經(jīng)典-疲勞分析

疲勞分析軟件ANSYSFE_SAFE簡介（轉）來源：劉興興的日志ANSYSFE_SAFE

產(chǎn)品投放市場后，如果在耐久性方面出現(xiàn)問題將會造成許多新產(chǎn)品失去競爭力，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失，同時又使企業(yè)形象蒙受巨大的負面影響。在中國，由于疲勞耐久性與可靠性不過關造成的產(chǎn)品問題更是普遍存在，是國產(chǎn)產(chǎn)品缺乏國際競爭力的最重要因素之一。國際上，每年因結構疲勞的原因，大量產(chǎn)品在其有效壽命期內(nèi)報廢，由于疲勞破壞而造成的惡性事故也時有出現(xiàn)。據(jù)統(tǒng)計，歐洲每年早期斷裂造成的損失達800億歐元，而美國每年早期斷裂造成的損失達1190億美元，其中95%是由于疲勞引起的斷裂。而通過應用疲勞耐久性分析技術，其中的50%是可以避免的，因此許多企業(yè)將疲勞耐久性定為產(chǎn)品質(zhì)量控制的重要指標。

在傳統(tǒng)的設計過程中，設計人員在概念或詳細設計階段通常使用簡單而不真實的計算來估計產(chǎn)品的壽命，而對這些估計壽命的驗證通常是通過一定量物理樣機的耐久試驗得到，不但試驗周期長、耗資巨大，而且許多相關參數(shù)與失效的定量關系也不可能在試驗中得出，試驗結論還可能受許多偶然因素的影響。因此對于產(chǎn)品疲勞壽命的仿真分析方法越來越受到產(chǎn)品設計人員的關注。

ANSYSFE-SAFE是美國ANSYS公司與英國安全技術公司（SAFETECHNOLOGYLIMITED）緊密合作的產(chǎn)品，是進行結構疲勞耐久性分析的專用軟件。在軟件開發(fā)過程中，每年投資數(shù)百萬美元用于研發(fā)，并進行了大量的材料參數(shù)實驗和實際結構件的試驗驗證。

在產(chǎn)品設計階段使用ANSYSFE-SAFE，可在物理樣機制造之前進行疲勞分析和優(yōu)化設計，真實地預測產(chǎn)品的壽命，實現(xiàn)等壽命周期設計。設計階段的耐久性分析可以顯著縮短產(chǎn)品推向市場的時間、提高產(chǎn)品可靠性，極大地降低制造物理樣機和進行耐久性試驗所帶來的巨額研發(fā)費用。ANSYSFE-SAFE耐久性分析技術可廣泛應用于從空間站、飛機發(fā)動機到汽車、火車；從空調(diào)、洗衣機等家電產(chǎn)品到電子通訊系統(tǒng)；從艦船到石化設備；從內(nèi)燃機、核能、電站設備到通用機械等各個領域。

疲勞分析及概念

>疲勞破壞的概念

當材料或結構受到多次重復變化的載荷作用后，在應力值雖然始終沒有超過材料的強度極限，甚至比彈性極限還低的情況下就可能發(fā)生破壞。這種在交變載荷持續(xù)作用下材料或結構的破壞現(xiàn)象，就叫做疲勞破壞。

>疲勞破壞的特征

材料力學是根據(jù)靜力試驗來確定材料的機械性能（比如彈性極限、屈服極限、強度極限）的，這些機械性能沒有充分反映材料在交變載荷作用下的特性。因此，在交變載荷作用下工作的零件和構件，如果還是按靜載荷去設計，在使用過程中往往就會發(fā)生突如其來的破壞。

