循環加載的案例
試驗洞悉工程 | 考察海洋樁基的循環加載裝置
但由于海上環境異常復雜，樁基礎在設計壽命期限內需經受循環作用達數十萬次的低頻風浪荷載作用，產生的累積變形會造成安裝在樁基礎上的海洋工程結構傾斜，從而影響上部結構的正常服役性能甚至使其失效破壞。因此，開展對水平循環荷載對樁基礎的研究就顯得十分必要。
由于受海上復雜環境和經費的限制，進行樁基礎現場水平循環荷載試驗顯得非常困難，所以大多數研究人員在探討水平循環荷載對樁基影響時多以室內模型試驗為手段。而開展此類室內模型試驗的關鍵在于需要一套穩定可靠，且能輸出頻率和荷載可控的加載裝置，傳統的加載裝置多為費用昂貴的激振器或者伺服液壓加載系統。但由于液壓伺服加載系統價格高昂且所施加的荷載較大，一般以kN為度量單位，而往往室內模型試驗中所需的荷載只幾十N至幾百N的荷載，加載精度難以滿足小模型試驗的要求。
為解決上述存在的循環加載裝置的問題，本文研制出一種新型的水平循環加載裝置并申請了發明專利。該裝置原理簡單、操作方便，成本低廉，荷載幅值和頻率可調節，經過簡單調整加載點和滑輪的相對位置，亦可以實現豎向或者斜向加載，能夠輸出滿足循環荷載試驗要求的荷載波形，尤其適用于室內模型試驗的循環加載，并利用該加載裝置成功對海上風電單樁式基礎開展了水平循環荷載試驗研究。
水平循環試驗裝置的研制?
適用于室內小模型試驗的循環加載裝置設計主要需考慮以下幾個方面：確定輸出荷載、機械系統的設計、電機及變頻控制器的選型。
該裝置的基本工作原理如圖1 所示。在右下角電機的驅動下，鋼絲繩會拉動質點m沿著導軌向右運動，同時質點m的左邊與彈簧相連。
展開 基于LAMMPS模擬Cu單晶疲勞循環加載過程
圖1 (a)循環載荷加載曲線；(b)分子動力學模型
模型采用第三章中的 (100) 取向立方結構模型，X、Y、Z 三個方向分別對應于 [100]、[010]、[001] 取向,三個方向均采用周期性邊界條件以消除邊界效應。通過控制應變，采用拉壓循環的方式進行加載，應變比為 R =?1 ( R 為每次循環的最小應變與最大應變之比)。加載示意圖如圖1（a）所示。為了研究循環加載下溫度和應變率對疲勞力學性能和變形機理的影響，分別在300K溫度下和應變率為1×109s-1的條件下進行了模擬計算，此外，還考慮了正弦形波循環加載對力學性能和變形機制的影響。
圖2 循壞載荷下的應力應變曲線
300 K 時的循環應力-應變曲線如圖2所示，當高溫合金受到循環加載時，最大應力隨循環次數的增加而增大，即首先發生應力循環硬化，這主要是由于初始缺陷的積累，如位錯、堆垛層錯等。隨著加載的進行，循環應力-應變曲線在最后幾個循環中基本一致。隨著循環次數的增加，最大應力趨于穩定并達到循環飽和狀態，這符合金屬的循環變形特征。
圖3 (a)循壞載荷下Cu模型；(b)剪切應變；(c)循環載荷下位錯分析；(d)公共鄰域分析
圖4 (a)循壞載荷下Cu模型；(b)剪切應變；(c)循環載荷下位錯分析；(d)公共鄰域分析
圖3和圖4分別為不同應變下Cu單晶的循環載荷、剪切應變、位錯分析、公共鄰域分析的可視化圖，通過ovito可視化后，可以發現循環載荷下Cu單晶存在明顯的應力集中現象，同時發生均勻相變，在Cu單晶內部可以發現存在少量的bcc以及Other原子，這對Cu單晶的變形和力學性能有顯著的影響。
最后，有相關需求歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯絡。
展開 ANSYS中的循環載荷加載，最易理解的案例來了！
本文的主要目的就是展示在ANSYS中循環加載是如何實現的。
計算結果
橡膠塊循環拉伸變形結果（可以看到有四次循環變形）
本文以一個正方形橡膠塊為例說明，橡膠塊如圖約束（約束XY面節點Z自由度，約束XZ面節點Y自由度，約束YZ面節點X自由度）,在側面施加循環載荷。
計算模型示意圖
循環載荷施加正弦形狀的位移載荷，分為4個正弦周期，四個正弦周期載荷幅值分別為0.1，0.2，0.3，0.4，4個周期加載過后，橡膠內部積累的應力釋放。具體定義分為幾個步驟：
步驟一：首先定義4個周期載荷幅值向量。
*DIM,AMPL,ARRAY,4 ! Amplitude Vector Definition
AMPL(1)=0.01
AMPL(2)=0.02
AMPL(3)=0.03
AMPL(4)=0.04
步驟二：定義離散時間加載點
*DIM,SOLTIME,ARRAY,161 ! Time Vector Definition
SOLTIME(1)=0.0
*DO,I,2,161,1
SOLTIME(I)=SOLTIME(I-1)+0.1
*ENDDO
步驟三：計算每個時間點下的位移激勵大小,也就是正弦曲線上的y值大小。
*DIM,BC_X,ARRAY,161 !
