拉伸疲勞的案例
改進的緊湊拉伸試樣的疲勞裂紋擴展分析 - ANSYS Workbench ￥3
改進的緊湊拉伸試樣的疲勞裂紋擴展分析 - ANSYS Workbench
本教程包括改進的緊湊拉伸試樣的逐步疲勞裂紋分析。
步驟 1：概述
這項工作的主要目的是提出混合模式載荷下線性彈性材料中裂紋擴展路徑的數值模型，以及研究在恒定幅值載荷條件下改進的緊湊拉伸試樣中孔洞的存在對疲勞裂紋擴展和疲勞壽命的影響。
ANSYS Mechanical（工作臺）利用 ANSYS 中的一項新功能即智能裂紋擴展技術，準確預測恒定幅值載荷條件下的裂紋擴展路徑和相關的疲勞壽命。
在線彈性斷裂力學 (LEFM) 假設下，采用巴黎定律模型評估具有不同 MCTS 配置的改進緊湊拉伸試樣 (MCTS) 的混合模式疲勞壽命。該方法涉及通過增量裂紋擴展分析準確評估應力強度因子 (SIF)、裂紋擴展路徑和疲勞壽命評估。
疲勞裂紋擴展結果表明，疲勞裂紋始終被孔吸引，因此要么它只能彎曲路徑并向孔擴展，要么它只能從孔中浮出并在孔消失后進一步擴展。就混合型載荷條件下裂紋擴展的軌跡而言，本研究的結果與文獻中發表的幾項裂紋擴展實驗的結果相一致，這些實驗顯示了類似的觀察結果。
本教程主要基于 Abdulnaser M. Alshoaibi 和 Yahya Ali Fageehi 的論文“線性彈性材料疲勞裂紋擴展路徑的數值分析和壽命預測”。
第 2 步：設置
在 ANSYS Workbench 主菜單上拖放靜態結構分析：
步驟3：工程數據（材料模型）
本教程選定的材料是“SAE 1020 碳鋼”。
材料模型由各向同性彈性、拉伸屈服強度、拉伸極限強度和巴黎定律參數（C 和 m）組成。
展開 CAE工程分析 | 螺紋連接：工程校核考慮
此時螺栓受到的載荷主要包含：
①螺栓軸力FB=F+Φ*P
②衰減的螺紋扭矩載荷T‘=k*T
對應地會產生螺栓正應力σ和切應力τ
按照機械設計手冊和VDI2230校核要求，對于承受軸力載荷的螺栓需要滿足：
螺栓光桿表面應力＜材料屈服強度（不發生塑性變形）
如果有密封壓力要求，則還需要滿足：
被連接件夾緊壓力＞密封壓力（不發生泄露）
同時可以觀察到，只要被連接件還處在被壓緊（未分離）的狀態，大部分軸向外載荷實際都是由被連接件分擔，也就是說：
如果螺栓受到軸向循環載荷作用，螺栓中的應力波動只有Φ*P，而
對于螺栓疲勞問題而言，波動幅值的影響遠遠大于平均應力水平，因此：
按照《螺紋緊固件聯接工程》，對于螺栓的拉伸疲勞問題需要滿足：
①被連接件夾緊力＞0（被連接件不發生分離）
②螺栓應力幅＜螺栓拉伸疲勞極限（不發生拉伸疲勞）
【需要注意一點，
螺栓的拉伸疲勞極限不僅僅是指對應材料的疲勞極限，而是考慮缺陷，應力集中等因素（缺口系數）共同影響的疲勞極限值
】
假設軸向載荷P較大，使得被連接件發生分離，如圖所示：
則此時所有的外載增量都會疊加到螺栓上，而螺紋扭轉切應力也會衰減甚至消失，螺栓主要受到的載荷為軸向拉力P
按照《螺紋緊固件聯接工程》，對于單次軸向過載需要滿足：
螺栓拉應力＜材料抗拉強度（不發生拉伸斷裂）
切向受載狀態
展開 改進型緊湊拉伸試樣疲勞裂紋擴展分析-ANSYS Workbench ￥3
