疲勞拉伸
關注創建者：匿名 創建時間：2023-03-29
疲勞拉伸的視頻教程
Fesafe橡膠疲勞仿真案例講解
（1）從裂紋擴展角度介紹了橡膠疲勞的基本理論 （2）橡膠疲勞拉伸Abaqsu-CAE建模及Fesafe疲勞仿真案例講解，Step by Step
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疲勞拉伸的實例教程
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 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 在許多承載的應用場景中，要求水凝膠能夠承受長期的循環載荷，例如，人工心臟瓣膜每年需要打開和關閉約3億次；膝蓋關節軟骨需承受幅值約2.5MPa的循環應力；透明揚聲器之類的水凝膠離子設備需要承受高頻振動；可拉伸的離子觸摸板需要承受周期性變形。在循環載荷作用下，水凝膠會表現出疲勞特征，包括模量、強度的退化，內部裂紋的成核和生長等。近年來，哈佛大學鎖志剛教授與西安交通大學軟機器實驗室團隊在水凝膠疲勞領域開展了深入的研究，在水凝膠疲勞性能的實驗測試與理論分析[1]、疲勞門檻值的提升策略[2, 3]、界面抗疲勞設計[4, 5]等方面取得研究進展。
圖1 兩種疲勞測試方法。(a)預置裂紋的試樣受到循環拉伸，記錄在不同能量釋放率下裂紋擴展的速率。(b)無預置裂紋的試樣受到循環拉伸，記錄在不同拉伸幅值λ下試樣循環直至斷裂的循環次數N。
材料的疲勞測試主要有兩大類方法。一種是在試樣中預置裂紋，施加循環載荷并記錄裂紋擴展速率（圖1a）。當施加的能量釋放率G低于疲勞門檻值Gth時，裂紋不擴展。從2017年開始，水凝膠疲勞測試主要基于這類方法，對所測試的各類水凝膠的疲勞門檻值進行實驗測試和理論分析。另一種疲勞測試方法是對不帶裂紋試樣進行循環加載拉伸至給定的拉伸比幅值λ或應力幅值，記錄其斷裂的循環數N（圖1b）。當施加的拉伸比低于疲勞極限拉伸比λe時，試樣被認為能夠承受無數次循環拉伸而不發生斷裂。本文采用第二類測試方法，以經典的雙網絡韌性水凝膠為對象，實驗測量并分析材料的λ-N曲線特征，重點關注不含裂紋的試樣的λ-N曲線和含不同裂紋尺寸的試樣的λ-N曲線的不同，如圖2所示。
展開 當前行業普遍的痛點在于：傳統的標準測試數據，無法充分表征橡膠在實際復雜工況下的非線性、時間相關與疲勞損傷行為，導致仿真與實物性能存在顯著偏差。
為實現仿真驅動設計，關鍵在于構建一個精準、完備的材料參數體系。這要求測試方案必須超越基礎力學性能范疇，直接面向仿真的底層邏輯與物理機制。
面向仿真的系統性測試框架
為實現仿真的精準輸入，我們圍繞橡膠的核心力學行為，構建了以下系統化的測試框架。
超彈本構與Mullins效應
獲取材料在不同應變狀態下的響應數據，是準確描述其非線性彈性行為與Mullins效應的基礎。
核心測試
單軸拉伸、平面拉伸/純剪切、等雙軸拉伸、體積壓縮。
工程價值
為Yeoh、Ogden等超彈性本構模型提供全面的擬合數據，并表征循環加載下的應力軟化行為，確保模型在復雜變形模式下的預測精度。
我司測試獲得的典型材料拉伸試驗應力應變曲線
核心疲勞性能與耐久性邊界
從斷裂力學與裂紋萌生兩個角度系統研究材料的疲勞發展歷程。
核心測試
疲勞裂紋擴展測試、動態變載荷循環疲勞拉伸、最大撕裂能測試、本征強度測試。
工程價值
量化材料的疲勞裂紋擴展速率與裂紋萌生壽命，確定其耐久極限，為基于物理機理的疲勞壽命預測模型提供關鍵輸入。
疲勞裂紋擴展測試示意圖
粘彈性、粘滯生熱與熱力學屬性
表征材料對時間、頻率和溫度的依賴性，對于預測動態工況下的性能與生熱至關重要。
核心測試
動態彈性模量/損耗因子測試、蠕變/應力松弛測試、粘彈性疲勞測試、粘滯生熱與熱傳導性能測試。
展開 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 
疲勞拉伸的最新內容
挑戰一
平均應力效應的準確評估
01
PART
在金屬疲勞分析中，拉伸平均應力通常會對材料壽命產生不利影響。然而，橡膠材料的響應則更為復雜：對于能夠發生應變誘導結晶的橡膠，適當的平均拉伸應變反而可能顯著延長其疲勞壽命，提升幅度可達幾個數量級；而對于非結晶橡膠，平均應變的影響則與金屬類似，表現為導致產品壽命的降低。
核心測試
疲勞裂紋擴展測試、動態變載荷循環疲勞拉伸、最大撕裂能測試、本征強度測試。
工程價值
量化材料的疲勞裂紋擴展速率與裂紋萌生壽命，確定其耐久極限，為基于物理機理的疲勞壽命預測模型提供關鍵輸入。
疲勞裂紋擴展測試示意圖
粘彈性、粘滯生熱與熱力學屬性
表征材料對時間、頻率和溫度的依賴性，對于預測動態工況下的性能與生熱至關重要。
在恒定振幅下進行的簡單拉伸疲勞試驗表明，增加載荷均值后，有應變結晶的天然橡膠（NR）的壽命顯著增加，而無定形的丁苯橡膠（SBR）的壽命減少[2]。
在Endurica疲勞仿真分析軟件中，基于橡膠材料的斷裂力學行為，通過定義等效全松弛撕裂能Teq來描述材料的平均應變效應。
崗位職責：??
負責材料卡片相關方法開發及測試驗證，包括高速拉伸、疲勞、蠕變、霍普金森桿等實驗設計與執行；
基于力學/仿真背景，參與材料本構模型開發與參數標定；
協同團隊提升材料卡片交付能力，支持客戶工程化需求。
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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。
1. : Overview
2. 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
02 Digimat用于金屬缺陷分析
使用Digimat，基于RVE的鑄件或增材制造零件宏觀行為孔隙率測試，可以預測結構/制造仿真中使用的宏觀特性（拉伸、疲勞），研究損傷起始和傳播。
圖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并不能直接用干螺栓校核，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，
在此受力過程中，每一個應力周期所經歷的時間長短（即頻率）與疲勞關系甚微，應力周期的振幅及累積次數才是決定疲勞破壞發生的時機；另外，壓縮應力不會造成疲勞破壞，拉伸應力才是疲勞破壞的主因。
材料承受反復應力的作用過程
疲勞破壞大致分為兩類︰低周期疲勞（low cycle fatigue）及高周期疲勞（high cycle fatigue）。
綜上，對于受拉螺栓，其主要破壞形式是螺栓桿螺紋部分發生斷裂，因而其設計準則是保證螺栓的靜力或疲勞拉伸強度；對于受剪螺栓，其主要破壞形式是螺栓桿和孔壁的貼合面上出現壓潰或螺栓桿被剪斷，其設計準則是保證連接的擠壓強度和螺栓的剪切強度，其中連接的擠壓強度對連接的可靠性起決定性作用。
1.4.1 松螺栓連接強度計算
松螺栓連接裝配時，螺母不需要擰緊。在承受工作載荷之前，螺栓不受力。
