低溫高周疲勞的案例
高周疲勞與低周疲勞
低周和高周疲勞的區(qū)分
根據(jù)產(chǎn)生裂紋所需的載荷循環(huán)次數(shù)，人們習(xí)慣將疲勞分為低周疲勞
和高周疲勞。兩者之間的界限并不明確，但通常以
1~
10萬次循環(huán)作為區(qū)分的依據(jù)。
在高周疲勞情況下，應(yīng)力足夠低，因此應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可以被認(rèn)為是
線
彈性的。
而低周疲勞則包含非線性行為，材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)滯回特性。
在分析高周疲勞時(shí)，應(yīng)力范圍通常用于描述
受力
狀態(tài)
，而
在分析低周疲勞時(shí)，
則會(huì)選擇
應(yīng)變范圍或耗散能量。
3. 高周疲勞的數(shù)學(xué)模型
材料疲勞領(lǐng)域的研究最早開始于
19 世紀(jì)，這一領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生了許多疲勞預(yù)測(cè)方法。其中一個(gè)經(jīng)典模型就是 S-N 曲線。這一曲線將材料失效前所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)（即壽命）N 與單軸加載的應(yīng)力幅值關(guān)聯(lián)起來。
曲線在水平軸上代表失效循環(huán)數(shù)，在垂直軸上代表載荷幅值。如果兩個(gè)軸都使用
log10
尺度，對(duì)于許多部件，載荷壽命關(guān)系將在很大的耐久性范圍內(nèi)近似于一條直線。
總的趨勢(shì)是，降低應(yīng)力幅值，可以獲得更長(zhǎng)的材料使用壽命。通常這種相關(guān)性非常強(qiáng)，可以達(dá)到應(yīng)力幅值降低10% 就能夠?qū)⑹褂脡勖娱L(zhǎng)50% 。
圖3
載荷與失效循環(huán)數(shù)的關(guān)系
某些材料在疲勞試驗(yàn)中表現(xiàn)出了應(yīng)力閾值，稱為疲勞極限，當(dāng)應(yīng)力低于該閾值時(shí)，
將
不會(huì)出現(xiàn)疲勞損傷，組件的運(yùn)行壽命可以無限長(zhǎng)。
對(duì)于鋼，在大約10
7
次循環(huán)時(shí)可能有一個(gè)持久極限，這意味著幅值小于疲勞極限載荷的循環(huán)不會(huì)導(dǎo)致疲勞破壞，無論它們被施加多少次。
并非所有材料都有疲勞極限。有些材料即使在低
水平應(yīng)力作用下，也會(huì)因疲勞而失效，比如鋁合金。
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往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的高周疲勞步奏
往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的高周疲勞步奏.pdf
對(duì)稱循環(huán)荷載下的高周疲勞壽命預(yù)測(cè)
1 前言
由于客觀原因，會(huì)進(jìn)行一段時(shí)間的疲勞分析學(xué)習(xí)，優(yōu)化部分的內(nèi)容相對(duì)也會(huì)延后一段時(shí)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(yè)，學(xué)習(xí)一點(diǎn)總結(jié)一點(diǎn)。強(qiáng)調(diào)一下，由于在疲勞方面學(xué)習(xí)的時(shí)間暫時(shí)不是太長(zhǎng)，因此文章內(nèi)容難免會(huì)有錯(cuò)誤，希望大家指正，互相學(xué)習(xí)。
2 問題描述
圖 1 有限元模型
如圖所示是一個(gè)常規(guī)的靜力分析，約束以及載荷都標(biāo)識(shí)在了圖中。然而不同的是，現(xiàn)在這個(gè)支架的工作狀況相對(duì)來說比較惡劣，需要在-0.1Mpa~0.1MPa的對(duì)稱循環(huán)壓力荷載下進(jìn)行工作，試估算其使用疲勞壽命。
3 問題分析
對(duì)于這樣一個(gè)問題，如果不使用軟件，我們可能會(huì)這樣處理：
