ANSYS幫助中疲勞一章的翻譯(1)
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ANSYS幫助中疲勞一章的翻譯(1)
（資料來源：半導體仿真論壇—www.iccae.com）
第13章 疲勞
13.1 疲勞的定義
疲勞是結構在承受低于其極限載荷的力的反復作用下發生破裂的現
象。例如，一根鋼條或許可以承受只有300KN的靜態拉力的作用，但在
200KN的力的反復作用下，就很可能發生破壞。
引起疲勞失效的主要因素包括：
· 經歷的載荷周期數；
· 單周期內應力的變化幅度；
· 單周期內的平均應力；
· 局部應力集中的存在。
當計算在預計的生命周期中某個部分的耗用狀況時，一個正式的疲勞評
估要涉及以上任何一個因素。
13.1.1 ANSYS程序的任務
ANSYS 疲勞計算是以ASME鍋爐與壓力容器規范的第3部分（和第8
部分第二章）為依據，采用了簡化了的彈塑性假設和Miner累積疲勞準則。
除了基于ASME規范的疲勞計算外，用戶也可以自己定義宏指令，或者
用合適的第三方程序與ANSYS分析結果相接。（更多信息請參考ANSYS
APDL程序指南）
ANSYS有以下疲勞計算能力：
· 用戶可以對現有的應力結果進行后處理來確定任何實體單元和殼單元的
疲勞耗用因數（對線單元模型疲勞分析用戶也可以手工輸入應力）。
· 用戶可以在預先選定的位置上確定一定數目的事件以及這些事件中的載
荷，然后保存這些位置上的應力。
· 用戶可以為每個位置定義應力集中系數和給每個事件定義比例因數。
13.1.2 基本術語
位置 在模型上所要保存疲勞應力的節點。用戶通?？梢赃x取結構上
易于發生疲勞破壞的的點的位置。
事件 是在某個特定的應力循環中出現在不同的時刻的一系列應力狀
態。更多信息請參考本章后面的獲取精確耗用系數指南。
載荷 一個應力狀態，是事件的一部分。
交變應力強度是任何兩個載荷間的應力狀態的差的測量值，程序不因平
均應力的影響而調整交變應力強度。
13.2 疲勞計算的步驟
疲勞計算是應力計算結束后在通用后處理器POST1中進行的。通常包
括以下五個主要步驟：
1. 進入通用后處理POST1，恢復數據庫；
2. 設定尺寸（位置﹑事件和載荷的數目），定義疲勞材料特性，確定應
力位置，定義應力集中因數。
3. 保存感興趣的位置上不同的事件和載荷的應力，指定事件循環和比
例因數。
4. 激活疲勞計算。
5. 查看結果。
13.2.1 進入通用后處理POST1，恢復數據庫
為了進行疲勞計算，你須要遵循以下步驟：
1. 進入POST1.
命令： /POST1
GUI：
Main Menu> General Postproc
2. 把數據庫文件（jobname.db）讀入正運行的內存中。(如果您的疲勞計算
是接著應力計算進行的，那么數據庫文件就已經在內存中了)，還需要一
個含有節點應力的結果文件（jobname.rst）,你可以隨后讀入。
命令：RESUME
GUI：
Utility Menu> File> Resume from
13.2.2 設定大小，疲勞材料性質和位置
定義以下數據：
·位置﹑事件和載荷的數的最大值；
·疲勞材料性質；
·應力位置和應力集中因數。
1. 定義應力位置﹑事件和載荷的數的最大值。
在默認的條件下，最多可以考慮5個節點位置，10個事件，每個事件中
3個載荷。必要時，用戶可以通過以下選項設置更多數目（也就是允許更多的位
置﹑事件或節點）。
命令： FTSIZE
GUI：
Main Menu> General Postproc> Fatigue> Size Settings
2. 定義材料疲勞特性
為了計算疲勞耗用因數和考慮彈塑性簡化計算的影響，用戶必須定義材
料疲勞特性。在疲勞評價中感興趣的材料特性有：
· S-N曲線.即交變應力強度((Smax - Smin)/2)和允許循環次數曲線。ASME S-N
曲線解決了最大平均應力的影響。必要時，用戶應該調整S-N曲線來解決平
均應力的影響。如果沒有輸入S-N曲線，關于所有可能應力狀態合成的交變
