疲勞失效
關注創建者：匿名 創建時間：2021-07-20
疲勞失效的視頻教程
疲勞耐久性分析及壽命評估方法（5.12已更新）
? ? 本次課程的主要內容包含三個方面：疲勞失效機理及過程、疲勞失效分析方法、振動疲勞失效分析方法。 ? ? ?考慮到目前平臺已有課程里絕大多數主要是nCode的應用，而關于疲勞失效的理論基礎較少，而這一塊的內容對于更好的應用軟件去做分析非常有必要，因此特制作了本次視頻課程，幫助大家更好的去理解疲勞分析的理論基礎和工程應用方法。
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斯姆勒技術視頻教程-懸臂梁的疲勞分析
產品的壽命和可靠性成為人們越來越關注的焦點，每年因結構疲勞大量產品在其有效壽命期內報廢，由于疲勞破壞而造成的惡性事故也時有出現。 基于疲勞分析的設計手段可以避免疲勞失效：產品出現不應當發生的疲勞失效會使企業的信譽受損，經濟損失更大！ 基于疲勞分析的設計手段可以避免過大余量的設計：過大余量設計使得產品的成本增加，市場競爭力下降！
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ANSYS nCode疲勞分析基礎理論和實踐
在中國，疲勞耐久性缺陷引起的產品質量問題也普遍存在，過早的疲勞失效是國產產品缺乏國際競爭力的很重要原因之一。 如果您設計的產品需要更強的市場競爭力，或者您正在設計的產品正在面臨疲勞問題引起的大批量質量問題，又或者疲勞問題并沒有成為問題，僅僅是一項可能的風險，那么，您需要盡快了解關于疲勞的工程設計和解決方法。
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疲勞失效的實例教程
焊接結構疲勞失效的原因主要有以下幾個方面：①客觀上講，焊接接頭的靜載承受能力一般并不低于母材；而承受交變動載荷時，其承受能力卻遠低于母材，而且與焊接接頭類型和焊接結構形式有密切的關系。這是引起一些結構因焊接接頭的疲勞而過早失效的一個主要的因素；②早期的焊接結構設計以靜載強度設計為主，沒有考慮抗疲勞設計，或者是焊接結構疲勞設計規范并不完善，以至于出現了許多現在看來設計不合理的焊接接頭；③工程設計技術人員對焊接結構抗疲勞性能的特點了解不夠，所設計的焊接結構往往照搬其它金屬結構的疲勞設計準則與結構形式；④焊接結構日益廣泛，而在設計和制造過程中人為盲目追求結構的低成本、輕量化，導致焊接結構的設計載荷越來越大；⑤焊接結構有往高速重載方向發展的趨勢，對焊接結構承受動載能力的要求越來越高，而對焊接結構疲勞強度方面的科研水平相對滯后。
展開 nCode培訓_2012-04-24_疲勞理論.pdf
名稱：nCode學院培訓課程：疲勞失效及壽命預測
頁數：32
△圖2：影響微電子封裝可靠性的主要因素
4、 焊點失效的四種模式：
4.1 熱交變應力破壞失效
? 溫度變化
? 材料蠕變損傷
? 變形與裂紋擴展
4.2 疲勞破壞失效
?由振動載荷引起的高周疲勞失效
4.3 化學因素腐蝕破壞失效
? 水分、氧氣其他離子
? 化學反應腐蝕
? 粘結強度等機械性能降低
4.4 動態機械載荷破壞失效
? 跌落、沖擊和振動
? 開裂、脆裂等損傷
研究內容
△圖3：焊點熱耦合疲勞仿真分析內容
1、基本力學參數的獲取
? 調研焊點、焊腳的材料屬性
? 試驗獲取引腳、錫焊、錫焊界面（金屬化合物）的力學性能參數
? 擬合界面相（金屬化合物）材料的本構關系
2、疲勞數據庫的建立
? 通過疲勞試驗建立材料、界面相的疲勞特性曲線
? 建立單個焊點的有限元分析模型
? 加載循環載荷預測焊點的疲勞壽命與失效位置
? 通過與實驗比較，對有限元分析模型進行驗證
△圖4：不同封裝結構下無鉛SAC305焊點的S-N曲線
3、整機仿真模型
