1、Mechanica 疲劳分析工具 模型经过了反复的加载和卸载循环后， 即使应力低于静态恒定载荷等级的安全值， 模型也会失效。此类失效的基础机制称为疲劳，对 于疲劳性能的研究通常称为耐 久性评估。 通过“疲劳分析工具”可在产品生命周期的早期预测和改进设计的疲劳性能， 从而 有助于降低设计成本。 “疲劳分析工具”使用与 nCode International (耐久性软件领 域的一家世界领先企业) 联手提供的疲劳技术。 “疲劳分析工具”完全在 Mechanica 结构模块内工作。只需指定现有的静态分析， 然后定义材料属性、载荷历史以及研究所需的设计寿命。可以使用软件中所包含 的材料库和载荷历史生成
2、器，也可以导入此信息。 “疲劳分析工具”计算以下结果量： 寿命 - 确定预测的疲劳失效周期数。 损伤 - 测量由于加载而导致的损伤百分比。 安全系数 - 基于预测的失效来估计安全系数。 寿命置信度 - 测量结果的可靠性。 可以使用标准 Mechanica 可视化工具 (包括条纹、 轮廓和图形) 来定义和查看这 些结果。此外，还可以为敏感度和优化设计研究来定义和跟踪结果量的局部和全 局测量。可以创建参数化几何模型、指定每个参数的允许范围以及指定设计目标 和性能限制。 要指定材料的疲劳特性 1. 单击 或选择“属性”(Properties) “材料”(Materials)。将出现“材料”(Mate
3、rials) 对话框。 2. 单击“新建”(New)。将出现“材料定义”(Material Definition) 对话框。 3. 选择“结构”(Structural) 选项卡。 4. 校验是否为材料类型选择了“各向同性”(Isotropic)。只能将各向同性材料用于疲劳分析。 5. 从“疲劳”(Fatigue) 下拉列表中选择“统一材料法则 (UML)”(Unified Material Law (UML)。 6.在“材料定义”(Material Definition) 对话框的“材料极限”(Material Limits) 区域中输入“拉伸极限 应力”(Tensile Ultimate S
4、tress) 的值。 7.如果要对“拉伸极限应力”(Tensile Ultimate Stress) 更改单位，请从相邻的列表中选择单位。 (1450MPA) 8. 选择“材料类型”(Material Type)。 9. 选择“表面光洁度”(Surface Finish)。 10. 输入“疲劳强度衰减因子”(Fatigue Strength Reduction Factor) 的值。(1.1) 在“材料定义”(Material Definition) 对话框中，从“材料类型”(Material Type) 下拉列表中选择 “各向同性”(Isotropic)。请注意，只能将各向同性材料用于疲劳分
5、析。从“疲劳”(Fatigue) 下 拉列表中选择“统一材料法则 (UML)”(Unified Material Law (UML)。材料属性的以下选项将 出现在“材料定义”(Material Definition) 对话框的“疲劳”(Fatigue) 区域中： 材料类型 (Material Type) 为您正使用的材料类型选择一个选项，即“非合金 钢”(Unalloyed Steels)、“低合金钢”(Low Alloy Steels)、“钛合金”(Titanium Alloys) 或“铝合金”(Aluminum Alloys)。 表面光洁度 (Surface Finish) 为模型的表面光
6、洁度选择一个选项： 上光 磨削 加工 (精) 加工 (中) 加工 (粗) 热轧 锻造 铸造 水蚀处理 咸水水蚀处理 氮化处理 冷轧 喷丸处理 失效强度衰减因子 (Failure Strength Reduction Factor) 输入一个其值大于 1 的失效 强度衰减因子 (Kf)。此因子用于减小持久极限以说明未模型化的应力集中，例如： 焊缝中的应力集中。 注解 必须在“材料定义”(Material Definition) 对话框的“材料极限”(Material Limits) 区域中指定“拉 伸极限应力”(Tensile Ultimate Stress) 的值。“拉伸极限应力”(Tensi
