微動疲勞的案例
基于子模型-全局模型技術的微動疲勞Abaqus有限元分析
1計算任務的描述
交變荷載作用下金屬板材及構件的微動疲勞問題是復雜服役狀態下土木工程結構及設備所面臨的主要挑戰和難題。本說明書首次提出了基于子模型和全局模型技術的微動疲勞有限元模擬方法，并利用晶體塑性有限元方法模擬了pad和軸向體應力作用下specimen的微動疲勞過程，并根據等效塑性應變分布云圖識別出模型內部和接觸表面最先發生起裂的薄弱部位。我們所提出的方法考慮了試樣晶粒尺寸、形態和組構等細觀特征，克服了宏-細觀尺度耦合問題，可從物理層面分析試樣的微動疲勞特征并預測其初始起裂壽命。
本計算任務書主要說明了利用Abaqus軟件完成的300次循環加載的微動疲勞模擬結果。
2 仿真計算采用的設備基本情況（CPU、內存等）
計算采用移動工作站Dell Precision 7550，CPU為至強W-10885M四核處理器；內存為128GB。
3 計算模型的處理技術
（1）子模型-全局模型耦合技術
（2）晶體塑性有限元模擬技術
圖1 計算模型設計（a為接觸半寬）
計算模型采用了子模型-全局模型耦合技術。模型尺寸如圖1所示。
子模型微動疲勞模擬技術可歸納為如下步驟：(a)第一步，分別建立粗網格全局模型和局部區域細化的子模型，并沿子模型邊界部位切割全局模型；(b)第二步，對宏觀全局模型進行微動疲勞分析，并保存子模型邊界附近的分析結果；(c)第三步，定義子模型邊界，設置各個分析步中的驅動變量(driven variables)，并對細觀子模型進行微動疲勞分析；(d)第四步，比較全局模型和子模型在子模型邊界附近的分析結果，驗證子模型設置的有效性。
4 方法計算的機時耗費情況
計算耗費時間約20個小時。
展開 微動疲勞壽命可靠性分析方法
針對結構的微動疲勞問題,發展了一種壽命可靠性分析方法.在微動條件下,接觸區域處于多軸應力狀態,采用基于臨界平面法的多軸疲勞參數對結構的微動疲勞壽命進行預測.在確定性壽命計算的基礎上,考慮彈性模量、摩擦系數以及壽命預測模型中材料常數的隨機性,利用響應面方法,結合MonteCarlo模擬技術獲得結構微動疲勞壽命可靠性模型.最后將此方法用于燕尾榫結構的微動疲勞壽命可靠性分析,驗證了所提出方法的可行性和有效性
微動疲勞壽命可靠性分析方法.pdf
技術鄰周報Q13：裂紋擴展/ABAQUS/復合材料/LS-DYNA/疲勞分析/Digimat/數字化/Ansys...
4、基于子模型-全局模型技術的微動疲勞Abaqus有限元分析
作者：
David2014
鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1817891
交變荷載作用下金屬板材及構件的微動疲勞問題是復雜服役狀態下土木工程結構及設備所面臨的主要挑戰和難題。本說明書首次提出了基于子模型和全局模型技術的微動疲勞有限元模擬方法，并利用晶體塑性有限元方法模擬了pad和軸向體應力作用下specimen的微動疲勞過程，并根據等效塑性應變分布云圖識別出模型內部和接觸表面最先發生起裂的薄弱部位。我們所提出的方法考慮了試樣晶粒尺寸、形態和組構等細觀特征，克服了宏-細觀尺度耦合問題，可從物理層面分析試樣的微動疲勞特征并預測其初始起裂壽命。
5、Digimat復合材料建模平臺與Abaqus的聯合使用
作者：
320科技工作室
鏈接：https://www.yqgqt.org.cn/content/post/1818135
復合材料以優異的性能被廣泛應用于航空航天、高速鐵路、新能源等領域，然而隨著應用領域越來越廣，結構也更為復雜，給復合材料結構力學分析帶來了巨大的挑戰。尤其是在工程應用中的強度失效及斷裂問題的發生，常是發生在微米量級上。傳統板、殼等在宏觀尺度上的理論分析方法已很難滿足實際需要。因此，借助于計算機進行復合材料的小尺度分析是解決這一問題的關鍵。