研究的主要目標是展示裂紋擴展路徑的數值模型，并研究孔洞對改進型緊湊拉伸試樣（MCTS）在恒定振幅載荷條件下疲勞裂紋擴展和疲勞壽命的影響。研究使用了ANSYS Mechanical (Workbench)軟件，利用ANSYS中的智能裂紋擴展技術來準確預測裂紋擴展路徑和相關的疲勞壽命。巴黎定律模型被用來評估不同配置的MCTS在線性彈性斷裂力學（LEFM）假設下的混合模式疲勞壽命。這種方法涉及準確評估應力強度因子（SIFs）、裂紋擴展路徑，并通過增量裂紋擴展分析進行疲勞壽命評估。疲勞裂紋擴展結果表明，疲勞裂紋總是被孔洞吸引，因此它要么只能彎曲其路徑并向孔洞擴展，要么只能在孔洞丟失后從孔洞處漂浮并進一步擴展。在混合模式載荷條件下的裂紋擴展軌跡方面，本研究的結果與文獻中發表的幾項裂紋擴展實驗結果相似，這些實驗觀察到了類似的結果。
3. : Setup
拖動Static Structural Analysis 到 ANSYS Workbench中:
4. : Engineering Data (Material Model)
o 選擇的材料為"SAE 1020 Carbon Steel".
展開 馬里蘭大學王育煌SMALL：無損溶解超長金屬性碳納米管，助力高性能柔性電子材料
【圖文導讀】
圖1 溶解長碳納米管的方法以及產品表征
（a）制作基于金屬性碳納米管的可拉伸導電膜薄膜流程示意圖
（b）由S2E方法溶解的碳納米管的AFM圖像
（c）由普通超聲方法溶解的碳納米管的AFM圖像
（d）兩種不同方法得到的碳管長度統計
圖2 基于不同長度碳納米管的可拉伸透明薄膜的應力-導電性表征
（a-d）三種分別基于3.2微米長碳納米管薄膜，0.8微米長碳納米管薄膜和3.2微米長碳納米管薄膜，預拉伸基底薄膜的應力-透光率-導電率關系
（e）本工作與其他柔性導電材料對比
我們可以清晰看出，導電高分子材料有十分出色的延展性，但是其導電率通常很低。金屬納米線以及二維碳材料（如石墨烯等）負載到高分子薄膜上可以實現優異的導電性，但是他們的導電性在應力影響下衰減迅速，如果應用到設備則無法實現穩定的電流輸出。銀、碳墨水打印材料可以實現高導電性和延展性，但是其本身并不透光，無法應用于柔性透明導電應用中。
圖3 不同長度碳納米管可拉伸透明薄膜拉伸疲勞性能測試
（a）100%應力拉伸測試光學照片示意圖
（b-e）基于長、短兩種碳納米管的拉伸疲勞表征
圖4 兩種不同長度碳管的拉伸與疲勞性能機理研究
0.8微米短碳納米管在0% （a），50%（b），100%（c）以及回到0%（d）應力后的SEM圖像。
展開 
五金沖壓模具的工作零件應有特性
2.耐冷熱疲勞性能
有些模具在工作過程中處于反復加熱和冷卻的狀態，使型腔表面受拉、壓力變應力的作用，引起表面龜裂和剝落，增大摩擦力，阻礙塑性變形，降低了尺寸精度，從而導致模具失效。冷熱疲勞是熱作模具失效的主要形式之一，這類模具應具有較高的耐冷熱疲勞性能。
3.耐疲勞斷裂性能
模具工作過程中，在循環應力的長期作用下，往往導致疲勞斷裂。其形式有沖擊疲勞斷裂、拉伸疲勞斷裂接觸疲勞斷裂及彎曲疲勞斷裂。模具的疲勞斷裂性能主要取決于其強度、韌性、硬度、以及材料中夾雜物的含量。
4.高溫性能
