1         前言

由于客觀原因，會進行一段時間的疲勞分析學習，優化部分的內容相對也會延后一段時間。不得不說，前幾天基本上都是在看資料，整得人云里霧里的，所以思來想去還是得重操舊業，學習一點總結一點。強調一下，由于在疲勞方面學習的時間暫時不是太長，因此文章內容難免會有錯誤，希望大家指正，互相學習。

2         問題描述  

圖 1 有限元模型

如圖所示是一個常規的靜力分析，約束以及載荷都標識在了圖中。然而不同的是，現在這個支架的工作狀況相對來說比較惡劣，需要在-0.1Mpa~0.1MPa的對稱循環壓力荷載下進行工作，試估算其使用疲勞壽命。

3         問題分析

對于這樣一個問題，如果不使用軟件，我們可能會這樣處理：

①   使用材料力學方法計算得到工況下的名義應力

②   查詢相關手冊得到該模型在該工況下的理論應力集中系數

③   綜合考慮名義應力，應力集中系數，載荷幅值以及其余影響因素得到用于校核疲勞壽命的應力幅值

④   對應材料的S-N曲線（對于高周疲勞問題）得到結構在對應工況下的疲勞壽命

上述問題如果轉換成軟件來實現也是一樣，首先利用有限元軟件計算得到危險部位的應力值，然后結合相應的載荷輸入，材料S-N曲線輸入，通過相應的疲勞算法得到結構局部的損傷量，最后通過后處理得到疲勞壽命云圖，對應的過程就是下面的疲勞五框圖：

圖 2 疲勞五框圖

4         分析流程

4.1   有限元結果獲取與導入

對照五步圖，我們首先獲取有限元分析結果，這里個人使用hyperworks的optistruct求解器進行有限元分析，大家可以根據自己的分析需求使用不用的有限元求解器。對于optistruct，個人建議結果存儲為.op2格式，測試默認的.h3d格式文件識別的不是特別好。

將求解得到的有限元結果直接拖入designlife的工作區或者先拖入一個FE Input模塊，然后將結果拓撲該模塊中，兩者效果一樣，如下圖所示：

圖 3 有限元結果讀取

仔細看這個拖入的方框，我們能進行一些基本的操作：

圖 4 模塊基本操作

進入屬性面板中，我們可以顯示變形以及應力結果，這個是designlife自帶的云圖顯示方式，具體的一些功能大家可以自行摸索下。

4.2   材料映射（material mapping）

完成有限元分析結果的導入之后，我們需要將對應材料的S-N曲線賦予給原來用于分析的材料，這一步在S-N CAE Fatigue模塊中完成。

圖 5 創建S-N分析

首先在右側的模塊區拖入S-N CAE Fatigue到左側的工作區中，然后將有限元結果輸入文件的輸出結構與S-N CAE Fatigue的輸入接口連接起來，表示將有限元結果傳輸給S-N CAE Fatigue模塊。點擊S-N CAE Fatigue模塊，右鍵找到advanced edit，第一次進入點擊yes更新數據表示會將前面模塊的數據傳輸進來，進入后界面如下：

圖 6 更改材料賦予方式

首先個人建議使用原有分析模型的材料編號來進行材料S-N賦予，默認是使用模型一體賦予材料的，將材料賦予也就是2步驟對應的框中改成material，這個material是直接與前面有限元模型中的選中的材料直接鏈接起來的。

圖 7 材料映射

進入materialmap中可以看到，MAT_1就是我們在有限元中定義的ID為1的材料，我們可以直接將軟件數據庫的材料賦予給MAT_1也可以自己生成一個新的材料。這里需要說明下，在standard S-N曲線中生成的S-N曲線并不是說額外導入一條S-N曲線，而是有軟件自己的內部公式，我們只需要基于材料的拉伸強度，材料類型以及標準誤差即可。比如，點擊generate生成如下參數的曲線（默認是應力比為-1下的曲線，也即循環對稱疲勞曲線）

圖 8 自定義材料

則軟件會生成一個這樣子的S-N曲線（雙對數坐標下）：

圖 9 標準S-N曲線（log-log）

其中各參數按照如下進行計算：

圖 10 標準S-N曲線部分公式

其中的S1與S2根據所選的材料類型不同，如果是ferrous（鐵）的話，計算公式如下：

按照上述公式，軟件給我們生成的S-N曲線如下：

圖 11 自定義的S-N曲線

當然，提供的公式只能說是S-N曲線的一種標準公式，根據材料性質的不同，我們可以選擇不同的S-N曲線生成規則。相較于通過查詢手冊上S-N曲線，這種方式顯然會帶來一定的誤差，不過既然是普遍采用的公式，說明對于高周疲勞的預測還是適用的，本文暫時不深究。賦予完成之后如下：

圖 12 完成材料映射

4.3   載荷映射（load mapping）

圖 13 載荷映射

材料S-N曲線賦予完成后，進入載荷的賦予，首先在載荷類型中選擇恒幅，說明加載曲線類似于正弦函數，最大值與最小值不隨時間變化，保持恒定，如果最小值/最大值=-1也就是本例中的循環對稱荷載，屬于恒幅荷載的特殊形式（注意到S-N曲線一般也是通過循環對稱荷載測得的）。如圖，選擇默認情況下最大值為1倍的靜力載荷，最小值為-1倍的靜力載荷，也即標準的循環對稱且幅值為1倍載荷值的加載，這里與本例需求相同，不需要更改。

4.4   分析參數調整

圖 14 分析參數調整

上面有三個比較重要的參數，從上到下依次是損傷計算方法，應力組合方法以及平均應力修正方法，本文先不對此進行說明，后續文章需要更改的時候再具體說明。

4.5   后處理模塊

由于分析時連續完成的，因此最好在求解前就設置好。如圖所示，拖入一個FE Display模塊，并參照前面操作，將疲勞分析結果傳輸給該模塊。

圖 15 創建后處理模型顯示

4.6   求解

點擊上方的運行，軟件會直接運行整個圖形化程序，同時在疲勞求解模塊能看到運行的進程。

圖 16 運行S-N分析

4.7   后處理

進入FE Display模塊中，右鍵進入屬性，能選擇相應的結果進行顯示：

圖 17 疲勞分析結果后處理

確認后顯示云圖結果，可以看到最小壽命為5.4e13（從工程上來講已經算是無限疲勞壽命了），在圓角上部。同時從結果我們也可以看出，壽命最小的地方容易出現在應力集中部位或者結構的缺陷部位，并且往往是從表面開始完成裂紋萌生，擴展到最后斷裂的。

圖 18 疲勞壽命云圖

來源：CAE交流之家

作者：ansys-聰聰