應力強度將會以從大到小的順序列舉出來，但是不進行任何耗用因數的計
算。
命令： FP
GUI：
Main Menu> General Postproc> Fatigue> Property Table> S-N Table
· Sm-T曲線：即設計應力集中值-溫度曲線，當用戶需要程序判別名義應
力范圍是否已經進入塑性階段時就需要用到這條曲線。
命令：FP
GUI：
Main Menu> General Postproc> Fatigue> Property Table> Sm_T Table
·彈塑性材料參數M和N（加工硬化指數），只有根據簡化的彈塑性規則計
算時，這個參數才會被用到。兩個參數值可以從ASME代號中查得。
命令：FP
GUI：
Main Menu> General Postproc> Fatigue> Property Table> Elas-plas Par
下面這個例子說明了在輸入材料疲勞特性時FP命令的用法：
! 定義S-N曲線圖表:
FP,1,10,30,100,300,1000,10000 ! 允許周期數
FP,7,100000,1000000 ! "
FP,21,650,390,240,161,109,59 ! 交互應力強度
FP,27,37,26 ! 強度幅值, S, ksi
! 定義Sm-T 表:
FP,41,100,200,300,400,500,600 ! 溫度, deg F
FP,47,650,700,750,800 !
FP,51,20,20,20,18.7,17.4,16.4 ! "設計應力強度值“，
FP,57,16.1,15.9.15.5,15.1 ! Sm (=2/3*Sy 或
! 1/3 *Su), ksi
FP,61,1.7,.3 ! 定義彈塑性參數: M 和N
3．定義應力位置和應力集中因數
下面的選項允許你明確定義疲勞計算中一個感興趣的節點位置，以及
定義此位置的應力集中因數（SCFs）和為其指定一個不長于20字符的標
題。
命令：FL
GUI：
Main Menu> General Postproc> Fatigue> Stress Locations
注意
并非所有的疲勞分析都要求用到FL命令，當執行FS, FSNODE, 或
FSSECT命令時，節點的位置就會被自動指定。如果你的模型有充足的細網
格，就沒必要使用計算出SCFs，因為應力已經相當精確。（然而，由于表面、
尺寸或腐蝕的影響，補充的SCFs仍然需要），
當只有一個位置時，你可以不用定義標題。如果不要求明確定義位置、SCFs
或標題時，FL命令也完全可以不用。
下面這個例子是FL命令的應用。本例中，以坐標Y軸為軸線的圓柱，
有兩個感興趣的壁厚，在外壁上SCFs被用于軸向線形化應力上。
FL,1,281,,,,Line 1 at inside
FL,2,285,,1.85,,Line 1 at outside
FL,3,311,,,,Line 2 at inside
FL,4,315,,2.11,,Line 2 at outside
圖 13.1 圓柱壁上的應力集中因數
13.2.3 保存應力，指定事件循環和比例因數
13.2.3.1 保存應力
為了進行疲勞評價，程序必須獲知在不同事件點的應力和每個位置
的載荷，也要知道每個事件的循環次數。你可以通過以下選項存儲每個位
置，事件和載荷組合的應力：
·手工存儲應力；
·從jobname.rst文件中獲得節點應力；
·橫截面處的應力。
注意
程序假定零應力狀態是不存在的，如果零應力是要考慮的應力狀態
之一，那么必須在它可能出現的每個事件中明確輸入。
下面這些命令列示意地說明了怎樣存儲應力，在某些情況下，用戶
或許更愿意用LCASE命令來而不用SET。
手工存儲應力：
FS
從Jobname.RST中獲得節點應力:
SET, FSNODE
橫截面處的應力:
PATH, PPATH, SET, FSSECT
(橫截面處的計算也需要從Jobname.RST文件中獲取數據.)
