Ansys-nCode疲劳分析

©2015ANSYS,Inc.1ANSYSnCodeDesignlife高级疲劳寿命分析©2015ANSYS,Inc.2目录1疲劳理论介绍2ANSYSnCodeDesignlife功能特色3S-N疲劳分析概述及案例介绍4随机振动疲劳分析概述©2015ANSYS,Inc.3疲劳分析理论当材料或结构受到多次重复变化的载荷作用后，应力值虽然始终没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏。这种在交变载荷作用下材料或结构的破坏现象称为疲劳。只通过静力来确定材料的机械性能时，机械性能没有充分反映材料在交变载荷作用下的特性。使用过程中往往会发生突如其来的破坏。©2015ANSYS,Inc.4破坏形式在较低应力水平下，施加循环载荷破坏模式1：结构在恒定载荷作用下，当应力超过抗拉强度时发生破坏，这种破坏属于静力破坏。破坏模式2：在应力水平较低的情况下，对结构施加循环载荷，最终引起结构破坏，这种破坏属于疲劳破坏。疲劳是由应力的不断改变引起的，不是最大应力的原因。施加恒定载荷©2015ANSYS,Inc.5疲劳破坏的断面平滑区域粗粒状或纤维状静力破坏局部性扰动载荷发展过程©2015ANSYS,Inc.6疲劳分析方法应变疲劳分析（E-N）循环应力水平高、寿命短屈服后应变变化大、应力变化小应力疲劳分析（S-N）第一种疲劳分析方法循环应力水平低、寿命长高周疲劳：材料在低于其屈服强度的循环应力作用下，经104-105以上循环产生的失效；低周疲劳：材料在接近或超过其屈服强度的应力作用下，低于104-105次塑性应变循环产生的失效；©2015ANSYS,Inc.7疲劳分析方法应力疲劳分析（S-N）SN光滑标准件，在恒幅对称循环应力作用下进行疲劳试验。施加不同应力幅Sa，记录相应的寿命N。恒幅对称载荷应力比R为-1，平均应力为Sm为0.©2015ANSYS,Inc.8疲劳S-N曲线SN变幅载荷？随机载荷？恒幅载荷下的s-n曲线©2015ANSYS,Inc.9循环幅值均值ADA’90.5BCB’41EHE’70.5FGF’3-0.5IJI’2-1疲劳分析理论变幅载荷：雨流计数法——周期统计©2015ANSYS,Inc.10疲劳分析理论米勒准则（Miner准则）-——损伤计算(n/N)=1n1N1=1+n2N2©2015ANSYS,Inc.112ANSYSnCodeDesignlife功能特色AnsysnCode疲劳分析优势功能特色介绍©2015ANSYS,Inc.12AnsysnCode疲劳分析优势（一）传统的疲劳分析方法疲劳评估设计样机环境模拟再设计完成©2015ANSYS,Inc.13现代分析方法AnsysnCode疲劳分析优势（一）载荷谱定义Ansys有限元分析设计应力结果nCode疲劳分析疲劳分析结果重新设计材料属性定义©2015ANSYS,Inc.14现代设计方法AnsysnCode疲劳分析优势（一）©2015ANSYS,Inc.15ANSYSnCodeDesignLife是ANSYS与HBM的nCode强强联合的结晶。Ncode公司是国际著名的疲劳耐久性工程专业公司和技术领导者。自80年代公司成立至今，引导并推动了疲劳理论在工业领域中的应用及其发展。AnsysnCode疲劳分析优势（二）©2015ANSYS,Inc.16AnsysnCode疲劳分析优势（三）以流程图形式建立分析任务；无缝读取ANSYS计算结果；与ANSYS共享材料数据库；在WB平台上统一进行参数管理，可用DX进行优化。完全集成在Workbench平台下©2015ANSYS,Inc.17提供专业的疲劳分析技术，协助用户在产品设计中：1.避免设计缺陷引起的疲劳破坏产品出现不应当发生的疲劳失效，会使企业的信誉受损，经济损失更大！ANSYSnCode疲劳分析优势（四）2.避免过于保守的设计过于保守设计，使得产品的成本增加，市场竞争力下降！