當模具的工作溫度較高時，會使硬度和強度下降，導致模具早期磨損或產生塑性變形而失效。因此，模具材料應具有較高的抗回火穩定性。
5.耐蝕性
有些模具如塑料模在工作時，由于塑料中存在氯、氟等元素，受熱后分解析出HCI、HF等強侵蝕性氣體，侵蝕模具型腔表面，加大其表面粗糙度，加劇磨損。
6.強韌性
模具的工作條件大多十分惡劣，常承受較大的沖擊負荷，從而導致脆性斷裂，因此模具要具有較高的強度和韌性。而模具的韌性主要取決于材料的含碳量、晶粒度及組織狀態。
在五金沖壓件加工廠，沖壓模具的工作零件通常指的是凸模、凹模和凸凹模。
展開 沖壓加工中模具零配件需要具備哪些性能
冷熱疲勞是熱作模具失效的主要形式之一，這類模具應具有較高的耐冷熱疲勞性能。
6，疲勞斷裂性能
模具工作過程中，在循環應力的長期作用下，往往導致疲勞斷裂。其形式有沖擊疲勞斷裂、拉伸疲勞斷裂接觸疲勞斷裂及彎曲疲勞斷裂。模具的疲勞斷裂性能主要取決于其強度、韌性、硬度、以及材料中夾雜物的含量。
模具選材原則
2．疲勞斷裂性能
模具工作過程中，在循環應力的長期作用下，往往導致疲勞斷裂。其形式有小能量多次沖擊疲勞斷裂、拉伸疲勞斷裂接觸疲勞斷裂及彎曲疲勞斷裂。
模具的疲勞斷裂性能主要取決于其強度、韌性、硬度、以及材料中夾雜物的含量。
3．高溫性能
當模具的工作溫度較高進，會使硬度和強度下降，導致模具早期磨損或產生塑性變形而失效。因此，模具材料應具有較高的抗回火穩定性，以保證模具在工作溫度下，具有較高的硬度和強度。
4．耐冷熱疲勞性能
有些模具在工作過程中處于反復加熱和冷卻的狀態，使型腔表面受拉、壓力變應力的作用，引起表面龜裂和剝落，增大摩擦力，阻礙塑性變形，降低了尺寸精度，從而導致模具失效。冷熱疲勞是熱作模具失效的主要形式之一，幫這類模具應具有較高的耐冷熱疲勞性能。
6．耐蝕性
有些模具如塑料模在工作時，由于塑料中存在氯、氟等元素，受熱后分解析出HCI、HF等強侵蝕性氣體，侵蝕模具型腔表面，加大其表面粗糙度，加劇磨損失效。
展開 雙色模具選材要滿足什么樣要求？
3、疲勞斷裂性能。雙色模具工作過程中，在循環應力的長期作用下，往往導致疲勞斷裂。其形式有小能量多次沖擊疲勞斷裂、拉伸疲勞斷裂接觸疲勞斷裂及彎曲疲勞斷裂。雙色模具的疲勞斷裂性能主要取決于其強度、韌性、硬度、以及材料中夾雜物的含量。
4、高溫性能。當雙色模具的工作溫度較高進，會使硬度和強度下降，導致模具早期磨損或產生塑性變形而失效。因此，雙色模具材料應具有較高的抗回火穩定性，以保證雙色模具在工作溫度下，具有較高的硬度和強度。
5、耐冷熱疲勞性能。有些雙色模具在工作過程中處于反復加熱和冷卻的狀態，使型腔表面受拉、壓力變應力的作用，引起表面龜裂和剝落，增大摩擦力，阻礙塑性變形，降低了尺寸精度，從而導致雙色模具失效。
冷熱疲勞是熱作模具失效的主要形式之一，幫這類模具應具有較高的耐冷熱疲勞性能。
6、耐蝕性。有些雙色模具如塑料模在工作時，由于塑料中存在氯、氟等元素，受熱后分解析出HCI、HF等強侵蝕性氣體，侵蝕雙色模具型腔表面，加大其表面粗糙度，加劇磨損失效。所以在雙色模具加工當中必須選擇耐腐蝕性優越的材料。
以上也是通常注塑模具選用材料時要考慮的。
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雙色模具PPT知識講解！
