)次數(shù)（對該事件的所有荷載和所有位置）。也可對該事件中構(gòu)成載荷的所有應(yīng)力施加比例系數(shù).命令：FEGUI：MainMenu>GeneralPostproc>Fatigue〉A(chǔ)ssignEvents下面給出該步驟的一個例子:FE，1，-1 ！Eraseallparametersandfatiguestressesformerly!usedforevent1.FE,2,100,1o2!Assign100occurrencestoevents2,3and4,＊REPEAT，3,1!andscaleby1。2.FE，5，500!Assign500occurrencestoevent5o3.2.3o4獲得準確的耗用系數(shù)結(jié)構(gòu)常常承受各種最大和最小應(yīng)力，它們發(fā)生的順序是未知的（甚至是隨機的）。因此就必須小心地考慮如何在各種可能的應(yīng)力范圍內(nèi)，得到正確的重復(fù)循環(huán)次數(shù)，以獲得有效的疲勞壽命耗用系數(shù)。ANSYS程序自動計算所有可能的應(yīng)力范圍，同時采用我們通常所知道的“雨流”法記數(shù)，跟蹤這些應(yīng)力發(fā)生的次數(shù)。在選定的節(jié)點位置，對所有事件進行搜索，以尋找產(chǎn)生最大應(yīng)力幅的載荷對（應(yīng)力矢量）。記錄這些應(yīng)力幅的重復(fù)次數(shù)，同時包含這些載荷的事件的剩余重復(fù)次數(shù)隨之減少。最終至少有一個事件在某一位置被“用光”,而屬于這一事件的其它應(yīng)力狀態(tài),在隨后的過程中將被忽略。這一過程一直進行著，直到所有的應(yīng)力幅及重復(fù)次數(shù)都被計及后結(jié)束。［警告］通常容易誤用疲勞模塊的記數(shù)功能。如果需要使疲勞計算得到正確的耗用系數(shù)，就必須小心地設(shè)計好事件。設(shè)計事件時遵循下列規(guī)則:1、了解ANSYS的內(nèi)部邏輯記數(shù)算法，參見《ANSYSTheoryReference》§19.5,詳細地講述ANSYS程序如何記數(shù).2、由于在三維應(yīng)力狀態(tài)，很難預(yù)測哪一個載荷步具有極值應(yīng)力，因此可以對每一個事件采用多個載荷群，以便成功獲得極值應(yīng)力（見圖3—2）。3、如果在某一給定的事件中,只包含一個極值應(yīng)力，則將獲得一個較保守的結(jié)果。如果在一個事件中,引入不止一個極值應(yīng)力，則有時將產(chǎn)生不保守的結(jié)果。如下例所示：考察一個加載歷程，由兩個稍有不同的循環(huán)構(gòu)成:—50.0ksi。載荷循環(huán)1：做500次循環(huán)，Sx=+50.0 50。1—50.0ksi。載荷循環(huán)2：做1000次循環(huán)，Sx=+50.1顯然這是應(yīng)力幅為50Ksi的1500次循環(huán).然而，如果不小心把這些載荷劃分成兩個事件，則將導(dǎo)致不正確的記數(shù)結(jié)果。請看該結(jié)果如何:事件1載荷1：Sx=50.0500次循環(huán)載荷2:Sx=-50。1事件2載荷1：Sx=50。11000次循環(huán)載荷2：Sx=-50.0可能的應(yīng)力幅是：a、從E1，L1至ijE1,L2:50。05ksib、從E1，L1至ijE2,L1:0。05ksic、從E1,L1至ijE2,L2:50。00ksid、從E1,L2至ijE2,L1:50。10ksie、從E1,L2至ijE2,L2:0。05ksif、從E2,L1至ijE2,L2:50.05ksi把這些應(yīng)力幅從大至小排列:d、從E1,L2至ijE2,L1:50.10ksia、從E1,L1到E1,L2:50。05ksif、從E2,L1至ijE2,L2:50。05ksic、從E1,L1至ijE2,L2:50.00ksib、從E1,L1至ijE2,L1:0。