>疲勞破壞與傳統(tǒng)靜力破壞的本質(zhì)區(qū)別

*靜力破壞是一次最大載荷作用下的破壞；疲勞破壞是多次反復載荷作用下產(chǎn)生的破壞，它不是短期內(nèi)發(fā)生的。

*當靜應力小于屈服極限或強度極限時，不會發(fā)生靜力破壞；而交變應力在遠小于靜強度極限，甚至小于屈服極限的情況下，疲勞破壞就可能發(fā)生。

*靜力破壞通常有明顯的塑性變形產(chǎn)生；疲勞破壞通常沒有外在宏觀的顯著塑性變形跡象，即便是塑性良好的金屬，其疲勞破壞形式也象脆性破壞一樣，事先不易覺察出來，這表明疲勞破壞具有更大的危險性。

*在靜力破壞的斷口上，通常只呈現(xiàn)粗粒狀或纖維狀特征；而在疲勞破壞的斷口上，總是呈現(xiàn)兩個區(qū)域特征，一部分是平滑的，另一部分是粗粒狀或纖維狀。因為疲勞破壞時，首先在某一點（通常接近構件表面）產(chǎn)生微小的裂紋，其起點叫"疲勞源"，而裂紋從疲勞源開始，逐漸向四周擴展。由于反復變形，裂開的兩個面時而擠緊，時而松開，這樣反復摩擦，形成一個平滑區(qū)域。在交變載荷繼續(xù)作用下，裂紋逐漸擴展，承載面積逐漸減少，當減少到材料或構件的靜強度不足時，就會在某一載荷作用下突然斷裂，其斷裂面呈粗粒狀或纖維狀。

*靜力破壞的抗力主要取決于材料本身；而疲勞破壞的抗力與材料的組成、構件的形狀或尺寸、表面加工狀況、使用條件以及外部工作環(huán)境都有關系。

ANSYSFE-SAFE概述

ANSYSFE-SAFE由用戶界面、材料數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、疲勞分析程序和信號處理程序組成。ANSYSFE-SAFE讀取有限元分析計算出的單位載荷或實際工作載荷下的彈性應力，然后根據(jù)實際載荷工況和交變載荷形式將結果比例迭加以產(chǎn)生工作應力時間歷程；也可換算成特定類型載荷作用下的彈塑性應力。

材料數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

ANSYSFE-SAFE提供了一個全面的材料疲勞特性數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，含有上百種常用的鋼、鋁合金材料的疲勞數(shù)據(jù)，用戶也可以根據(jù)需要擴充和修改該數(shù)據(jù)庫。

用戶可以查訊數(shù)據(jù)庫，如列出所有的鋁合金，也可以輸入新材料。

如果有主數(shù)據(jù)庫和用戶本地數(shù)據(jù)庫，這兩個數(shù)據(jù)庫都可以訪問；系統(tǒng)管理員可以將主數(shù)據(jù)庫設定為只讀，以防止用戶對主數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進行修改。

利用內(nèi)置的Netscapelink可以訪問試驗報告及背景數(shù)據(jù)，在啟動疲勞分析時程序可自動訪問材料數(shù)據(jù)庫，讀入材料數(shù)據(jù)；用戶數(shù)據(jù)可通過用戶界面直接輸入。程序還可繪制材料數(shù)據(jù)的多種類型的曲線。

在數(shù)據(jù)庫中含有Seeger材料近似算法，允許利用材料的抗拉強度（UTS）和彈性模量生成近似的材料疲勞數(shù)據(jù)，生成的數(shù)據(jù)可以指定一個數(shù)據(jù)集名并存入數(shù)據(jù)庫。

用戶界面

在ANSYSFE-SAFE友好的用戶界面下，可方便地進行疲勞耐久性分析的數(shù)據(jù)準備；所輸入的材料數(shù)據(jù)、荷載及荷載組合數(shù)據(jù)均可圖示化顯示，疲勞計算的結果可通過三維云圖直觀地顯示。

ANSYSFE-SAFE對有限元數(shù)據(jù)文件中的單元數(shù)沒有實際限制，在一個有限元模型中可以有多個單元組，每個單元組中的單元數(shù)不限，最多可以根據(jù)4096組有限元計算結果進行疲勞分析。