展開 CAE工程分析 | 螺紋連接：仿真分析簡化3
但問題在于，有限元計算直接提取的最大應力往往是集中應力，也就是說，圖中606MPa并不能直接用于螺栓校核，相對的，應該取光桿表面應力450MPa作為校核應力更加合理
被連接件夾緊壓力＞密封壓力
這一部分校核使用有限元校核確實相對容易許多，因為能夠直接提取各個接觸面之間的接觸壓力，并且能夠觀察到接觸面的壓力分布情況對螺栓的連接狀況進行判斷
螺栓應力幅＜螺栓拉伸疲勞極限
前文也說明過，對螺栓疲勞性能影響最大首先是應力幅，然后是局部細節特征，因此對螺栓進行疲勞校核時，可以使用加載前后螺栓桿處的應力幅，比如上圖中加載后相比于預緊時，表面應力只變化了1MPa，也就是使用該值作為應力幅與螺栓疲勞極限進行對比（大部分載荷波動在被連接件中，這也表明預緊的重要性）
展開 淺析環氧玻璃鋼壓力容器的疲勞性能
環氧玻璃鋼材料在纖維方向的拉伸疲勞性能比金屬好。環氧玻璃鋼材料的疲勞強度為抗拉強度的60～90%，而金屬的疲勞強度只為30～50%。金屬材料疲勞裂紋出現后，很快引起災難性的破壞，而沒有明顯的預兆。環氧玻璃鋼材材料在疲勞過程中，裂紋先在纖維或基體薄弱處出現，擴展到結合面，損傷逐漸累積，直至嚴重分層才導致破壞，環氧玻璃鋼具有較好的損傷容限和疲勞壽命。
反滲透水處理裝置用玻璃鋼壓力容器承受循環工作壓力作用，在長期作用下會逐漸產生疲勞，直至整體破壞。玻璃鋼產品疲勞性能用疲勞壽命來衡量，其是玻璃鋼制品的主要性能指標。反滲透水處理裝置用玻璃鋼壓力容器在給定循環應力和試驗條件下由開始加載到臨界設計壓力所經受的應力循環數稱為疲勞壽命，玻璃鋼壓力容器的疲勞壽命應與反滲透水處理裝置設計壽命相當。
目前，國內應用的反滲透水處理裝置用玻璃鋼壓力容器雖以進口為主，但是國產品也呈現出了良好的發展勢頭，該產品的國內領先水平已接近國際先進水平。為了規范反滲透水處理裝置用玻璃鋼壓力容器的生產，我國規定了行業標準，即JC692-1998《反滲透水處理裝置用玻璃纖維增強塑料壓力殼體》。標準中對產品的外觀、尺寸要求、材質性能、水壓爆破壓力等內容進行了規定，這些技術指標等效采用了美國ASME標準。但當時考慮到國內整體技術水平，對產品的疲勞性能沒有做出相應規定。
展開 模具選材的三個原則！
3、疲勞斷裂性能
模具工作過程中，在循環應力的期作用下，往往導致疲勞斷裂。其形式有小能量多次沖擊疲勞斷裂、拉伸疲勞斷裂接觸疲勞斷裂及彎曲疲勞斷裂。
模具的疲勞斷裂性能主要取決于其強度、韌性、硬度、以及材料中夾雜物的含量。
4、高溫性能
當模具的工作溫度較高進，會使硬度和強度下降，導致模具早期磨損或產生塑性變形而失效。因此，模具材料應具有較高的抗回火穩定性，以保證模具在工作溫度下，具有較高的硬度和強度。
5、耐冷熱疲勞性能
有些模具在工作過程中處于反復加熱和冷卻的狀態，使型腔表面受拉、壓力變應力的作用，引起表面龜裂和剝落，增大摩擦力，阻礙塑性變形，降低了尺寸精度，從而導致模具失效。冷熱疲勞是熱作模具失效的主要形式之一，幫類模具應具有較高的耐冷熱疲勞性能。
6、耐蝕性
有些模具如塑料模在工作時，由于塑料中存在氯、氟等元素，受熱后分解析出HCI、HF等強侵蝕性氣體，侵蝕模具型腔表面，加大其表面粗糙度，加劇磨損失效。