展開 如何在 COMSOL 中模擬接觸疲勞
軸承、齒輪、軌道和凸輪的損壞是由一種叫做接觸疲勞的損傷機制引起的。當接觸的兩個零件承受瞬態接觸壓力時，在裝配中就會發生這種情況。當傳遞的載荷過高時，經過無數次的載荷循環，表面材料的一塊會剝落并留下一個小凹坑。這種現象被稱為剝落或點蝕。利用 COMSOL Multiphysics? 軟件，我們可以建立接觸疲勞模型并預測這些組件的失效。
接觸疲勞的損傷機制
當兩個零件之間不斷變化的接觸壓力在表面和次表面層上引入一個隨時間變化的應力狀態時，就會發生接觸疲勞。當應力過高時，就會在組件的表面和次表面形成微裂縫。表面下的微裂縫經常是始于某種缺陷，如材料的雜質。這種微裂紋隨著加載會平行于表面增長。在一定程度上，它會向表面彎曲，去除一塊材料而留下一個淺孔。
一個滾動體沿彎曲滾道運動時的應力軌跡。頂面的紅色顯示了高水平的接觸壓力，藍色顯示了無應力區域。次表面分別以紅色和藍色顯示高和低的等效應力。
接觸疲勞的三種主要類型是：
長期接觸疲勞
滾動接觸疲勞
微動接觸疲勞
在長期接觸疲勞中，接觸的兩個物體在表面的法線方向上經歷了相對運動。這種運動可以非常小，小到人眼看不到，也可以大到使表面分離。這兩個物體被反復擠壓然后被釋放。在滾動接觸疲勞中，接觸疲勞是由物體在表面上的滾動引起的。
文中我們不會討論建立微動疲勞模型的具體細節，但這種類型的疲勞發生在接觸的兩個物體沿表面有一個小的相對運動（如振動）時。在宏觀層面上，這兩個物體似乎是相向運動的，但在微觀層面上，這兩個表面會出現相對運動，從而導致疲勞失效。
展開 
實用疲勞理論入門介紹
靜力破壞的抗力主要取決于材料本身；而疲勞破壞的抗力與材料的組成、構件的形狀或尺寸、表面狀況、使用條件以及外界環境都有關系。
二、疲勞分類：
1、機械疲勞：外加應力或應變波動造成的機械疲勞
2、蠕變疲勞：循環載荷同高溫聯合作用引起的
3、熱機械疲勞：循環受載部件的溫度也變動時引入的熱機械疲勞（即熱疲勞與機械疲勞的組合）
4、腐蝕疲勞：存在侵蝕性化學介質或致脆介質的環境中施加反復載荷時產生的
5、滾動接觸疲勞：載荷的反復作用與材料之間的滾動接觸相結合產生的
6、微動疲勞：脈動應力與表面間的來回相對運動和摩擦滑動共同作用產生的
三、疲勞壽命
1、許用應力
許用應力是機械設計中允許零件或構件承受的最大應力值，要判定零件或構件受載后的工作應力過高或過低，需要預先確定一個衡量的標準，這個標準就是許用應力。許用應力等于考慮各種影響因素后經適當修正的材料失效應力除以安全系數。靜強度設計中塑性材料以屈服極限作為失效應力，脆性材料以強度極限作為失效應力。
2、疲勞壽命
材料在疲勞破壞前所經歷的應力循環數稱為疲勞壽命。
常規疲勞強度計算是以名義應力為基礎的，可分為無限壽命計算和有限壽命計算。零件的疲勞壽命與零件的應力、應變水平有關，它們之間的關系可以用應力-壽命曲線（σ-N曲線）和應變-壽命曲線（δ-Ν曲線）表示。應力-壽命曲線和應變-壽命曲線，統稱為S-N曲線。
在疲勞試驗中，實際零件尺寸和表面狀態與試樣有差異，常存在由圓角、鍵槽等引起的應力集中，所以，在使用時必須引入應力集中系數K、尺寸系數ε和表面系數β。
3、循環應力的特性
循環應力的特性用最小應力σmin與最大應力σmax的比值r=σmin/σmax表示，r稱為循環特征。對應于不同循環特征，有不同的S-N曲線、疲勞極限和條件疲勞極限。
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No.1 疲勞與斷裂的概念