展開 anasys將數組中的載荷循環加載問題 急！
模型是已經建好的，還有溫度載荷已知，現在需要將這些溫度載荷加載到相對應的節點上，節點很多，而且有24個時刻，每個時刻，節點的溫度都不同，想用循環語句去加載，但是出現的問題很多，下面是我的命令流文件，會的大神幫幫忙啊!
FINI
/CLE
/TITLE,ANALYSIS OF A ANTENNA
MODEL03
*dim,aaa,,7968,1,1
*dim,bbb,,432,1,1
*CREAT,MM
*VREAD,aaa(1),E:\ansys\model-3\temp1,txt,,7968,,,,,,
(1PE16.7)
*END/INPUT,MM
*CREAT,..
*VREAD,bbb(1),E:\ansys\model-3\temp2,txt,,432,,,,,,
(1PE16.7)
*END
/INPUT,MM
NSEL,ALL ！
展開 
不銹鋼梁柱高強度螺栓摩擦型連接節點精細化有限元分析
為此，本文對單調和循環荷載下不銹鋼梁柱高強度螺栓摩擦型連接節點進行真實精細化數值模擬，并與試驗結果對比來驗證數值模型的準確性，在此基礎上分析不銹鋼材料非線性、梁翼緣厚度、不銹鋼高強螺栓預緊力和不銹鋼抗滑移系數對該節點破壞機制、承載力、延性以及抗震性能的影響，為合理設計不銹鋼梁柱高強度螺栓摩擦型連接節點提供依據。
2. 不銹鋼梁柱高強度螺栓摩擦型連接節點精細化有限元模型建立
如表1所示，節點中柱尺寸均為450×250×16×12，有效長度為2.3m，梁尺寸有400×150×12×8（JW-1、JC-1和JC-3）和400×150×14×8（JC-2），有效長度為1.65m，其它尺寸見圖1。節點所用不銹鋼以及不銹鋼螺栓和不銹鋼鉚釘的真實應力應變曲線通過試驗得到的名義應力應變關系得到，其主要材料參數見表2和3，泊松比均為0.3，鋼材本構在單調加載和循環加載下分別采用等向強化模型和雙線性隨動強化模型，屈服準則采用Von Mises準則。柱端施加500kN軸力，其軸壓比為0.13，柱腳固定約束。梁端平面外約束，梁端單調位移加載（JW-1）或循環位移加載（JC-1、JC-2和JC-3），循環加載方式見圖2。不銹鋼的抗滑移系數設定為0.4，不銹鋼高強螺栓預緊力為170kN，不銹鋼環槽鉚釘預緊力為205.6kN，不考慮焊縫的影響。
本章選用abaqus有限元軟件進行建模分析，螺栓或鉚釘單元為實體單元C3D8R，其余均選擇abaqus2019新開發的實體殼單元CSS8，具體有限元模型見圖3。連接板件之間的接觸和螺栓與連接板件之間的接觸選擇有限滑移的面-面接觸以保持較大的滑移。螺栓或鉚釘的預緊力通過“Bolt load”對螺栓中間面進行施加。
展開 某轉向驅動橋疲勞分析
經過多次模型修正，單次循環加載的應力幅值降低了，疲勞壽命當然就增加了，疲勞結果已經超過一百萬次：
文章轉載自微信公眾號：SmartFEA
力學所發現三維石墨烯泡沫材料中的電導率極大現象
在循環加載下，電阻的變化逐漸趨于穩定，同時伴隨有滯回環的出現，這與實驗觀測定性一致。由于大變形是泡沫材料的一個重要特性，研究大變形下石墨烯泡沫材料的導電性能對于應變傳感、應變調控等方面的實際應用具有重要的指導意義。
相關結果發表在Small上（F. Liu, C. Wang, Q. Tang, Conductivity Maximum in 3D Graphene Foams,Small 2018, 1801458）。該工作獲得國家自然科學基金、中科院B類先導項目的支持。