一般而言，在有限元模態分析中，系統的固有頻率會隨著網格密度的增加而降低至一個穩定的收斂值，為了找到合適的網格劃分密度，需要對其進行網格收斂性檢查。振動試驗載荷一般有正弦、窄帶隨機和寬帶隨機三種，PCB邊界條件有四角四點固支，端部四點固支，六點固支，中間四點固支以及中間兩點固支。
3.1 有限元模型建模
△圖5：焊點有限元建模
3.2 組件中各層材料參數設置
考慮到振動過程中焊點發生的一般是彈性形變，無需考慮材料的蠕變參數，各組分材料從上往下依次按照模塑料、封裝基板、Cu焊盤(Cu)、焊球(SAC305)、PCB板(FR-4)賦予。
展開 關于這個問題在后面的章節中將有詳細的討論，這里僅簡單地給出它的基本理由：疲勞載荷相同、幾何形狀也相同的焊接接頭的抗疲勞能力僅有產生的應力集中控制，而應力集中的高或者低不由母材的屈服強度控制。
誤區二：將焊接結構的疲勞失效問題歸結為焊接質量問題
該認識誤區是責任層面上的，即習慣于將焊接結構的疲勞失效主要歸結為焊接質量的問題，習慣于從制造質量角度尋找問題發生的原因。
在過去很長的一段時間里有過這樣的教訓，焊接質量很差，焊接缺陷嚴重導致的一些焊縫在短時間內發生疲勞失效。在吸取質量上的教訓之后，現階段焊接質量已經有了明顯的改善，但是疲勞失效問題還是繼續發生，例如圖1-1所示的某動車組設備艙裙板焊接支架上焊縫的疲勞開裂，就是其中的一個典型案例。經過非常嚴格的檢查未發現該處焊接質量的任何問題，然而服役不久該結構還是出現了疲勞失效問題。這個案例表明：將應力集中產生的原因簡單地歸結為焊接質量的問題是不恰當的，應力集中可以產生于制造階段，也可以產生于設計階段，不同階段應該有不同的責任，雖然邏輯上責任問題不是一個科學問題，但是責任不清導致治理上的錯位也不可掉以輕心。
圖1-1 艙裙板支架焊縫疲勞開裂
誤區三:焊接結構內部的殘余應力對疲勞壽命有重要影響
該認識誤區是關于焊接殘余應力影響的問題，即認為焊接結構內部存在復雜的殘余應力，且這個殘余應力對疲勞壽命是有重要影響的，可以這個影響究竟有多大又難以可靠估計。
關于焊接結構殘余應力本身，國內外許多焊接專家的著作中對殘余應力產生的機制都有過詳細的闡述，一致認為焊接結構內部存在著相當復雜的殘余應力是焊接結構工藝熱過程的必然結果。
展開 潛水器的每一次作業，耐壓艙都承受一次不斷變化的海水壓力（升載-保載-卸載）作用，這種載荷譜下的疲勞稱為保載疲勞（Dwell fatigue）。新型高強韌鈦合金是耐壓艙的首選材料，研究其保載疲勞特性對于深海潛水器的設計和可靠性評估具有重要意義。
研究發現，耐壓艙鈦合金的三種保載疲勞失效模式，即疲勞失效、延性失效及疲勞與延性混合失效。保載與疲勞載荷的相互作用加速了試樣的失效，并導致不同失效模式之間的競爭。研究進一步發現保載疲勞壽命與第一周次累積最大應變有關，二者在雙對數坐標下呈近似線性關系，間歇加載時間對鈦合金的保載疲勞行為沒有影響。實驗結果和理論分析揭示了鈦合金的保載疲勞機理，即保載產生的塑性變形增大了試樣的實際應力，這促進了已形成裂紋或損傷的擴展，同時，疲勞載荷部分導致的局部塑性應變增大了保載疲勞塑性應變的累積。
該研究由中國科學院力學研究所LNM微結構計算力學課題組與中國船舶重工集團公司第七〇二研究所等單位合作完成，得到國家重點研發計劃項目“深海裝備耐壓結構體、材料耐壓特性及評估技術研究”的支持。相關研究成果發表在Journal of Materials Science & Technology上，力學所孫成奇為論文的第一作者和通訊作者。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.10.063
圖1.(a)“奮斗者號”潛水器；(b)耐壓艙；(c)常規疲勞波形；(d)保載疲勞波形
圖2.保載疲勞3種失效模式。A-1~A-4：疲勞失效；B-1~B-4：延性失效；C-1~C-4：混合失效
圖3.