7、le Ultimate Stress) 旁的红 色星号表示该参数是必需的。 疲劳分析的载荷类型 可以使用下列载荷类型之一为疲劳分析输入载荷历史数据： 恒定振幅 (Constant Amplitude) 此选项适用于具有恒定振幅载荷的模型。它是输入 载荷历史数据的最简单方式，且为缺省选项。“恒定振幅”(Constant Amplitude) 提供了 三个“振幅类型”(Amplitude Type) 选项： 峰值-峰值 (Peak-Peak) 使用最小载荷因子 1.0 和最大载荷因子 1.0。 零值-峰值 (Zero-Peak) 使用最小载荷因子 0 和最大载荷因子 1.0。 用户定义的 (Use
8、r-Defined) 允许用户输入最小载荷因子和最大载荷因子的值。 可变振幅 (Variable Amplitude) 此选项适用于具有可变振幅载荷的模型。 可以手动输 入载荷因子以指定振幅曲线的基准点，进而定义振幅的变化。最多可输入 100 个 载荷因子。可通过以下按钮来修改定义振幅变化的表。 添加行 (Add Row) 向表中添加一定数量的行。单击“添加行”(Add Row) 时，将出 现“输入行”(Enter Rows) 对话框。在“起始位置”(Start at) 字段中，输入要开始添加行的起始位置 (行号)。在“行数”(Num Rows) 字段中，输入要添加的行数。单击“确 定”(OK
9、) 时， Mechanica 即会添加新行， 并保留在新行前后输入的所有载荷因子。 删除 (Delete) 从表中删除行。单击“删除”(Delete) 时，可使用“输入行”(Enter Rows) 对话框指定“起始行”(Begin row) 和“终止行”(End row)。单击“确定”(OK) 时， Mechanica 即会删除从“起始行”(Begin row) 到“终止行”(End row) 之间的所有行。 清除所有 (Clear All) 单击此按钮将删除所有行。 导入 (Import) 单击此按钮可将载荷因子数据从文本文件导入到表中。可以从文 本文件中导入无限个循环。 失效准则 在“材料
10、定义”(Material Definition) 对话框上为各向同性材料和横向同性材料指定材料极限， 以便确定某材料是否在给定载荷条件下失效。这些极限存储在材料库中。如果在“材料定 义”(Material Definition) 对话框中不需要失效准则，可选择“无”(None)。 要查看结果，可显示条纹图。如果失效指标等于或大于 1，则该材料失效。 只有在分析定义对话框的“输出”(Output) 选项卡上选中了“应力”(Stresses) 复选框后， 失效指 标的测量和结果才可用。 对于“各向同性”对称 - 在“材料定义”(Material Definition) 对话框的“失效准则”(Fai
11、lure Criterion) 区域中选择以下应力量之一： 无 (None) 此为缺省值。 修正的莫尔理论 (Modified Mohr) 最大剪应力 (Tresca) (Maximum Shear Stress (Tresca) 畸变能 (von Mises) (Distortion Energy (von Mises) 对于“横向同性”对称 - 在“材料定义”(Material Definition) 对话框的“失效准则”(Failure Criterion) 区域中选择以下项之一： 无 (None) 此为缺省值。 Tsai-Wu 最大应力 (Maximum Stress) 最大应变 (M
12、aximum Strain) 这些失效准则仅对 3D 壳有效。 注解 每个“失效准则”(Failure Criterion) 都需要某些“材料极限”(Material Limits)。为某材料指定 “失效准则”(Failure Criterion) 时， Mechanica 会用一个红色星号 (*) 来指示需要的“材料极限”(Material Limits)。 疲劳分析概述 说明 疲劳分析确定模型在受可变载荷作用时是否易受疲劳损伤的影响。对于应力周期规则 (例如以恒定速度运行的转轴) 的情况,可使用恒定振幅载荷。对于应力周期不规则的情 况，可为模型定义可变振幅载荷形式。 定义疲劳分析之前，必须
13、先定义静态分析。从静态分析得到的应力乘以为疲劳分析指定 的载荷因子，便可计算出一个生命周期的载荷变化。 疲劳分析计算以下项目： 日志寿命 - 模型破坏前的预估周期数。出于疲劳的指数性质的原因，将寿命表示为 对数很有用。 日志破坏 - 累计疲劳周期数与失效前的总周期数之比。大于 1 的值表示失效。例 如，值 0.5 表示模型使用寿命损失 50%。出于疲劳的指数性质的原因，将损伤率 表示为对数很有用。 累计疲劳周期数是运行疲劳分析之前模型经历的周期数。用户无法指定该值， Mechanica 假设其为 1。因此，日志寿命和日志破坏之间的关系可表示为 (Log Life) = -(Log Damage
