零件疲勞失效的案例
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 機械零件疲勞強度計算
1.疲勞強度的基本概念
機械零件在工作時，往往受到力的作用。若強度不足，則可能引起零件斷裂或過度塑性變形等失效。因此，強度條件是設計機械零件時必須滿足的設計準則。通用機械零件的強度計算分為靜應力強度和變應力強度兩個范疇。應力按其隨時間變化的特性不同，可分為靜應力和變應力，應力的大小和方向不隨時間變化或變化緩慢的應力稱為靜應力；隨時間變化較為明顯的稱為變應力。在靜應力作用下的零件，可以根據材料力學的知識進行靜強度條件設計；在變應力作用下的零件，應按疲勞強度條件設計。
1.1.應力循環特性
具有周期性的變應力稱為循環變應力，否則稱為隨機變應力。循環變應力分為穩定循環變應力和規律性不穩定循環變應力兩種。穩定循環變應力又有三種基本類型：對稱循環變應力、脈動循環變應力和一般循環變應力。
變應力特性可用最大應力σmax、最小應力σmin、平均應力σm、應力幅σa和應力比r（應力循環特性系數）5個基本參數來描述。
其中，σmax和σmin分別表示最大和最小應力（正應力）。
1）對于對稱循環變應力，σm=0，σmax=σa=-σmin，r=-1；
2）對于脈動循環變應力，σm=σa，σmin=0，r=0；
3）對于靜應力，σa=0，σmax=σmin=σm，r=1。
在這些循環變應力中，對稱循環變應力對機械零件的破壞力最大。
1.2.材料的疲勞特性
在變應力作用下，機械零件的主要失效形式是疲勞斷裂。疲勞斷裂是與應力循環次數有關的斷裂。
疲勞失效往往是在沒有明顯預兆的情況下突然發生的，因此常常造成嚴重的事故。據統計，飛機、車輛和機器中發生的事故有很大比例是疲勞失效造成的。因此，對于在變應力作用下的零件進行疲勞強度計算是非常必要的。
展開 焊接結構疲勞失效的原因
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 影響零件疲勞強度的主要因素
材料的疲勞極限，實際上是材料的力學性能指標，是用試件通過試驗測出的。而實際中的各機械零件，與標準試件在形體、表面質量以及絕對尺寸等方面往往是有差異的。因此實際機械零件的疲勞強度與用試件測出的必然有所不同。
影響零件疲勞強度的主要因素有以下三個：
影響零件疲勞強度的主要因素.pdf
螺栓失效的熱力耦合疲勞仿真分析
研究背景
1、螺栓失效風險分析的必要性
螺栓被稱為“工業之米”，是應用最廣泛的基礎零件之一。緊固件是傳遞載荷的重要連接節點，其可靠性與整個裝備或結構的安全可靠運行密切相關。隨著制造業水平的提高和對產品可靠性的愈發重視，對緊固件失效的關注度也越來越高。失效分析是提高產品可靠性的重要途徑，有助于改進設計、預防事故發生，主要分析內容為：
(1) 緊固件失效、松動仿真模型；
(2) 預測失效原因、失效模式及位置；
3)與實驗對比，得出仿真精度。
焊點失效的熱振耦合疲勞仿真分析
△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 ANSYS18.0扳手零件的疲勞壽命分析 ￥8.88
?疲勞破壞是工程中常見的破壞形式，尤其是運動零件和承受交變荷載的零件。本教程先用ANSYS Mechanical對內六角扳手進行受力分析。基于靜力分析的結果，并且用Mechanical自帶的Fatigue疲勞工具，對扳手零件的疲勞壽命進行了分析。 ANSYS Mechanical自帶的Fatigue疲勞工具，使用方便，操作簡單，適合不復雜的載荷工況和數據處理，可以對一些零部件進行快速的疲勞壽命測算。
汽輪機零件疲勞可靠度的計算方法
汽輪機
電站系統工程 1995年 03期 汽輪機零件疲勞可靠度的計算方法.pdf
nCode學院培訓課程：疲勞失效及壽命預測
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