文章鏈接
圖1.理論框架。(a)第一級：研究石墨烯薄片間的電導。（b）第二級:提取平均接觸面積、平均接觸點密度等幾何特征。(c) 理論計算結果表明存在電導率極大現象。
圖2. 外載作用下，三維石墨烯泡沫材料的電阻變化規律。（a）不同應變下，三維石墨烯泡沫材料的結構演化。（b）電阻隨應變的變化。（c）循環加載下電阻的變化。（d）第七次循環加載下電阻隨應變的變化。
來源：中科天使
展開 疲勞斷裂的基本原理
當循環應力中的σmax小于某一極限值時，試樣可經受無限次應力循環而不產生疲勞破壞，該極限應力值就稱為疲勞極限，圖2中S-N曲線水平線段對應的縱坐標就是疲勞極限。而左邊斜線段上每一點的縱坐標為某一壽命下對應的應力極限值，稱為條件疲勞極限。 疲勞特征 零件 、構件的疲勞破壞可分為3個階段 ：①微觀裂紋階段。在循環加載下，由于物體的最高應力通常產生于表面或近表面區，該區存在的駐留滑移帶、晶界和夾雜，發展成為嚴重的應力集中點并首先形成微觀裂紋。此后，裂紋沿著與主應力約成45°角的最大剪應力方向擴展，裂紋長度大致在0.05毫米以內，發展成為宏觀裂紋。②宏觀裂紋擴展階段。裂紋基本上沿著與主應力垂直的方向擴展。③瞬時斷裂階段。當裂紋擴大到使物體殘存截面不足以抵抗外載荷時，物體就會在某一次加載下突然斷裂。對應于疲勞破壞的3個階段 ，在疲勞宏觀斷口上出現有疲勞源 、疲勞裂紋擴展和瞬時斷裂3個區（圖3）。疲勞源區通常面積很小，色澤光亮，是兩個斷裂面對磨造成的；疲勞裂紋擴展區通常比較平整，具有表征間隙加載、應力較大改變或裂紋擴展受阻等使裂紋擴展前沿相繼位置的休止線或海灘花樣；瞬斷區則具有靜載斷口的形貌，表面呈現較粗糙的顆粒狀。掃描和透射電子顯微術揭示了疲勞斷口的微觀特征，可觀察到擴展區中每一應力循環所遺留的疲勞輝紋。 疲勞壽命 在循環加載下 ，產生疲勞破壞所需應力或應變的循環次數。對零件、構件出現工程裂紋以前的疲勞壽命稱為裂紋形成壽命。工程裂紋指宏觀可見的或可檢的裂紋 ，其長度無統一規定 ，一般在0.2～1.0毫米范圍內 。自工程裂紋擴展至完全斷裂的疲勞壽命稱為裂紋擴展壽命。總壽命為兩者之和。因工程裂紋長度遠大于金屬晶粒尺寸，故可將裂紋作為物體邊界，并將其周圍材料視作均勻連續介質，應用斷裂力學方法研究裂紋擴展規律 。
展開 詳解Ansys材料模型及應用 ￥9.9
特征1：單軸受壓或受拉特性；包括一般特性，率相關屬性，溫度相關屬性
特征2：循環加載特性；包括簡單加載或卸載；循環加載
特征3：蠕變效應；長時間應力松弛
四個問題
進行塑性材料的結構分析時，應該定義什么材料屬性？應該做何種假設呢？
首先CAE工程師應該了解為什么塑料不同于金屬，兩者在材料特性上有何區別。在CAE軟件里輸入材料屬性時，CAEers需要考慮分析需要的材料行為是什么？
所以在設置材料屬性之前，思考以下問題：
1. 在此工況下，材料行為是什么？是屈服，塑性流動，還是硬化？
2. 除此工況外，設計中還應該考慮的材料行為有什么？
3. 如何通過計算或者經驗得出關鍵的參數？
展開 UFHLA幫助文檔
（注：本軟件針對通用需一直都是免費更新、免費升級的）
軟件 HLAMaster 只能處理抗震試驗（擬靜力）的滯回曲線，無法處理單向循環加載、疲勞試驗等得到的滯回曲線，這是由于算法與分析內容的不同，為了對單向循環加載、疲勞試驗等得到的滯回曲線進行處理，編寫了程序 UFHLA。該程序可以對單向循環加載、疲勞試驗等得到的滯回曲線進行處理，如分解滯回曲線、計算單個滯回環面積（耗散能）、計算阻尼比、割線剛度，彈性模量等。
