ANSYS的疲勞分析-基于S-N曲線的疲勞計算

1 概述

疲勞是指結構在低于靜態極限強度載荷的重復載荷作用下，出現斷裂破壞的現象。絕大多數的結構都存在疲勞的問題，比如一臺定時開啟運行的設備，比如橋梁，除了載荷導致的疲勞破壞，還有溫度或者其他場載荷都能導致疲勞的產生。關系到疲勞強度的主要因素使應力幅值、循環次數、平均應力等。

疲勞的危害是導致結構在未超過許用強度的狀態下發生破壞，例如一根能夠承受 300 KN  拉力作用的鋼桿，在 200 KN  循環載荷作用下，經歷 1,000,000  次循環后亦會破壞。

2 關鍵詞

事件：每種結構經歷的循環過程可能不一樣，甚至有的經歷多個事件，事件是指在特定的應力循環中不同時刻的一系列的應力狀態。這么說好像很難理解的樣子。

其實簡單點：舉個例子，一根梁，每隔半個小時施加一個彎矩，讓其彎曲，隔一個小時施加一個拉力，讓其受拉。很明顯這里有兩個循環事件，這兩個事件導致的循環過程不一樣。

載荷：載荷是時間的一部分，每一個事件是有很多個載荷來完成的。

應力幅：兩個載荷之間的應力狀態之差，如圖1，上下應力峰值之差即應力幅值。

圖1 應力循環

位置：即需要計算疲勞強度的結構位置。

3 建模求解

這部分內容根據結構實際狀態，建立模型，設定載荷步，加載計算。

本次還是以一個小例子，具體求解過程不再贅述。

/prep7

et,1,plane42

MPTEMP,1,0 

mpdata,ex,1,,2e8

mpdata,prxy,1,,0.3

rectng,0,200,0,100,

cyl4,100,50,25

asba,1,2

smrtsize,3

amesh,all

finish

/solv

nsel,s,loc,x,0

d,all,,,,,,ux

d,1,,,,,,uy

sfl,2,pres,0,31

allsel,all

solve

finish

4 S-N曲線

疲勞分析是在計算結果之上進行再次計算，其實這個過程也可以人為計算而不需要在軟件里面實現。直接查詢校核點的應力，算出應力幅值，再根據材料的S-N曲線，插值即可得到需用的循環次數，通過與實際循環次數對比，便能計算疲勞使用系數，也即累計損傷系數。

本次通過軟件，通過賦予材料S-N疲勞屬性，指定各種參數，直接得出累計損傷系數。

ANSYS在定義這些參數的過程中，有幾個關鍵命令：FP，FL，FS，FSNODE，FE，FTCALC。

查詢ANSYS幫助文檔，如下。

圖2 FP

根據疲勞曲線輸入S－N數據

STITM： ANSYS可以定義62個，取值1~20為循環次數，21~40為對應的應力幅度，41~50為溫度，51~60為平均應力，61和62為彈塑性材料參數。

C1~C6：每次可以定義6個值

圖3 FL

定義疲勞分析參數

NLOC：參考系數，自己定義，從1開始就行

NODE：節點號

SCFX，SCFY，SCFZ：集中系數

TITLE：標題

圖4 FSNODE

計算并存儲疲勞分析節點的各應力分量

NODE：節點號

NEV：事件代號

NLOD：載荷代號

圖5 FS

儲存節點應力

NODE：節點號

NEV：事件代號

NLOD：載荷代號

STITM：太長不解釋，如圖4。（很明顯，可以通過這個命令修改應力）

圖6FE

設定事件循環次數及載荷比例系數

NEV：不解釋

CYCLE：循環次數

FACT：比例系數

TITLE：不解釋

圖7 FTCALC

進行疲勞評定

本次例子中S-N曲線定義如下：

/post1

plnsol,s,eqv,0,1

FP,1,100,200,500,1e3,1500,2e3  

FP,7,1e4,1e5,1e6,2e6,3e6,5e6

FP,13,6e6,7e6,8e6,9e6,10e6,11e6

FP,19,12e6,15e6

FP,21,150,120,110,100,95,90

FP,27,85,80,75,70,65,60

FP,33,55,50,45,40,35,30

FP,39,29,25

定義40個循環次數對應的應力幅度。

5 評定

提取需要評定的節點號

*set,n_num,node(100,75,0)

fl,1,n_num

fsnode,n_num,1,1,

fs,n_num,1,2,1,

fe,1,10000,2,evel

ftcalc,1

分別定義以上參數。

圖8 應力結果

圖9 疲勞評定結果

疲勞評定結果如圖8，最終使用系數為0.38045，小于1，所以疲勞強度合格。

說明：這個例子的事件只有一個，載荷很簡單，工況很簡單，沒用用到工況的相減運算，僅是示例，當遇到復雜問題時，還有各種細節需要注意，但終歸屬于那幾個命令。