ansys workbench疲劳分析流程

2016-08-21 by:CAE仿真在线来源:互联网

基于S-N曲线的疲劳分析的最终目的是将变化无规律的多轴应力转化为简单的单轴应力循环,以便查询S-N曲线,得到相应的疲劳寿命。ansysworkbench的疲劳分析模块采用如下流程,其中r=Smin/Smax,Sa为应力幅度,Sm应力循环中的应力均值,注意后一个m不是大写:):
(1)无规律多轴应力-->无规律单轴应力
这个转换其实就是采用何种应力(或分量)。只能有以下选择:
Von-Mises等效应力;最大剪应力;最大主应力;或某一应力分量(Sx,Syz等等)。有时也采用带符号的Mises应力(大小不变等于Mises应力,符号取最大主应力的符号,好处是可以考虑拉或压的影响(反映在平均应力或r上))。同强度理论类似,Von-Mises等效应力和最大剪应力转换适用于延展性较好的材料,最大主应力转换用于脆性材料。

(2)无规律单轴应力-->简单单轴应力循环
其本质是从无规律的高高低低的等效单轴应力--时间曲线中提取出一系列的简单应力循环(用Sa,Sm表征)以及对应的次数。有很多种方法可以完成此计数和统计工作,其中又分为路径相关方法和路径无关方法。用途最广的雨流法(rain flow counting method)就是一种路径相关方法。其算法和原理可见“Downing, S., Socie, D. (1982) Simplified rain flow counting algorithms. Int J Fatigue,4, 31–40“。
经过雨流法的处理后,无规律的应力--时间曲线转化为一系列的简单循环(Sa,Sm和ni,ni为该循环的次数,Sm如果不等于0,即r!=-1,需要考虑r的影响)。然后将r!=-1的循环再转化到r=-1对应的应力循环(见下),这样就可以根据损伤累计理论(Miner准则)计算分析了:Sum(ni/Ni) Ni为该应力循环对应的寿命(考虑Sa,Sm)。

(3)r!=-1的简单单轴应力循环-->r=-1的r!=-1的简单单轴应力循环
如果有不同r值下的S-N曲线,一般采用插值方法确定未知r值下的S-N曲线。如果只有r=-1的S-N曲线,可采用如下的公式计算等效的应力(就是将r!=-1的单轴应力转换为r=-1时的单轴应力,即等效应力):
(Sa/Se)+(Sm/Su)^n=1 ^为指数运算符。
其中,Sa为半应力幅值,Se为欲求的等效应力,Sm为平均应力,Su和n不同的取值,构成不同的理论:
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,已经可以查询标准的S-N曲线了,结合Miner准则,就可以计算疲劳寿命。

结构失效的一个常见原因是疲劳,其造成破坏与重复加载有关。疲劳通常分为两类:

1)高周疲劳是当载荷的循环(重复)次数高(如1e4 -1e9)的情况下产生的。因此,应力通常比材料的极限强度低。应力疲劳( Stress-based)用于高周疲劳。

2)低周疲劳是在循环次数相对较低时发生的。塑性变形常常伴随低周疲劳,其阐明了短疲劳寿命。一般认为应变疲劳( strain-based)应该用于低周疲劳计算。

在ANSYS Workbench结构分析模块的后处理中的疲劳计算工具可以完成高周疲劳和低周疲劳的计算。