14、) 安全系数 - 输入载荷允许的安全系数。为模型计算的疲劳寿命大于目标设计寿命 时，软件会执行回溯计算，以确定输入载荷的允许安全系数。这表示在不减少目标 设计寿命的情况下可增加的载荷振幅范围。 如果要软件计算安全系数，请选中“疲劳分析定义”(Fatigue Analysis Definition) 对话框 底部“输出”(Output) 区域中的复选框。 寿命置信度 - 计算出的寿命与目标设计寿命之比。出于疲劳的统计性质的原因，振 幅越大置信度将越好。小于 1 的值表示失效。值大于 3.0 通常表示获得所需目标 寿命的置信度是足够的。 可以用三色条纹图显示“寿命置信度”结果，以全面展示模型先在哪
15、里破坏，以及模 型在哪里将持续更多的周期。红色表示的寿命置信度从 0 个周期到分析对话框中为 所需强度输入的周期数。黄色表示的寿命置信度的范围从所需强度的周期数到该数 字的 3 倍。这些数值之间的差异视为边际寿命。绿色表示整个边际寿命中的任意周 期数。 有关疲劳的背景信息和疲劳分析中使用的方法的详细信息， 请参阅在线文档了解疲劳分 析。 疲劳分析工具经过优化，用户可以迅速获得设计是否容易疲劳的指示，而不用提供解决 此问题通常需要的全部输入。 软件完成此任务的方法是， 要求提供相对容易获得的输入， 并在内部为用户未直接提供的输入设置保守的缺省值。 高级疲劳用户可能需要改变这些 缺省值，以检查更有
16、针对性的情况。 要求 3D 实体或壳模型 仅限各向同性材料 1 个静态分析 材料的疲劳特性 拉伸极限应力 可为“各向同性”(Isotropic) 和“横向同性”(Transversely Isotropic) 材料指定“材料极 限”(Material Limits)。为任意类型的材料指定“拉伸极限应力”(Tensile Ultimate Stress) 值 时，以下指导方针可能会对您有所帮助： 对于各向同性材料 对于横向同性材料 值必须为正。 对于“修正的莫尔理论”(Modified Mohr) 失 效准则，这是必需的“材料极限”(Material Limits)。 对于“统一材料法则 (UM
17、L)”(Unified Material Law (UML)，这是必需的“材料极 限”(Material Limits)。 St1 和 St2 必须为正值。 注解 St1 是材料 1 方向上的拉伸失效应 力，而 St2 是材料 2 方向上的极限 拉伸失效强度。 对于所有“失效准则”(Failure Criterion)， 这是必需的“材料极限”(Material Limits)。 每个有尺寸的字段都可有自己的单位。单位更改时 Mechanica 按比例缩放输入的 值。 运行疲劳分析时，Mechanica 会检查“拉伸极限应力”(Tensile Ultimate Stress) 的值是 否处于
18、50 和 4000 MPa 之间。 压缩极限应力 可为“各向同性”(Isotropic) 和“横向同性”(Transversely Isotropic) 材料指定此“材料极 限”(Material Limits)。为任意类型材料的“压缩极限应力”(Compressive Ultimate Stress) 指定 值时，以下指导方针可能会对您有所帮助： 对于各向同性材料 对于横向同性材料 值必须是负的。 对于“修正的莫尔理论”(Modified Mohr) 失 效准则，这是必需的“材料极限”(Material Limits)。 对于“统一材料法则 (UML)”(Unified Material L
19、aw (UML)， 这是必需的“材料极 限”(Material Limits)。 Sc1 和 Sc2 必须为负值。 注解 Sc1 是材料 1 方向上的抗压失效应 力，而 Sc2 是材料 2 方向上的极限 抗压失效强度。 对于所有“失效准则”(Failure Criteria)， 这 是必需的“材料极限”(Material Limits)。 每个包含尺寸的字段均可以有自己的单位，单位发生更改时，Mechanica 将按比例缩放所输入的 值。 拉伸屈服应力 材料的拉伸屈服应力是材料开始发生塑性变形时的应力值。它也被称作屈服点，定义了从弹性区 域到塑性区域的转变点。 在定义弹塑性材料时，必须为“材料定义”(Material Definition) 对话框的“材料限制”(Material Limits) 布局中的“拉伸屈服应力”(Tensile Yield Stress) 指定一个大于零的值。此值和为硬化定 律指定的材料常数共同用于定义弹塑性材料。