ABAQUS材料斷裂與失效-XFEM|VCCT|COHESIVE|疲勞|侵蝕
ABAQUS材料斷裂與失效（XFEM|VCCT|COHESIVE|疲勞|侵蝕）篇
上個系列我們講了有關ABAQUS混凝土塑性損傷模型（CDP）的相關內容，得到了一些不錯的反饋；因此想趁著這股熱勁，繼續錄制一套課程；最終選擇了材料的斷裂與失效仿真。在很久以前，通用有限元軟件中，只有ABAQUS提供了擴展有限元方法（XFEM），一種不依賴于網格邊界的裂縫仿真方法。當時我還在學校，由于課題的原因，接觸了很多巖石斷裂和材料失效的實驗和仿真任務，從而也就使用上ABAQUS。
09年，想學好這款軟件并非易事，一方面是身邊沒有直接可以求助的前輩，因為大家都在用ANSYS；另一方面是當時市面上的相關書籍非常少（當時出的書都看過），加之自己英文不好，而且不怎么看幫助文檔，所以學習斷裂仿真就更加不易。后來有幸得到一份PPT課件：Modeling with Fracture and Fracture with Abaqus，是達索在2009年出的一套斷裂仿真的培訓教程，內容非常系統，不僅介紹了相關的斷裂理論、仿真方法和仿真技巧，還有實操案例。
達索09年斷裂課程內容目錄如下（公眾號中回復：“斷裂與失效”，可獲得此課件）：
雖然有好的資料在手，但看這里面五花八門的知識點，確實看著頭大，當時也是看了個一知半解，完成任務后，就放在一邊沒有去細細專研。
隨著時光推移，使用ABAQUS已經有八個年頭，仿真水平大幅提高，不知不覺也做了ABAQUS二次開發的工作，漸漸喜歡使用它來解決問題，自己沒課題，就幫別人做，也積累起一些經驗；但人的精力是有限的，所以以后想盡量做專一點，又不想將以前所學的知識輕易拋棄，因此打算將所專所長一一錄制成視頻教程，供大家學習，讓初學者少走一些彎路，視頻設置收費，是因為自己家庭條件并不好，收取少量費用還請大家理解。
展開 ABAQUS(案例源自企業訴求)：真實殼體零件疲勞斷裂與有限元仿真對比
[圖片]
高端柱塞泵(馬達)如何創新
4.3.1失效率盆狀曲線分析（圖5）：該曲線可分為三部分：
(1)早期失效段(t1)：這一時段的失效率高，但其隨時間增加失效率快速下降，這階段最早暴露了泵(馬達)設計、制造中的問題;
(2)偶然失效段(t2)：是泵(馬達)處于正常穩定運轉的階段出現的失效，這一階段失效率最低，運轉時間最長，代表了泵的壽命;
(3)晚期失效段(t3)：這一階段是泵(馬達)運轉(試驗)了較長的時間出現的失效，可以說是到了壽命后期出現的失效，其失效率隨時間快速上升，多數是泵零件疲勞引起的失效;
4.3.2如何快速檢查出泵（馬達）的失效？開發性試驗的目的就是為了暴露泵(馬達)的失效，提高泵(馬達)可靠性，因為只有知道泵(馬達)的失效情況，找出失效原因，才能對產品進行改進。所以;發現泵(馬達)早期失效(t1段)和改進疲勞損壞的零件(t3段)，就等于延長了偶然失效段的時間(t2段)，提高了泵（馬達）的可靠性和壽命。而要達到此目的，應釆用前述的單項試驗、連續超載試驗和最薄弱環節試驗方法。
4.3.2產品改進后的失效率盆狀曲線
據我多次進行耐久性試驗的經驗，早期失效段 t1的時間大約需要連續超載試驗100小時左右，就能暴露泵(馬達)早期失效的狀況，此后再進行最薄弱環節試驗，可找出晚期失效t3中疲勞損壞的零件。在上述試驗的基礎上進行改進，就能延長產品(t2)的壽命，大大提高泵（馬達）工作的可靠性。圖5 a)為改進前泵的失效率，經過試驗找出了泵早期失效原因，通過改進，減少了失效率，等于早期失效段曲線(t1段)向左移，再經常最薄弱環節試驗，找出其原因，經過改進減少了失效率，等于晚期失效段曲線(t3段)向右移，就形成改進后的圖5b)失效率盆狀曲線，顯然5b)比圖5 a)的正常工作壽命延長很多，產品可靠性大大提高。
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