1.疲勞：金屬材料在應力或應變的反復作用下發生的性能變化稱為疲勞。
2.疲勞斷裂：材料承受交變循環應力或應變時，引起的局部結構變化和內部缺陷的不斷地發展，使材料的力學性能下降，最終導致產品或材料的完全斷裂，這個過程稱為疲勞斷裂，也可簡稱為金屬的疲勞。
引起疲勞斷裂的應力一般很低，疲勞斷裂的發生，往往具有突發性、高度局部性及對各種缺陷的敏感性等特點。
No.2 疲勞斷裂的分類
1.高周疲勞與低周疲勞
如果作用在零件或構件的應力水平較低，破壞的循環次數高于10萬次的疲勞，稱為高周疲勞。例如彈簧、傳動軸、緊固件等類產品一般以高周疲勞見多。
作用在零件構件的應力水平較高，破壞的循環次數較低，一般低于1萬次的疲勞，稱為低周疲勞。例如壓力容器，汽輪機零件的疲勞損壞屬于低周疲勞 。
2.應力和應變分析
應變疲勞——高應力，循環次數較低，稱為低周疲勞；
應力疲勞——低應力，循環次數較高，稱為高周疲勞。
復合疲勞，但在實際中，往往很難區分應力與應變類型，一般情況下二種類型兼而有之，這樣稱為復合疲勞。
3.按照載荷類型分類
彎曲疲勞、扭轉疲勞、拉壓疲勞、接觸疲勞、振動疲勞、微動疲勞。
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復合疲勞，但在實際中，往往很難區分應力與應變類型，一般情況下二種類型兼而有之，這樣稱為復合疲勞。
3、按照載荷類型分類
彎曲疲勞
扭轉疲勞
拉壓疲勞
接觸疲勞
振動疲勞
微動疲勞
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疲勞斷裂的特征
宏觀：裂紋源—→擴展區—→瞬斷區。
裂紋源：表面有凹槽、缺陷，或者應力集中的區域是產生裂紋源的前提條件。
疲勞擴展區：斷面較平坦，疲勞擴展與應力方向相垂直，產生明顯疲勞弧線，又稱為海灘紋或貝紋線。
瞬斷區：是疲勞裂紋迅速擴展到瞬間斷裂的區域，斷口有金屬滑移痕跡，有些產品瞬斷區有放射性條紋并具有剪切唇區。
微觀：疲勞斷裂典型的特征是出現疲勞輝紋。
展開 重載運輸車軸疲勞分析
美國、同本、前蘇聯等國鐵路部門都曾積極地采用疲勞可靠性理論對車軸作過可靠性分析，并逐步將車軸疲勞可靠設計與分析方法加以完善，納入標準。Horger論文中的表列出了用各種熱處理方法處理的車軸疲勞強度。對未處理車軸、2次正火和回火處理車軸、傳統淬火回火處理車軸進行了試驗。我國鐵路采用可靠性技術解決車軸的疲勞問題丌展較晚，目前尚處于起步階段，盡管國外的許多經驗可供我們參考。
3影響車軸疲勞強度因素
影響車軸疲勞強度的因素有很多，比如材料特性、應力集中、尺寸效應、表面狀態、載荷特性、壓裝條件、腐蝕環境等。但是在實際運用中，這些因素并不是單一作用于車軸的，而是多種因素的綜合作用。
3.1車軸應力
在國際鐵路聯盟UIC515-3/1994《鐵道機車車輛轉向架車軸計算方法》和歐洲鐵路聯盟EN13041-1995《鐵道轉向架驅動車軸設計和計算方法》中，車軸結構應力集中系數分為兩類，輪軸壓裝部位、滾動軸承及定位部位。
根據Mohr應力分析原理，車軸危險截面的應力可以表示為：
3.2 壓裝部位的影響
車軸斷裂多源于車輛壓裝區的微動疲勞，分界區微觀粘著點根部在疲勞過程中會產生駐留滑移帶，從駐留滑移帶可以萌生出短裂紋，短裂紋的生長導致了車軸的最終斷裂。壓裝力不足同時會加劇輪座部位的磨損，從而加快疲勞裂紋的萌生。而過盈量和壓入力過大會使軸向靜態拉應力增大。在應力較高和過盈量較大的情況下，車軸上的裂紋擴展迅速，從而影響車軸的使用壽命。
壓裝部位疲勞強度受表面殘余應力的影響更大于受表面硬度的影響。硬化層深度、壓縮殘余應力不論哪個加大都能提高壓裝部位的疲勞強度，但裂紋擴展的疲勞極限比裂紋萌生的疲勞極限更為顯著。