05ksie、從E1,L2到E2,L2:0.05ksi則記數(shù)將如此：d、從E1,L2到E2,L1500次循環(huán)一E1和E2用去500次循環(huán)a、從E1,L1到E1,L20次循環(huán)一E1已用光f、從E2,L1到E2,L2500次循環(huán)一E2又用去500次循環(huán)c、從E1,L1到E2,L20次循環(huán)一兩個事件都用光b、從E1,L1到E2,L10次循環(huán)-兩個事件都用光e、從E1,L2到E2，L20次循環(huán)-兩個事件都用光上面記錄了50ksi應(yīng)力幅的1000次循環(huán)，而不是已知的1500次循環(huán).這個錯誤的結(jié)果是由于不恰當?shù)氖录M合導(dǎo)致的。假使載荷被描述為各自分離的事件（如E1，L1=>E1；E1，L2=〉E2;E2,L1=>E3；E2，L2=>E4）,則將得到下列的記數(shù)范圍：d、從E2到E3的500次循環(huán)，用去500次循環(huán)a、從E1到E2的0次循環(huán)，因為E2“用光”了f、從E3到E4的500次循環(huán)，E3又用去500次循環(huán),E4用去500次循環(huán)c、從E1到E4的500次循環(huán)，E4又用去500次循環(huán)d、從E1到E3的0次循環(huán)，因為E3“用光”了e、從E2到E4的0次循環(huán)，因為E2和E4都“用光”了.上述情況恰當?shù)赜涗浟死鄯e疲勞損傷被，即50ksi應(yīng)力幅的1500次循環(huán)。4、相反,對每一個最大和最小應(yīng)力條件應(yīng)用分離的事件,則將使記錄變得太保守.在這種情況下，應(yīng)小心地選擇應(yīng)被一起記數(shù)的載荷,將它們劃分為同一事件.下面的示例說明一些事件如何才能夠包括多個極值應(yīng)力條件。考慮由兩個載荷循環(huán)組成的載荷歷程:載荷循環(huán)1:從Sx=+100.1到+100。0ksi,做500次循環(huán)載荷循環(huán)2:從Sx=+50.1到+50。0ksi,做1000次循環(huán)顯然這些循環(huán)的最不利組合為以大約25ksi的應(yīng)力幅做500次循環(huán)。在本例中,如果將載荷劃分為兩個事件,則產(chǎn)生了25ksi范圍內(nèi)進行500次循環(huán)的正確記錄。如每一個載荷作為一個獨立的事件，將產(chǎn)生一種過于保守的記錄,形成25ksi應(yīng)力幅的1000次循環(huán).3。2。4激活疲勞計算現(xiàn)在有了位置、應(yīng)力、事件及所有指定的材料參數(shù)，可在指定位置執(zhí)行疲勞計算。位置的確定可用節(jié)點本身，也可用位置編號.命令：FTCALC3。2.5查看計算結(jié)果疲勞計算結(jié)果被輸出在輸出窗口.如果你將輸出轉(zhuǎn)向［/OUTPUT］到文件中（如Jobname。OUT）,就可打開該文件查看結(jié)果.命令:*LISTGUI:UtilityMenu>List>Files〉Other>Jobname.OUT如果用戶已輸入S-N曲線，則所有部位的應(yīng)力幅（從大到小排列）與相應(yīng)的事件/載荷、使用循環(huán)次數(shù)、允許循環(huán)次數(shù)、溫度和階段耗用系數(shù)一起以表格形式輸出。隨后輸出累積壽命耗用系數(shù).正如前面提到的，F(xiàn)TCALC輸出時，將對任一給定的應(yīng)力幅顯示相應(yīng)的事件和載荷，這些信息能幫助分離出那些引起最大的疲勞損傷的事件與載荷.修正事件的一個方便的方法是把所有的疲勞數(shù)據(jù)寫入Jobname。FATG文件中（它可以在執(zhí)行FTCALC命令前或后做）。寫入Jobname。FATG文件的數(shù)據(jù)是疲勞模塊的命令流?？赏ㄟ^編輯Jobname.FATG文件（文本文件）來修改事件，然后用/INPUT命令重新讀入被修改的疲勞命令。命令：FTWRITEGUI：MainMenu〉Generalpostproc>Fatigue〉WriteFatigDat