在一個事件中，你可以用多種方法來存儲應力，下面詳細闡述這些方
法的用法：
13.2.3.1.1 手工存儲應力
你可以用此選項手工存儲應力和溫度（不需要直接訪問jobname.RST文
件）。在這種情況下，你不是在POST1中把疲勞分析模塊作為后處理器，而
只是作為疲勞計算的工具。象梁單元等線單元必須這樣來處理，因為這里
和實體單元和殼單元不同，疲勞模型不能從jobname.RST文件中獲取數據。
命令： FS
GUI：
Main Menu> General Postproc> Fatigue> Store Stresses> Specified Val
命令輸入如下例所示：
FS,201,1,2,1,-2.0,21.6,15.2,4.5,0.0,0.0
FS,201,1,2,7,450.3
在本例中，輸入的只有總應力（第1-6項）和溫度（第7項），如
果還要輸出線形化的應力，那么應接著溫度占第8至13項。
注意
在只有軸向應力的梁單元這種特殊情況下，你只須輸入一個方向
（SX）上的應力，其余的皆為空白。
13.2.3.2 從jobname.RST文件中獲取節點應力
使用這個選項時，你就生成了要存儲的含有6個應力分量的一個節
點矢量，這些應力分量可以直接從結果數據庫文件來保存。
注意
在執行FSNODE命令之前，你必須使用SET命令，可能也要SHELL命令。
SET命令用來從結果文件中把對應于某個特定的載荷步的結果讀入數據
庫文件。SHELL命令為殼單元從頂部﹑中部或底部面（默認為頂面）選擇
結果數據。
命令：FSNODE
GUI：
Main Menu> General Postproc> Fatigue> Store Stresses>
From rst File
下面這個說明了怎樣用FSNODE命令在某個節點位置的一個事件中輸入應力：
SET,1 ! 為載荷步1定義數據組
FSNODE,123,1,1 ! 節點123初的應力矢量被指定為事件1，載荷1
SET,2 ! 為載荷步2定義數據組
FSNODE,123,1,2 ! ...事件1載荷2
SET,3 ! ...載荷步3
FSNODE,123,1,3 ! ...事件1，載荷3
圖13.2. 一事件中的三個載荷
13.2.3.1.3. 橫截面處的應力
這個選項用來計算和存儲（先前用PATH和PPATH命令定義的）截面路
徑末端的總的線形化應力，由于你準備對代表兩個表面之間的最短距離
進行線形化，在PPATH命令里只需用兩個面的節點來描述路徑。這個選項
從結果數據庫文件中提取應力信息。因此在使用FSSECT應使用SET命令。
用FSSECT命令存儲的應力分量可以用隨后的FS命令來更改。
命令： FSSECT
GUI ：
Main Menu> General Postproc> Fatigue> Store Stresses> At Cross Sect
下面這個例子介紹了FSSECT輸入命令的用法，如果未用FL命令來指定節點位
置，在本例中，FSSECT命令會自動為兩個路徑節點指定位置編號為391和395。
（請參考在執行FSSECT命令前用PPATH命令識別面節點。）
PATH,Name,2 ! 用兩個面節點來定義路徑
PPATH,1,391
PPATH,2,395
SET,1
FSSECT,,1,1 ! 存儲節點391和395處的應力
圖 13.3. 在執行FSSECT命令前用PPATH命令識別面節點
13.2.3.2 列出﹑顯示和刪除存儲的節點應力
用下面的選項來列出﹑顯示和刪除存儲的節點應力：
.列出每個位置﹑事件﹑載荷和每個應力條件的存儲應力
命令：FSLIST
GUI：
Main Menu> General Postproc> Fatigue> Store Stresses>
List Stresses
.顯示一個應力項作為某個特定的位置和事件的載荷數的函數
命令：FSPLOT
GUI：
Main Menu> General Postproc> Fatigue> Store Stresses>
Plot Stresses
. 刪除存儲在某個位置﹑事件和載荷上的一個應力條件
命令：FSDELE
GUI：
