高周疲勞損傷的案例
高周疲勞與低周疲勞
低周和高周疲勞的區分
根據產生裂紋所需的載荷循環次數，人們習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~
10萬次循環作為區分的依據。
在高周疲勞情況下，應力足夠低，因此應力-應變關系可以被認為是
線
彈性的。
而低周疲勞則包含非線性行為，材料應力-應變關系呈現滯回特性。
在分析高周疲勞時，應力范圍通常用于描述
受力
狀態
，而
在分析低周疲勞時，
則會選擇
應變范圍或耗散能量。
3. 高周疲勞的數學模型
材料疲勞領域的研究最早開始于
19 世紀，這一領域的持續發展產生了許多疲勞預測方法。其中一個經典模型就是 S-N 曲線。這一曲線將材料失效前所經歷的循環次數（即壽命）N 與單軸加載的應力幅值關聯起來。
曲線在水平軸上代表失效循環數，在垂直軸上代表載荷幅值。如果兩個軸都使用
log10
尺度，對于許多部件，載荷壽命關系將在很大的耐久性范圍內近似于一條直線。
總的趨勢是，降低應力幅值，可以獲得更長的材料使用壽命。通常這種相關性非常強，可以達到應力幅值降低10% 就能夠將使用壽命延長50% 。
圖3
載荷與失效循環數的關系
某些材料在疲勞試驗中表現出了應力閾值，稱為疲勞極限，當應力低于該閾值時，
將
不會出現疲勞損傷，組件的運行壽命可以無限長。
對于鋼，在大約10
7
次循環時可能有一個持久極限，這意味著幅值小于疲勞極限載荷的循環不會導致疲勞破壞，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
水平應力作用下，也會因疲勞而失效，比如鋁合金。
展開 往復活塞式發動機的高周疲勞步奏
往復活塞式發動機的高周疲勞步奏
往復活塞式發動機的高周疲勞步奏.pdf
對稱循環荷載下的高周疲勞壽命預測
1 前言
由于客觀原因，會進行一段時間的疲勞分析學習，優化部分的內容相對也會延后一段時間。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，學習一點總結一點。強調一下，由于在疲勞方面學習的時間暫時不是太長，因此文章內容難免會有錯誤，希望大家指正，互相學習。
2 問題描述
圖 1 有限元模型
如圖所示是一個常規的靜力分析，約束以及載荷都標識在了圖中。然而不同的是，現在這個支架的工作狀況相對來說比較惡劣，需要在-0.1Mpa~0.1MPa的對稱循環壓力荷載下進行工作，試估算其使用疲勞壽命。
3 問題分析
對于這樣一個問題，如果不使用軟件，我們可能會這樣處理：
① 使用材料力學方法計算得到工況下的名義應力
② 查詢相關手冊得到該模型在該工況下的理論應力集中系數
③ 綜合考慮名義應力，應力集中系數，載荷幅值以及其余影響因素得到用于校核疲勞壽命的應力幅值
④ 對應材料的S-N曲線（對于高周疲勞問題）得到結構在對應工況下的疲勞壽命
上述問題如果轉換成軟件來實現也是一樣，首先利用有限元軟件計算得到危險部位的應力值，然后結合相應的載荷輸入，材料S-N曲線輸入，通過相應的疲勞算法得到結構局部的損傷量，最后通過后處理得到疲勞壽命云圖，對應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 有限元結果獲取與導入
對照五步圖，我們首先獲取有限元分析結果，這里個人使用hyperworks的optistruct求解器進行有限元分析，大家可以根據自己的分析需求使用不用的有限元求解器。對于optistruct，個人建議結果存儲為.op2格式，測試默認的.h3d格式文件識別的不是特別好。
展開 非對稱循環荷載下的高周疲勞壽命預測
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，軟件根據我們提供的荷載形式（Load Provider）以及有限元計算的應力結果能得到整個應力的變化形式，也叫應力歷程（Stress History），然后從中選取一種類型的應力進行疲勞分析（Combined stress history），即得到某種應力（比如絕對最大主應力）的歷程曲線，之后進行雨流循環計數（Rainflow count）來得到應力歷程的循環周次與幅值等信息，最后對照S-N曲線對每個循環進行損傷計算并按照一定的規則進行疊加，得到總的損傷量（Damage），最后得到疲勞壽命。
3 尋找原因
在這個循環中，我們會發現前面四步是直接和提供的模型以及荷載形式有關，也就是說，如果這幾個都一樣，結果不會有變化，那么應力修正只會發生在最后一步：計算Damage（下一篇文章需要說明的內容），而計算損傷最重要的一步就是根據應力情況對照相應的S-N曲線尋找疲勞壽命。因此，知道軟件到底是如何根據S-N曲線得到對應的疲勞壽命至關重要。
要弄清楚這一點，首先我們必須明白材料S-N曲線是在一種對應的加載形式下測試出的，這種加載形式只有與你用于分析的載荷形式對應才行，就像你不能用0~2的循環荷載對應-1~1的測試得出的材料S-N曲線去找疲勞壽命?？墒俏覀冇龅降膯栴}是：通過實驗去測定不同應力比下的S-N曲線是十分困難的，因此有些學者提出了經驗模型，根據應力比為-1載荷下得到的S-N曲線去修正得到應力比為其它數值的S-N曲線，這些經驗模型就是前面所說的平均應力修正模型。
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workbench14.0-缺陷疲勞損傷評價