*ANSYSFE-SAFE可計算出在指定壽命下，模型上各部分不會破壞的可能性。

*ANSYSFE-SAFE可從模型上一系列的載荷中找出對疲勞壽命影響最大的載荷及載荷方向。

*ANSYSFE-SAFE根據(jù)載荷情況和材料數(shù)據(jù)自動選擇最合適的疲勞分析方法。

結果輸出

*ANSYSFE-SAFE將節(jié)點的疲勞壽命寫入輸出文件中，如果指定設計壽命，將計算出各個節(jié)點相對設計壽命的安全系數(shù)，計算結果可以用ANSYS后處理器進行處理，可充分地利用ANSYS強大的后處理功能，如三維云圖顯示等。

*生成一個文本文件，包含用戶輸入、分析類型、軟件版本號和結果摘要。ANSYSFE-SAFE一直是多軸疲勞分析解決方案的領導者，算法先進，功能全面細致，是世界公認精度最高的疲勞分析軟件。ANSYSFE-SAFE既支持基于疲勞試驗測試應力和應變信號的疲勞分析技術，也支持基于有限元分析計算的疲勞仿真設計技術。ANSYSFE-SAFE具有完整的材料庫、靈活多變的載荷譜定義方法、實用的疲勞信號采集與分析處理功能以及豐富先進的疲勞算法，完整的輸出疲勞結果。特色功能擁有基于應力應變測試信號的疲勞分析技術；支持彈性、塑性，單軸、多軸的應力和局部應變?nèi)嫫谒惴?；豐富的材料疲勞數(shù)據(jù)庫；支持各種載荷輸入文件格式，并對載荷信號進行分析處理；概率疲勞計算載荷與材料服從某種概率分布時，在一定設計壽命下結構的生存概率；可以構造復雜的疲勞載荷譜；生成豐富的疲勞計算結果；界面操作易學易用；CAE接口：Ansys,Nastran,Abaqus,I-deas,Hypermesh,Pro/EMechanical。客戶價值基于有限元分析的疲勞技術，實現(xiàn)了產(chǎn)品設計-CAE仿真-疲勞設計-重設計的現(xiàn)代設計研發(fā)流程,使疲勞設計更加高效快速和經(jīng)濟實用；自帶信號分析處理技術使信號去假存真，并進一步提取信號的幅頻特性、提取峰值序列、雨流矩陣、PSD等，可以直接用于疲勞分析；材料庫提供了豐富的材料，每種材料都有缺省疲勞算法自動用于疲勞計算，便于本地化和用戶化，內(nèi)置Netscapelink訪問國際國內(nèi)發(fā)布的各種疲勞測試報告和相關數(shù)據(jù)；ANSYS作為世界先進的CAE分析程序，其強大的結構-熱-流體-電磁耦合場分析能力，為Fe-safe提供多種單場或耦合場載荷工況的FEA結果，確保疲勞計算代表真實工程載荷工況；疲勞算法能同時考慮各種疲勞影響因素，多軸疲勞算法全球領先，速度快精度高。附加模塊旋轉機械疲勞分析模塊，F(xiàn)e-safe/Rotate?利用了結構的軸對稱性，提高了旋轉部件的疲勞分析效率，可以自動產(chǎn)生一系列不同旋轉角度上的應力結果，一次靜力計算可以用來定義一個循環(huán)的疲勞載荷譜。有限元計算結果文件更小，求解規(guī)模降低。如果旋轉角度增量小于模型對稱角，則需要額外的有限元求解。該模塊支持完整模型、一半模型和奇、偶對稱的扇區(qū)模型。熱-機械疲勞分析模塊，F(xiàn)e-safe/TMF?考慮浮動溫度和應力對結構的共同影響，提供快速精確的疲勞壽命分析?？梢钥紤]應變率和瞬態(tài)溫度對循環(huán)應力-應變響應的影響，也可以考慮瞬態(tài)溫度對應變-壽命曲線的影響，以及考慮在每個循環(huán)中的應力和溫度的相