① 使用材料力學(xué)方法計(jì)算得到工況下的名義應(yīng)力
② 查詢相關(guān)手冊(cè)得到該模型在該工況下的理論應(yīng)力集中系數(shù)
③ 綜合考慮名義應(yīng)力，應(yīng)力集中系數(shù)，載荷幅值以及其余影響因素得到用于校核疲勞壽命的應(yīng)力幅值
④ 對(duì)應(yīng)材料的S-N曲線（對(duì)于高周疲勞問題）得到結(jié)構(gòu)在對(duì)應(yīng)工況下的疲勞壽命
上述問題如果轉(zhuǎn)換成軟件來實(shí)現(xiàn)也是一樣，首先利用有限元軟件計(jì)算得到危險(xiǎn)部位的應(yīng)力值，然后結(jié)合相應(yīng)的載荷輸入，材料S-N曲線輸入，通過相應(yīng)的疲勞算法得到結(jié)構(gòu)局部的損傷量，最后通過后處理得到疲勞壽命云圖，對(duì)應(yīng)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(jié)果獲取與導(dǎo)入
對(duì)照五步圖，我們首先獲取有限元分析結(jié)果，這里個(gè)人使用hyperworks的optistruct求解器進(jìn)行有限元分析，大家可以根據(jù)自己的分析需求使用不用的有限元求解器。對(duì)于optistruct，個(gè)人建議結(jié)果存儲(chǔ)為.op2格式，測(cè)試默認(rèn)的.h3d格式文件識(shí)別的不是特別好。
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2 流程梳理
圖 2 S-N疲勞壽命求解流程
這是S-N求解引擎的基本流程（前文的五框圖是疲勞分析的基本流程）。首先，軟件根據(jù)我們提供的荷載形式（Load Provider）以及有限元計(jì)算的應(yīng)力結(jié)果能得到整個(gè)應(yīng)力的變化形式，也叫應(yīng)力歷程（Stress History），然后從中選取一種類型的應(yīng)力進(jìn)行疲勞分析（Combined stress history），即得到某種應(yīng)力（比如絕對(duì)最大主應(yīng)力）的歷程曲線，之后進(jìn)行雨流循環(huán)計(jì)數(shù)（Rainflow count）來得到應(yīng)力歷程的循環(huán)周次與幅值等信息，最后對(duì)照S-N曲線對(duì)每個(gè)循環(huán)進(jìn)行損傷計(jì)算并按照一定的規(guī)則進(jìn)行疊加，得到總的損傷量（Damage），最后得到疲勞壽命。
3 尋找原因
在這個(gè)循環(huán)中，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)前面四步是直接和提供的模型以及荷載形式有關(guān)，也就是說，如果這幾個(gè)都一樣，結(jié)果不會(huì)有變化，那么應(yīng)力修正只會(huì)發(fā)生在最后一步：計(jì)算Damage（下一篇文章需要說明的內(nèi)容），而計(jì)算損傷最重要的一步就是根據(jù)應(yīng)力情況對(duì)照相應(yīng)的S-N曲線尋找疲勞壽命。因此，知道軟件到底是如何根據(jù)S-N曲線得到對(duì)應(yīng)的疲勞壽命至關(guān)重要。
要弄清楚這一點(diǎn)，首先我們必須明白材料S-N曲線是在一種對(duì)應(yīng)的加載形式下測(cè)試出的，這種加載形式只有與你用于分析的載荷形式對(duì)應(yīng)才行，就像你不能用0~2的循環(huán)荷載對(duì)應(yīng)-1~1的測(cè)試得出的材料S-N曲線去找疲勞壽命。可是我們遇到的問題是：通過實(shí)驗(yàn)去測(cè)定不同應(yīng)力比下的S-N曲線是十分困難的，因此有些學(xué)者提出了經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停鶕?jù)應(yīng)力比為-1載荷下得到的S-N曲線去修正得到應(yīng)力比為其它數(shù)值的S-N曲線，這些經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ途褪乔懊嫠f的平均應(yīng)力修正模型。
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