Main Menu> General Postproc> Fatigue> Store Stresses>
Dele Stresses
.刪除某個位置上的所有應力
命令：FL
GUI：
Main Menu> General Postproc> Fatigue> Stress Locations
.刪除某個事件的所有載荷上所有應力
命令：FE
GUI：
Main Menu> General Postproc> Fatigue> Erase Event Data
第13章 疲勞
13.1 疲勞的定義
疲勞是結構在承受低于其極限載荷的力的反復作用下發生破裂的現
象。例如，一根鋼條或許可以承受只有300KN的靜態拉力的作用，但在
200KN的力的反復作用下，就很可能發生破壞。
引起疲勞失效的主要因素包括：
· 經歷的載荷周期數；
· 單周期內應力的變化幅度；
· 單周期內的平均應力；
· 局部應力集中的存在。
當計算在預計的生命周期中某個部分的耗用狀況時，一個正式的疲勞評
估要涉及以上任何一個因素。
13.1.1 ANSYS程序的任務
ANSYS 疲勞計算是以ASME鍋爐與壓力容器規范的第3部分（和第8
部分第二章）為依據，采用了簡化了的彈塑性假設和Miner累積疲勞準則。
除了基于ASME規范的疲勞計算外，用戶也可以自己定義宏指令，或者
用合適的第三方程序與ANSYS分析結果相接。（更多信息請參考ANSYS
APDL程序指南）
ANSYS有以下疲勞計算能力：
· 用戶可以對現有的應力結果進行后處理來確定任何實體單元和殼單元的
疲勞耗用因數（對線單元模型疲勞分析用戶也可以手工輸入應力）。
· 用戶可以在預先選定的位置上確定一定數目的事件以及這些事件中的載
荷，然后保存這些位置上的應力。
· 用戶可以為每個位置定義應力集中系數和給每個事件定義比例因數。
13.1.2 基本術語
位置 在模型上所要保存疲勞應力的節點。用戶通?？梢赃x取結構上
易于發生疲勞破壞的的點的位置。
事件 是在某個特定的應力循環中出現在不同的時刻的一系列應力狀
態。更多信息請參考本章后面的獲取精確耗用系數指南。
載荷 一個應力狀態，是事件的一部分。
交變應力強度是任何兩個載荷間的應力狀態的差的測量值，程序不因平
均應力的影響而調整交變應力強度。
13.2 疲勞計算的步驟
疲勞計算是應力計算結束后在通用后處理器POST1中進行的。通常包
括以下五個主要步驟：
1. 進入通用后處理POST1，恢復數據庫；
2. 設定尺寸（位置﹑事件和載荷的數目），定義疲勞材料特性，確定應
力位置，定義應力集中因數。
3. 保存感興趣的位置上不同的事件和載荷的應力，指定事件循環和比
例因數。
4. 激活疲勞計算。
5. 查看結果。
13.2.1 進入通用后處理POST1，恢復數據庫
為了進行疲勞計算，你須要遵循以下步驟：
1. 進入POST1.
命令： /POST1
GUI：
Main Menu> General Postproc
2. 把數據庫文件（jobname.db）讀入正運行的內存中。(如果您的疲勞計算
是接著應力計算進行的，那么數據庫文件就已經在內存中了)，還需要一
個含有節點應力的結果文件（jobname.rst）,你可以隨后讀入。
命令：RESUME
GUI：
Utility Menu> File> Resume from
13.2.2 設定大小，疲勞材料性質和位置
定義以下數據：
·位置﹑事件和載荷的數的最大值；
·疲勞材料性質；
·應力位置和應力集中因數。
1. 定義應力位置﹑事件和載荷的數的最大值。
在默認的條件下，最多可以考慮5個節點位置，10個事件，每個事件中
3個載荷。必要時，用戶可以通過以下選項設置更多數目（也就是允許更多的位
置﹑事件或節點）。
命令： FTSIZE
GUI：
Main Menu> General Postproc> Fatigue> Size Settings
2. 定義材料疲勞特性
為了計算疲勞耗用因數和考慮彈塑性簡化計算的影響，用戶必須定義材
料疲勞特性。在疲勞評價中感興趣的材料特性有：
· S-N曲線.即交變應力強度((Smax - Smin)/2)和允許循環次數曲線。ASME S-N
