疲勞對結構的影響

結構失效的一個常見原因是疲勞，通常在一定的載荷水平范圍內（小于極限靜載荷）承受重復性載荷而產生的一種破壞現象，由于疲勞破壞是一個緩慢損傷累積的過程，與載荷加載循環的次數有關，隨著循環次數的增多，材料的屈服強度值會減小，當材料的屈服強度值小于極限靜載荷時，就會發生疲勞斷裂。據統計，因交變載荷引起的疲勞斷裂事故占機械機構失效總數的95%，疲勞越來越受到重視。
判斷結構是否是疲勞影響造成的斷裂，可以通過觀察斷口有沒有顯著的塑性變形，不論是脆性材料還是塑性材料疲勞斷裂均表現為脆性斷裂，斷裂更具突然性，更危險。

疲勞通常分為兩類:
①高周疲勞是當載荷的循環次數高于(如1E4-1E9)的情況下產生的，應力通常比材料的屈服強度低。
②低周疲勞是在循環次數相對較低時發生的。塑性變形常常伴隨低周疲勞。

   

    

   

疲勞的計算能反應出結構能承受多少次循環載荷，從而確定結構的使用壽命，在結構服役破壞之前對零件進行替換。另一種思路是通過對載荷的比例縮放使得結構的壽命趨于無窮大。常見材料對于無窮壽命的循環次數的定義如下表所示：

鋼材	107次循環
焊接材	2×106次循環
有色金屬	108次循環

算例：利用ANSYS經典界面計算橫梁的疲勞壽命

1、首先定義單元類型

根據結構特點確定單元的類型，選定單元類型為PLANE 82。

2、定義材料屬性

選擇材料的楊氏模量為2.06E5Mpa，泊松比為0.3。

3、建立幾何模型

通過對應坐標和相關尺寸建立相關的矩形和圓形，運用布爾求差完成對面的剪切。

4、網格劃分

① 單元大小的控制

② 分配單元屬性，選擇對應的單元和材料

③ 對建立的模型進行網格劃分

5、建立約束（邊界條件）

如下圖所示：在模型底部的左下角和右下角的位置的點施加X及Y方向的位移約束。

6、施加載荷

在模型的上表面施加均布載荷。

7、定義材料的疲勞性質

輸入材料的S-N曲線。

8、定義應力位置、循環次數

根據應力求解結果、計算疲勞參數，可以在一系列預先選定的位置上確定一定數目的應力循環和應力循環載荷，并存儲這些位置上的應力。由靜力分析云圖可知，模型的危險點為橫梁的中部，所以定義橫梁中部位置節點，保存節點的應力值，無限壽命定義為500000次。

8、疲勞計算并求解壽命

進行疲勞計算，獲取橫梁中點的疲勞壽命

計算結果：疲勞壽命為350000次循環，累積疲勞使用率為70%。

來源：CAE仿真聚焦