ansys workbench疲勞分析流程

2016-08-21 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

基于S-N曲線的疲勞分析的最終目的是將變化無(wú)規(guī)律的多軸應(yīng)力轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的單軸應(yīng)力循環(huán),以便查詢S-N曲線,得到相應(yīng)的疲勞壽命。ansysworkbench的疲勞分析模塊采用如下流程,其中r=Smin/Smax,Sa為應(yīng)力幅度,Sm應(yīng)力循環(huán)中的應(yīng)力均值,注意后一個(gè)m不是大寫:):
(1)無(wú)規(guī)律多軸應(yīng)力-->無(wú)規(guī)律單軸應(yīng)力
這個(gè)轉(zhuǎn)換其實(shí)就是采用何種應(yīng)力(或分量)。只能有以下選擇:
Von-Mises等效應(yīng)力;最大剪應(yīng)力;最大主應(yīng)力;或某一應(yīng)力分量(Sx,Syz等等)。有時(shí)也采用帶符號(hào)的Mises應(yīng)力(大小不變等于Mises應(yīng)力,符號(hào)取最大主應(yīng)力的符號(hào),好處是可以考慮拉或壓的影響(反映在平均應(yīng)力或r上))。同強(qiáng)度理論類似,Von-Mises等效應(yīng)力和最大剪應(yīng)力轉(zhuǎn)換適用于延展性較好的材料,最大主應(yīng)力轉(zhuǎn)換用于脆性材料。

(2)無(wú)規(guī)律單軸應(yīng)力-->簡(jiǎn)單單軸應(yīng)力循環(huán)
其本質(zhì)是從無(wú)規(guī)律的高高低低的等效單軸應(yīng)力--時(shí)間曲線中提取出一系列的簡(jiǎn)單應(yīng)力循環(huán)(用Sa,Sm表征)以及對(duì)應(yīng)的次數(shù)。有很多種方法可以完成此計(jì)數(shù)和統(tǒng)計(jì)工作,其中又分為路徑相關(guān)方法和路徑無(wú)關(guān)方法。用途最廣的雨流法(rain flow counting method)就是一種路徑相關(guān)方法。其算法和原理可見(jiàn)“Downing, S., Socie, D. (1982) Simplified rain flow counting algorithms. Int J Fatigue,4, 31–40“。
經(jīng)過(guò)雨流法的處理后,無(wú)規(guī)律的應(yīng)力--時(shí)間曲線轉(zhuǎn)化為一系列的簡(jiǎn)單循環(huán)(Sa,Sm和ni,ni為該循環(huán)的次數(shù),Sm如果不等于0,即r!=-1,需要考慮r的影響)。然后將r!=-1的循環(huán)再轉(zhuǎn)化到r=-1對(duì)應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)(見(jiàn)下),這樣就可以根據(jù)損傷累計(jì)理論(Miner準(zhǔn)則)計(jì)算分析了:Sum(ni/Ni) Ni為該應(yīng)力循環(huán)對(duì)應(yīng)的壽命(考慮Sa,Sm)。

(3)r!=-1的簡(jiǎn)單單軸應(yīng)力循環(huán)-->r=-1的r!=-1的簡(jiǎn)單單軸應(yīng)力循環(huán)
如果有不同r值下的S-N曲線,一般采用插值方法確定未知r值下的S-N曲線。如果只有r=-1的S-N曲線,可采用如下的公式計(jì)算等效的應(yīng)力(就是將r!=-1的單軸應(yīng)力轉(zhuǎn)換為r=-1時(shí)的單軸應(yīng)力,即等效應(yīng)力):
(Sa/Se)+(Sm/Su)^n=1 ^為指數(shù)運(yùn)算符。
其中,Sa為半應(yīng)力幅值,Se為欲求的等效應(yīng)力,Sm為平均應(yīng)力,Su和n不同的取值,構(gòu)成不同的理論:
Theory             Su                            n
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Soderberg          yield stress (sy)                1
Goodman ultimate tensile stress (su)       1
Gerber       ultimate tensile stress (su)       2
Morrow    true fracture stress (sf)             1
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至此,已經(jīng)可以查詢標(biāo)準(zhǔn)的S-N曲線了,結(jié)合Miner準(zhǔn)則,就可以計(jì)算疲勞壽命。

結(jié)構(gòu)失效的一個(gè)常見(jiàn)原因是疲勞,其造成破壞與重復(fù)加載有關(guān)。疲勞通常分為兩類:

1)高周疲勞是當(dāng)載荷的循環(huán)(重復(fù))次數(shù)高(如1e4 -1e9)的情況下產(chǎn)生的。因此,應(yīng)力通常比材料的極限強(qiáng)度低。應(yīng)力疲勞( Stress-based)用于高周疲勞。

2)低周疲勞是在循環(huán)次數(shù)相對(duì)較低時(shí)發(fā)生的。塑性變形常常伴隨低周疲勞,其闡明了短疲勞壽命。一般認(rèn)為應(yīng)變疲勞( strain-based)應(yīng)該用于低周疲勞計(jì)算。

在ANSYS Workbench結(jié)構(gòu)分析模塊的后處理中的疲勞計(jì)算工具可以完成高周疲勞和低周疲勞的計(jì)算。