曲線解決了最大平均應力的影響。必要時，用戶應該調整S-N曲線來解決平
均應力的影響。如果沒有輸入S-N曲線，關于所有可能應力狀態合成的交變
應力強度將會以從大到小的順序列舉出來，但是不進行任何耗用因數的計
算。
命令： FP
GUI：
Main Menu> General Postproc> Fatigue> Property Table> S-N Table
· Sm-T曲線：即設計應力集中值-溫度曲線，當用戶需要程序判別名義應
力范圍是否已經進入塑性階段時就需要用到這條曲線。
命令：FP
GUI：
Main Menu> General Postproc> Fatigue> Property Table> Sm_T Table
·彈塑性材料參數M和N（加工硬化指數），只有根據簡化的彈塑性規則計
算時，這個參數才會被用到。兩個參數值可以從ASME代號中查得。
命令：FP
GUI：
Main Menu> General Postproc> Fatigue> Property Table> Elas-plas Par
下面這個例子說明了在輸入材料疲勞特性時FP命令的用法：
! 定義S-N曲線圖表:
FP,1,10,30,100,300,1000,10000 ! 允許周期數
FP,7,100000,1000000 ! "
FP,21,650,390,240,161,109,59 ! 交互應力強度
FP,27,37,26 ! 強度幅值, S, ksi
! 定義Sm-T 表:
FP,41,100,200,300,400,500,600 ! 溫度, deg F
FP,47,650,700,750,800 !
FP,51,20,20,20,18.7,17.4,16.4 ! "設計應力強度值“，
FP,57,16.1,15.9.15.5,15.1 ! Sm (=2/3*Sy 或
! 1/3 *Su), ksi
FP,61,1.7,.3 ! 定義彈塑性參數: M 和N
3．定義應力位置和應力集中因數
下面的選項允許你明確定義疲勞計算中一個感興趣的節點位置，以及
定義此位置的應力集中因數（SCFs）和為其指定一個不長于20字符的標
題。
命令：FL
GUI：
Main Menu> General Postproc> Fatigue> Stress Locations
注意
并非所有的疲勞分析都要求用到FL命令，當執行FS, FSNODE, 或
FSSECT命令時，節點的位置就會被自動指定。如果你的模型有充足的細網
格，就沒必要使用計算出SCFs，因為應力已經相當精確。（然而，由于表面、
尺寸或腐蝕的影響，補充的SCFs仍然需要），
當只有一個位置時，你可以不用定義標題。如果不要求明確定義位置、SCFs
或標題時，FL命令也完全可以不用。
下面這個例子是FL命令的應用。本例中，以坐標Y軸為軸線的圓柱，
有兩個感興趣的壁厚，在外壁上SCFs被用于軸向線形化應力上。
FL,1,281,,,,Line 1 at inside
FL,2,285,,1.85,,Line 1 at outside
FL,3,311,,,,Line 2 at inside
FL,4,315,,2.11,,Line 2 at outside
圖 13.1 圓柱壁上的應力集中因數
13.2.3 保存應力，指定事件循環和比例因數
13.2.3.1 保存應力
為了進行疲勞評價，程序必須獲知在不同事件點的應力和每個位置
的載荷，也要知道每個事件的循環次數。你可以通過以下選項存儲每個位
置，事件和載荷組合的應力：
·手工存儲應力；
·從jobname.rst文件中獲得節點應力；
·橫截面處的應力。
注意
程序假定零應力狀態是不存在的，如果零應力是要考慮的應力狀態
之一，那么必須在它可能出現的每個事件中明確輸入。
下面這些命令列示意地說明了怎樣存儲應力，在某些情況下，用戶
或許更愿意用LCASE命令來而不用SET。
手工存儲應力：
FS
從Jobname.RST中獲得節點應力:
SET, FSNODE
橫截面處的應力:
PATH, PPATH, SET, FSSECT
(橫截面處的計算也需要從Jobname.RST文件中獲取數據.)