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研討會亮點:
直擊車燈工程痛點：聚焦路面顛簸、發動機激勵下的支架斷裂、焊點疲勞等高頻失效問題，針對性解決車燈可靠性開發難題。
疲勞失效的預期發生位置與擴展方向
可基于應力結果預測循環載荷下結構壽命、損傷、安全系數，從而在設計階段規避因疲勞導致的失效風險。
5、易用性提升
腳本錄制和運行：新增腳本錄制和運行功能，支持批量仿真、二次開發，提升工作效率。
現場將通過焊點疲勞等典型失效機制的案例演示，生動展現Sherlock如何結合Mechanical結構分析與Icepak熱分析工具，構建高保真的多物理場仿真模型，在虛擬環境中提前暴露設計弱點，從而優化方案、節省開發成本與時間。
本次研討會旨在為工程師提供一套完整、前瞻性的可靠性設計方法論與工具鏈，助力實現高可靠電子產品的“零缺陷”目標。
這個結果表明存在疲勞失效的可能。
11、損壞結果討論
損壞主要是由分布于-0.066~3.3Mpa之間的壓力脈動引起的。其他載荷（熱力事件）的影響較小。脈動壓力引起的von Mises應力變化大約是155.1MPa（參加“Static Pressure“算力的結果）。
對S-N曲線的分析表明7075-T6鋁合金應該能夠抵抗這種應力水平下的指定振幅。
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高壓比例閥：https://www.norgren.com.cn/3698.html
整體剛性結構優化是抗震設計的基礎，IMI Norgren的高壓比例閥采用一體化閥體設計，減少外部連接件和焊縫數量，有效提升整體結構剛度，同時關鍵受力部位通過有限元分析（FEA）進行拓撲優化，在保證輕量化的同時增強抗振能力，避免因共振導致的疲勞失效
基于PCB板+IGBT模塊+散熱器總成精細化熱-固耦合仿真模型，精準復現整機由于各層結構CTE不同導致的“呼吸效應”熱變形
首先通過構建PCB板+IGBT模塊+散熱器熱-固耦合模型，精準復現因CTE差異導致的“呼吸效應”熱變形，定位溫度循環動載荷致Pin針焊層疲勞失效的原因；通過Creo參數化建模并與Ansys Workbench聯合，結合響應面優化Pin針結構參數，尋優時間縮至24h內
工程化的復合材料疲勞仿真方法6個月前
當然可以采用其他量化的判據，比如失效單元占比
4 如何模擬結構的疲勞失效S-N曲線。
為了模擬結構的疲勞失效S-N曲線，我們要先做靜強度仿真，得到結構強度載荷。
然后按照靜強度的比例，取三到四個點分別進行疲勞仿真，基本可以給出S-N曲線了。
一期一會 | 什么是失效分析？6個月前
在評估焊點疲勞失效時，需要考慮的一個最關鍵屬性是熱膨脹系數（CTE）。
焊料通常用于在電子封裝內部將電子組件連接到印刷電路板上，它連接的材料通常具有截然不同的CTE。由于操作環境的變化或組件功率耗散，PCBA和組件會經歷熱循環，從而導致材料以不同的速率膨脹和收縮。這種不均勻膨脹被焊料以蠕變的形式吸收，而焊料中累積的蠕變應變會導致開裂，最終導致焊球完全斷裂。
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在評估焊點疲勞失效時，需要考慮的一個最關鍵屬性是熱膨脹系數（CTE）。
焊料通常用于在電子封裝內部將電子組件連接到印刷電路板上，它連接的材料通常具有截然不同的CTE。由于操作環境的變化或組件功率耗散，PCBA和組件會經歷熱循環，從而導致材料以不同的速率膨脹和收縮。這種不均勻膨脹被焊料以蠕變的形式吸收，而焊料中累積的蠕變應變會導致開裂，最終導致焊球完全斷裂。