展開 再也不用擔心零件疲勞失效了
金屬材料的疲勞、應力腐蝕、高溫氧化等力學、物理和化學性能，很大程度上取決于材料的表面完整性。所謂表面完整性是指表面粗糙度、表層殘余應力、表層顯微組織、表層致密度和表面形貌等狀態的完好程度。大量的航空零件失效分析表明，屬于疲勞失效的零件約占80%，而材料的表面完整性是影響材料疲勞性能的重要因素之一。
噴丸強化技術是一種材料表面機械冷加工方法，借助高速運動彈丸流或高能沖擊波撞擊材料的表面，使材料表層發生彈塑性變形，呈現較好的表面完整性，從而提高材料的抗疲勞強度、微動疲勞抗力及損傷容限性能的一種表面強化方法。
在航空工業中，航空零件的表面完整性直接影響其使用性能和服役能力，特別是零件的疲勞使用性能。噴丸強化技術通過改變材料表面完整性顯著提高各類航空零部件的疲勞性能，且具有成本低、適應性強和操作方便等優點，在航空領域應用廣泛。
表層殘余應力
噴丸強化在材料表層引入殘余應力場，其中靠近受噴材料表面一側呈現為殘余壓應力，板材單面噴丸強化后的表層殘余應力分布特征曲線如圖1 所示。普遍認為殘余壓應力是提高工程材料抗疲勞性能和抗應力腐蝕性能的重要強化機制，而且殘余壓應力值大小、壓應力層深度對工件疲勞強度或壽命影響顯著。因此，如何實現殘余應力分布特征的調控是該領域重要研究內容之一。
殘余應力分布特征曲線包括5個主要特征參數：表面殘余應力值、殘余壓應力深度、最大殘余壓應力及其位置、最大殘余拉應力。彈丸撞擊材料表面時，通常與材料表面產生近似的赫茲接觸，形成的最大彈性應力出現在材料次表面，所以通常噴丸強化最大殘余壓應力位于次表面。在某些情況下，殘余應力分布特征發生變化，例如噴丸強化采用低密度的玻璃彈丸介質時，由于入射動能小，其噴丸強化鈦合金和鋁合金的最大殘余壓應力值出現在表面。
展開 疲勞斷裂的基本原理
自工程裂紋擴展至完全斷裂的疲勞壽命稱為裂紋擴展壽命。總壽命為兩者之和。因工程裂紋長度遠大于金屬晶粒尺寸，故可將裂紋作為物體邊界，并將其周圍材料視作均勻連續介質，應用斷裂力學方法研究裂紋擴展規律 。由于S-N曲線是根據疲勞試驗直到試樣斷裂得出的 ，所以對應于S-N曲線上某一應力水平的疲勞壽命N是總壽命 。在疲勞的整個過程中 ，塑性應變與彈性應變同時存在 。當循環加載的應力水平較低時 ，彈性應變起主導作用；當應力水平逐漸提高，塑性應變達到一定數值時，塑性應變成為疲勞破壞的主導因素。為便于分析研究，常按破壞循環次數的高低將疲勞分為兩類：①高循環疲勞（高周疲勞）。作用于零件、構件的應力水平較低 ，破壞循環次數一般高于104～105的疲勞 ，彈簧、傳動軸等的疲勞屬此類。②低循環疲勞（低周疲勞）。作用于零件、構件的應力水平較高 ，破壞循環次數一般低于104～105的疲勞，如壓力容器、燃氣輪機零件等的疲勞。實踐表明，疲勞壽命分散性較大，因此必須進行統計分析，考慮存活率（即可靠度）的問題 。具有存活率p（如95％、99％、99.9％）的疲勞壽命Np的含義是 ：母體（總體）中有p的個體的疲勞壽命大于Np。而破壞概率等于（ 1－ p ） 。常規疲勞試驗得到的S-N曲線是p＝50％的曲線 。對應于各存活率的p的S-N曲線稱為p-S-N曲線。 環境影響 某些零件 、構件是在高于或低于室溫下工作，或在腐蝕介質中工作，或受載方式不是拉壓和彎曲而是接觸滾動等，這些不同的環境因素可使零件、構件產生不同的疲勞破壞。最常見的有接觸疲勞、高溫疲勞、熱疲勞和腐蝕疲勞。此外，還有微動磨損疲勞和聲疲勞等。①接觸疲勞。零件在高接觸壓應力反復作用下產生的疲勞。經多次應力循環后，零件的工作表面局部區域產生小片或小塊金屬剝落，形成麻點或凹坑。
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