（二）模具滿足工藝性能要求
模具的制造一般都要經過鍛造、切削加工、熱處理等幾道工序。為保證模具的制造質量，降低生產成本，其材料應具有良好的可鍛性、切削加工性、淬硬性、淬透性及可磨削性；還應具有小的氧化、脫碳敏感性和淬火變形開裂傾向。
1、可鍛性
具有較低的熱鍛變形抗力，塑性好，鍛造溫度范圍寬，鍛裂冷裂及析出網狀碳化物傾向低。
2、退火工藝性
球化退火溫度范圍寬，退火硬度低且波動范圍小，球化率高。
3、切削加工性
切削用量大，刀具損耗低，加工表面粗糙度低。
4、氧化、脫碳敏感性
高溫加熱時抗氧化懷能好，脫碳速度慢，對加熱介質不敏感，產生麻點傾向小。
展開 
采用Abaqus和Marc軟件的疲勞裂紋擴展分析對比
方式2：與Abaqus相類似，指定裂紋擴展距離，獲取相鄰兩次擴展裂紋（裂紋深度a1和a2）的能量釋放率，假設裂紋擴展過程中（a1到a2）的能量釋放率呈線性變化，插值獲取裂紋擴展至各位置（a1和a2之間）的能量釋放率，最后通過對Paris公式進行積分，獲得擴展該距離對應的疲勞周次。
Marc軟件進行疲勞裂紋擴展計算的同時，支持非線性的計算，如定義構件與其它構件的接觸。
3計算結果
一塊長和寬均為20mm，厚度為5mm的板，板中間存在一個長度5mm的初始裂紋。對板的一端進行固定，另一端施加0-300N的拉伸疲勞載荷，對疲勞裂紋的擴展情況進行計算。
僅作為演示，模型較為粗糙。
Abaqus軟件中的模型如圖所示，豎直方向網格單元長度為1mm，水平方向網格進行了19等分。
Marc軟件中的模型如圖所示，豎直和水平方向網格單元長度均為1mm。
Abaqus中形成的初始裂紋如圖，由于采用擴展有限元方式，初始裂紋直接跨過了6個單元，初始裂紋長度變為了6 mm。因此，采用Abaqus進行疲勞裂紋擴展計算時，需多注意網格的劃分問題。
Marc軟件通過網格重劃分建立的初始裂紋如圖，初始裂紋長度為所設的5mm。
計算后，Marc軟件中裂紋長度擴展至17mm經歷了235133次循環，Abaqus軟件中裂紋長度擴展至16mm經歷了249865次循環。Abaqus中的Step time即為疲勞循環周次，Marc軟件中可通過輸出下圖查看裂紋擴展所經歷的循環次數。
兩款軟件所計算的裂紋動態擴展過程見下圖，均放大了500倍進行顯示。
展開 青島科大《Compos Part A》：高性能大型載重輪胎材料獲進展！
因此，加入TBIR的橡膠復合材料可改善橡膠的聚合網絡和填料網絡，有助于提高耐磨性，減少生熱及滾動阻力，并延長疲勞壽命。
圖2.NR/ESBR/TBIR硫化膠的動態性能: a)滾動阻力, b)拉伸疲勞, c)生熱, d)磨耗
進一步研究表明，在保持基礎力學性能基本不變的基礎上，所得橡膠納米復合材料具有優異的綜合性能，例如滾阻降低11%，生熱降低8%，耐磨性提升8%，耐疲勞性提升130%（圖2）。本研究提出的方法為橡膠納米復合材料內部的聚集態結構及填料結構調控提供了有效和簡便的方法，且在開發高性能綠色載重輪胎材料方面顯示出較大的潛力。
本文來自“青島科技大學”。
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展開 模具選材的三個原則