在一個事件中，你可以用多種方法來存儲應力，下面詳細闡述這些方
法的用法：
13.2.3.1.1 手工存儲應力
你可以用此選項手工存儲應力和溫度（不需要直接訪問jobname.RST文
件）。在這種情況下，你不是在POST1中把疲勞分析模塊作為后處理器，而
只是作為疲勞計算的工具。象梁單元等線單元必須這樣來處理，因為這里
和實體單元和殼單元不同，疲勞模型不能從jobname.RST文件中獲取數據。
命令： FS
GUI：
Main Menu> General Postproc> Fatigue> Store Stresses> Specified Val
命令輸入如下例所示：
FS,201,1,2,1,-2.0,21.6,15.2,4.5,0.0,0.0
FS,201,1,2,7,450.3
在本例中，輸入的只有總應力（第1-6項）和溫度（第7項），如
果還要輸出線形化的應力，那么應接著溫度占第8至13項。
注意
在只有軸向應力的梁單元這種特殊情況下，你只須輸入一個方向
（SX）上的應力，其余的皆為空白。
13.2.3.2 從jobname.RST文件中獲取節點應力
使用這個選項時，你就生成了要存儲的含有6個應力分量的一個節
點矢量，這些應力分量可以直接從結果數據庫文件來保存。
注意
在執行FSNODE命令之前，你必須使用SET命令，可能也要SHELL命令。
SET命令用來從結果文件中把對應于某個特定的載荷步的結果讀入數據
庫文件。SHELL命令為殼單元從頂部﹑中部或底部面（默認為頂面）選擇
結果數據。
命令：FSNODE
GUI：
Main Menu> General Postproc> Fatigue> Store Stresses>
From rst File
下面這個說明了怎樣用FSNODE命令在某個節點位置的一個事件中輸入應力：
SET,1 ! 為載荷步1定義數據組
FSNODE,123,1,1 ! 節點123初的應力矢量被指定為事件1，載荷1
SET,2 ! 為載荷步2定義數據組
FSNODE,123,1,2 ! ...事件1載荷2
SET,3 ! ...載荷步3
FSNODE,123,1,3 ! ...事件1，載荷3
圖13.2. 一事件中的三個載荷
13.2.3.1.3. 橫截面處的應力
這個選項用來計算和存儲（先前用PATH和PPATH命令定義的）截面路
徑末端的總的線形化應力，由于你準備對代表兩個表面之間的最短距離
進行線形化，在PPATH命令里只需用兩個面的節點來描述路徑。這個選項
從結果數據庫文件中提取應力信息。因此在使用FSSECT應使用SET命令。
用FSSECT命令存儲的應力分量可以用隨后的FS命令來更改。
命令： FSSECT
GUI ：
Main Menu> General Postproc> Fatigue> Store Stresses> At Cross Sect
下面這個例子介紹了FSSECT輸入命令的用法，如果未用FL命令來指定節點位
置，在本例中，FSSECT命令會自動為兩個路徑節點指定位置編號為391和395。
（請參考在執行FSSECT命令前用PPATH命令識別面節點。）
PATH,Name,2 ! 用兩個面節點來定義路徑
PPATH,1,391
PPATH,2,395
SET,1
FSSECT,,1,1 ! 存儲節點391和395處的應力
圖 13.3. 在執行FSSECT命令前用PPATH命令識別面節點
13.2.3.2 列出﹑顯示和刪除存儲的節點應力
用下面的選項來列出﹑顯示和刪除存儲的節點應力：
.列出每個位置﹑事件﹑載荷和每個應力條件的存儲應力
命令：FSLIST
GUI：
Main Menu> General Postproc> Fatigue> Store Stresses>
List Stresses
.顯示一個應力項作為某個特定的位置和事件的載荷數的函數
命令：FSPLOT
GUI：
Main Menu> General Postproc> Fatigue> Store Stresses>
Plot Stresses
. 刪除存儲在某個位置﹑事件和載荷上的一個應力條件
命令：FSDELE
GUI：
Main Menu> General Postproc> Fatigue> Store Stresses>
Dele Stresses
.刪除某個位置上的所有應力
命令：FL
GUI：
Main Menu> General Postproc> Fatigue> Stress Locations
.刪除某個事件的所有載荷上所有應力
命令：FE
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