缺陷疲勞損傷評價.doc
特點：細微缺陷的構造，缺陷部位網格的細分，整體的合理剖分。
模型比較簡單，兩三天就做完了，是細微缺陷的一個評價。沒有應用到疲勞分析模塊。
由于報告整體設計企業隱私，所以隱去企業名稱以及模型的尺寸和載荷數據，望大家理解和見諒，歡迎大家討論。
HyperLife 結構疲勞損傷耐久計算基礎培訓
<h3 class="ql-align-justify">Altair官方線下培訓日程公布-10月23日，武漢，HyperLife 結構疲勞損傷耐久計算基礎培訓</h3><p class="ql-align-justify"><strong>線下培訓時間：2025.10.23-10.24（為期兩天）</strong></p><p class="ql-align-justify"><strong>培訓地點：武漢</strong></p><p class="ql-align-justify"><strong>溫馨提示：</strong></p><ul><li><strong>線下公開培訓</strong>僅線下參加，暫不實行線上直播/錄播。</li><li>培訓席位有限，請至少提前一周報名，報名入口添加客服獲取。
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Altair官方線下培訓日程公布-9月25日，北京，HyperLife 結構疲勞損傷耐久計算基礎培訓
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ABAQUS VUMAT - 疲勞損傷模型在cohesive單元上的應用 ￥1200
循環受拉位移為5e-4mm的模擬結果：
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循環受拉位移為6e-4mm的模擬結果：
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input文件和vumat子程序在附件內，
更多具體內容請閱讀：https://zhuanlan.zhihu.com/p/364763918
展開 【CAE案例】化石燃料發電廠歧管的疲勞蠕變損傷分析
圖4 冷沖擊結束后的溫度場（℃）
圖5 冷沖擊結束后的應力分布
使用IMPR_TABLE功能以表格的形式輸出關鍵部位上的累積塑性形變結果，將兩種設計的歧管的累積塑性形變進行對比，降溫瞬態下的塑性變形結果如圖6所示，與原本設計相比，壁厚更薄的歧管疲勞損傷更小，厚度減少20%的設計，其使用壽命增加約43%，疲勞損傷計算結果見表1。在以后的計算中將考慮包括蠕變造成的損害。為此，將之前計算的結果用于所研究的兩種設計，以確定蠕變損傷情況。最終使用疲勞-蠕變相互作用的非線性模型可以在一定的可信度下評估歧管受到該典型負載時的壽命。
圖6 減溫循環期間在塑性最大應力的高斯積分點處累積塑性變形（%）
表1 疲勞損傷計算(Manson-Coffin曲線)
04 總結
在通用結構仿真軟件中使用VISC_CIN2_CHAB定義的新粘彈塑性行為模型可對部件機械疲勞與蠕變行為進行模擬，從而對其壽命進行預測，為將來重要部件的設計與日常維護提供了新方法。本次模擬結果表明可以通過降低歧管壁厚的方法降低因冷沖擊帶來的機械疲勞現象。
格物云CAE
一款國產可控云端仿真平臺，結構、流體、水動力仿真軟件場景化模塊化，支持多格式網格導入(.med、.inp、.cdb、.cgns等)和高性能并行計算，降低CAE使用門檻，拓展CAE應用范圍，加速工業企業研發制造數字化轉型。平臺支持云端CAE仿真生成工業APP，構建完全交互式仿真社區，快速實現行業通用經驗軟件化。
一鍵登錄，開啟仿真！
展開 【EDF開源CAE案例】Code_Aster對汽輪機套環的疲勞損傷與裂紋擴展模擬
由于汽輪機運行工況的周期性特點，汽輪機套環易發生疲勞損傷現象，從而導致套環產生細微裂紋，或是導致已有的裂紋擴展。
法國電力公司為了評估套環的安全性和生命周期，使用Code_Aster的疲勞計算模塊進行了靜力加載的裂紋擴展分析和循環加載的疲勞裂紋擴展分析。
02
理論基礎—斷裂和疲勞擴展的原理
斷裂的基本類型有三種：
張開性裂紋（Ⅰ型）
滑開型裂紋（Ⅱ型）
撕開型裂紋（Ⅲ型）
材料和結構的斷裂與否常由應力強度因子（Facteurs d‘intensité de contraintes）與材料的標準臨界值K c對比來判斷，而Ⅰ型裂紋在實際工程應用是最容易斷裂的裂紋類型。
斷裂的三種類型
應力強度因子計算公式：
能量釋放率公式：
對于線彈性材料：
如果K < KIC，材料不發生斷裂；
如果K > KIC，材料發生斷裂，裂紋擴展。
疲勞問題的載荷通常以周期性的形式存在，此時的應力強度因子也隨加載規律而呈現周期性變化，材料的裂紋擴展則需要用另一種方法來計算：
疲勞裂紋擴展速率
即用裂紋長度的增量和交變應力的循環次數增量的比值來定量計算，表示交變應力每循環一次裂紋長度的平均增量。
根據Paris提出的公式
來推得每次循環的應力強度因子的峰值
和材料的疲勞斷裂臨界值
對比
判斷材料的裂紋是否會發生擴展（僅適用于短裂紋）。
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