3、疲勞斷裂性能
模具工作過程中，在循環應力的期作用下，往往導致疲勞斷裂。其形式有小能量多次沖擊疲勞斷裂、拉伸疲勞斷裂接觸疲勞斷裂及彎曲疲勞斷裂。
模具的疲勞斷裂性能主要取決于其強度、韌性、硬度、以及材料中夾雜物的含量。
4、高溫性能
當模具的工作溫度較高進，會使硬度和強度下降，導致模具早期磨損或產生塑性變形而失效。因此，模具材料應具有較高的抗回火穩定性，以保證模具在工作溫度下，具有較高的硬度和強度。
5、耐冷熱疲勞性能
有些模具在工作過程中處于反復加熱和冷卻的狀態，使型腔表面受拉、壓力變應力的作用，引起表面龜裂和剝落，增大摩擦力，阻礙塑性變形，降低了尺寸精度，從而導致模具失效。冷熱疲勞是熱作模具失效的主要形式之一，幫類模具應具有較高的耐冷熱疲勞性能。
6、耐蝕性
有些模具如塑料模在工作時，由于塑料中存在氯、氟等元素，受熱后分解析出HCI、HF等強侵蝕性氣體，侵蝕模具型腔表面，加大其表面粗糙度，加劇磨損失效。
（二）模具滿足工藝性能要求
模具的制造一般都要經過鍛造、切削加工、熱處理等幾道工序。為保證模具的制造質量，降低生產成本，其材料應具有良好的可鍛性、切削加工性、淬硬性、淬透性及可磨削性；還應具有小的氧化、脫碳敏感性和淬火變形開裂傾向。
1、可鍛性
具有較低的熱鍛變形抗力，塑性好，鍛造溫度范圍寬，鍛裂冷裂及析出網狀碳化物傾向低。
2、退火工藝性
球化退火溫度范圍寬，退火硬度低且波動范圍小，球化率高。
3、切削加工性
切削用量大，刀具損耗低，加工表面粗糙度低。
展開 什么樣的材料，才能做出好的模具呢？
3、疲勞斷裂性能
模具工作過程中，在循環應力的長期作用下，往往導致疲勞斷裂。其形式有小能量多次沖擊疲勞斷裂、拉伸疲勞斷裂接觸疲勞斷裂及彎曲疲勞斷裂。
模具的疲勞斷裂性能主要取決于其強度、韌性、硬度、以及材料中夾雜物的含量。
4、高溫性能
當模具的工作溫度較高進，會使硬度和強度下降，導致模具早期磨損或產生塑性變形而失效。因模具材料應具有較高的抗回火穩定性，以保證模具在工作溫度下，具有較高的硬度和強度。
5、耐冷熱疲勞性能
有些模具在工作過程中處于反復加熱和冷卻的狀態，使型腔表面受拉、壓力變應力的作用，引起表面龜裂和剝落，增大摩擦力，阻礙塑性變形，降低了尺寸精度，從而導致模具失效。冷熱疲勞是熱作模具失效的主要形式之一，幫這類模具應具有較高的耐冷熱疲勞性能。
6、耐蝕性
有些模具如塑料模在工作時，由于塑料中存在氯、氟等元素，受熱后分解析出hci、hf等強侵蝕性氣體，侵蝕模具型腔表面，加大其表面粗糙度，加劇磨損失效。
二、模具滿足工藝性能要求
模具的制造一般都要經過鍛造、切削加工、熱處理等幾道工序。為保證模具的制造質量，降低生產成本，其材料應具有良好的可鍛性、切削加工性、淬硬性、淬透性及可磨削性；還應具有小的氧化、脫碳敏感性和淬火變形開裂傾向。
1、可鍛性
具有較低的熱鍛變形抗力，塑性好，鍛造溫度范圍寬，鍛裂冷裂及析出網狀碳化物傾向低。
2、退火工藝性
球化退火溫度范圍寬，退火硬度低且波動范圍小，球化率高。
3、切削加工性
切削用量大，刀具損耗低，加工表面粗糙度低。
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