©2015ANSYS,Inc.18ANSYSnCode的功能特色nCode分析-五框图支持的有限元结果：静态分析(线性/非线性)瞬态分析模态分析频谱响应能够读取ANSYS、Abaqus、Nastran等软件的有限元计算结果©2015ANSYS,Inc.19ANSYSnCode的功能特色nCode分析-五框图丰富的材料数据库；用户可自定义材料；创建内存模板材料利用materialmanager自定义材料©2015ANSYS,Inc.20ANSYSnCode的功能特色nCode分析-五框图时间序列恒幅载荷时间步载荷温度载荷Hybird载荷振动载荷DutyCycle©2015ANSYS,Inc.21ANSYSnCode的功能特色nCode分析-五框图ANSYSnCodeDesignLife具有全面的疲劳分析能力应力疲劳(单一，多曲线，Haigh图)应变疲劳(自动多轴修正)多轴安全系数分析(DangVan)焊缝和点焊疲劳分析高温疲劳分析振动疲劳(振动台模拟)©2015ANSYS,Inc.22ANSYSnCode的功能特色nCode分析-五框图强大的结果输出功能：•云图、标记显示•输出自动鉴别疲劳关键区域和热点；•疲劳分析结果表格输出；•StudioGlyph自动报告生成©2015ANSYS,Inc.233S-N疲劳分析概述材料的S-N曲线S-N曲线：•在恒幅对称载荷下破坏多个试样；•试样为光滑标准件；•拟合曲线通过绘制数据拟合；考虑表面处理、表面光洁度、环境考虑平均应力考虑几何缺口©2015ANSYS,Inc.24疲劳寿命的影响因素1材料表面状况对疲劳寿命的影响2缺口应力集中对疲劳寿命的影响3平均应力对疲劳寿命的影响4多轴状态对疲劳寿命的影响©2015ANSYS,Inc.251材料表面状况对疲劳寿命的影响表面粗糙度的影响表面处理的影响表面粗糙会使局部应力集中程度加大，裂纹萌生寿命短。表面喷丸处理，引入残余压应力，提高疲劳寿命；焊接、气割等引入残余拉应力，降低疲劳寿命。©2015ANSYS,Inc.263.1材料表面状况对疲劳寿命的影响在ANSYSnCodeDesignLife中，用表面因子(Ksur)同时考虑表面光洁度和处理对疲劳的影响−表面因子用来调整材料s-n曲线Ksur是三个用户定义因子的乘积−Ksur=KTreatment*Kuser*Kroughness©2015ANSYS,Inc.273.1材料表面状况对疲劳寿命的影响可以输入表面处理系数(KTreatment)和用户表面系数(Kuser)−默认值为1©2015ANSYS,Inc.283.1材料表面状况对疲劳寿命的影响表面粗糙度(Kroughness)的影响可以通过选择进行定义−默认的为“Polished”©2015ANSYS,Inc.292缺口应力集中对疲劳寿命的影响疲劳裂纹起始于峰值应力区域–由于应力集中引起–疲劳计算中必须考虑缺口附近的VonMises应力通过“疲劳缺口系数”修正S-N曲线中的S；©2015ANSYS,Inc.303.2缺口应力集中对疲劳寿命的影响应用S-N曲线，光滑试样的耐久极限应力幅除以疲劳缺口系数Kf就得到同样耐久力情况下缺口部分的疲劳强度估计值。©2015ANSYS,Inc.313.2缺口应力集中对疲劳寿命的影响理论分析：Kf：疲劳缺口系数光滑件疲劳极限与缺口件疲劳极限之比缺口半径与材料相关的参数，可通过下式估算：Kt：弹性应力集中系数缺口处最大实际应力与该处名义应力之比一般Kf小于Kt，两者的关系可以用缺口敏感系数q表征。q：缺口敏感系数©2015ANSYS,Inc.323.2缺口应力集中对疲劳寿命的影响−Auto:如果应力梯度存在则使用应力梯度校正ANSYSnCodeDesignLife如何考虑？基于应力梯度作为一个替代方法–User:从查找表中用户自定义应力梯度校正–Off:不考虑应力梯度校正©2015ANSYS,Inc.333.2缺口应力集中对疲劳寿命的影响−Auto:如果应力梯度存在则使用应力梯度校正在nCode中采用FKM的应力梯度法–确定校正系数在雨流计数前得到有效应力分量：©2015ANSYS,Inc.343.2缺口应力集中对疲劳寿命的影响−User:从查找表中用户自定义应力梯度校正Stressgradientcorrectionfactorfilev1.0Dimension=mm#NormalizedstressgradientG,correctionfactornStartCorrectionData0,11,1.110,1.2100,1.3EndCorrectionData自定义格式:©2015ANSYS,Inc.353.2缺口应力集中对疲劳寿命的影响应力梯度影响可以通过AdvancedEdit进行定义©2015ANSYS,Inc.363平均应力对疲劳寿命的影响循环峰值应力范围(总应力变化)是影响疲劳寿命的主要因素–在应力循环中平均应力是第二个影响因素•拉伸平均应力减少疲劳寿命•压缩平均应力增加疲劳寿命SaSaDSSmaxSminSm©2015ANSYS,Inc.373.3平均应力对疲劳寿命的影响对于应力-疲劳寿命，平均应力的影响通常使用Goodman或者Gerber平均应力修正理论Goodman平均应力修正理论假设一条直线Gerber平均应力修正理论假定一个抛物线SeSuSmSa1SeSuSmSa21Sa=应力幅Sm=平均应力Su=极限抗拉强度Se=疲劳极限©2015ANSYS,Inc.38•Goodman更保守•实际的数据往往介于Goodman和Gerber之间3.4平均应力对疲劳寿命的影响SeSuSmSa1©2015ANSYS,Inc.394多轴状态对疲劳寿命的影响用来创建S-N曲线的测试数据主要是单轴状态，但有限元结果通常是多轴的多轴应力结果必须被转换为一个用于S-N曲线单轴值基本假设是派生的单轴量(e.g.,σeqv)引起的损伤等同于，在单轴应力状态下零件经历相同数量引起的损伤©2015ANSYS,Inc.403.4多轴状态对疲劳寿命的影响von-Mises应力标记的von-Mises应力−以最大绝对主应力的符号标记最大剪切应力最大主应力−用于脆性材料绝对最大主应力任一分量的应力临界平面法标记的Von-Mises应力是最常用的©2015ANSYS,Inc.41如果加载过程中主应力方向改变，计算应力范围使用一个派生的单轴应力可能是不正确的临界平面法可用于计算主应力方向改变的情况临界平面法计算平面应力和在几个径向平面进行重新求解−默认是每10度(18个平面)−雨流计数法在每个平面上计算疲劳损伤−准则平面是最大损伤的平面3.4多轴状态对疲劳寿命的影响©2015ANSYS,Inc.42在ANSYSnCodeDesignLife定义应力组合方法3.4多轴状态对疲劳寿命的影响©2015ANSYS,Inc.43案例1减振器上支座疲劳分析分析的目的是预测该结构在试车场一段强化路面行驶时的疲劳耐久性，主要对结构件和点焊部位进行疲劳分析。©2015ANSYS,Inc.44案例2白车身的组合工况疲劳分析白车身钣金件在试车场5种不同路面组合工况下的疲劳寿命分析。©2015ANSYS,Inc.454随机振动疲劳分析理论根据时域载荷信号计算疲劳损伤根据频域载荷信号计算疲劳损伤频响应分析；分析快速；获取传递函数；瞬态动力学分析；有限元分析时间长；得到应力分布结果；©2015ANSYS,Inc.46CAE耐久性分析流程图CAE耐久性疲劳方法裂纹寿命方法应变-寿命(EN)应力-寿命(SN)ParisLaw裂纹扩展率雨流计数法Miner’s准则损伤累积失效周期数(寿命)©2015ANSYS,Inc.47随机振动疲劳分析理论一般振动疲劳分析流程©2015ANSYS,Inc.48随机振动疲劳分析理论有限元：频率响应函数复杂的应力响应Xij(f)(实部和虚部)最大主应力响应XAMP(f)最大损伤面响应Xφ(f)得到局部应力