更新日志
2022.06.15 UFHLA V 1.0，
鏈接
版本描述：發布單向與疲勞滯回環處程序的第一個版本。
2022.08.20 UFHLA V 1.1,
鏈接
版本描述：修復部紛單)滯回曲線不能分解的錯誤；新增自定義閾值控制選項，可針對不同曲線進行單獨調節。
展開 擴展黃永剛原始晶體塑性程序加入AF背應力模擬金屬疲勞問題
參考文獻：《Low-cycle fatigue life prediction of a polycrystalline nickel-base superalloy using crystal plasticity modelling approach》
在原始程序中修改流動方程，加入背應力項，引入運動硬化項，從而可以描述多晶金屬循環加載中的包辛格效應
背應力的演化遵循AF模型
并使用原始的PAN模型描述滑移系統的硬化行為
為了表征多晶的疲勞壽命，引入兩類疲勞指示因子分別為
一：累計塑性滑移
二：累計能量耗散
以文獻的例，驗證修改模型的準確性，其中文獻作者的幾何模型和材料參數如下
依據該模型，作者模擬得到單調拉伸以及循環加載下材料的宏觀應力應變響應為
微觀響應結果為
基于兩類疲勞指示因子，作者通過線性外推得到了基于模擬的壽命預測結果:
基于作者提供的思路和參數，對黃永剛原始程序進行修改，考慮背應力效應，并進行簡單的數值驗證
1，建立包含200晶粒的二維多晶模型（0.1*0.03mm），并使用四節點平面應變單元進行網格劃分，如下圖
2，施加正弦形式的循環拉壓的位移載荷（1%），引力比為-1
3，模擬結果如下：
第一個滑移系統的背應力：
累計塑性剪切：
累計能量耗散：
宏觀應力應變響應：
展開 
哈佛大學鎖志剛院士與西安交大唐敬達副教授JMPS: 玻璃纖維織物在循環載荷下的撕裂行為研究
的文章，研究了玻璃纖維織物在循環載荷下的撕裂行為，繪制了玻璃纖維織物的三種典型撕裂模式與樣品尺寸及載荷幅值的相圖。希望這項工作將引起更多的對于纖維織物和纖維增強復合材料的斷裂和疲勞的行為的關注，有助于抗疲勞織物和纖維增強復合材料的研究。
實驗結果
1. 單根紗線的斷裂
首先研究單根紗線在單調加載與循環加載下的行為，發現單調加載時紗線斷裂的臨界力為108.7 N，而循環加載時紗線斷裂的臨界力僅為25 N，遠小于單調載荷，可見紗線本身存在疲勞現象。
圖1 單根紗線的斷裂
2. 單根紗線的抽出
單根紗線的抽出是織物破壞的一種基本模式。研究發現紗線在單調載荷下抽出的峰值力與寬度相關，隨紗線長度的增加而增加，且與紗線紡織方向有關（圖2）。有趣的是，作者首次研究了單根紗線在循環載荷下的抽出行為，發現對于相同長度的紗線，循環載荷下抽出所需要的力比單調載荷下抽出所需的力更小（圖3）。單根紗線的斷裂及抽出行為研究為織物的疲勞斷裂奠定了基礎。
展開 【免費】ABAQUS中纖維增強水泥基復合材料/混凝土/SHCC/ECC/FRC的損傷塑性模型
仿真計算
材料屬性：
荷載：累加循環加載-卸載，共四個循環
結果：
提取支反力和跨中的撓度：
得到SHCC累加循環加載-卸載的四點彎曲梁實驗的荷載-撓度曲線：
Abaqus-橡膠材料的Mullins效應
如果進一步加載，經歷路徑b′c，其中b′c是主要加載路徑a b b'c c′d的延續（如果沒有卸載，則會遵循該路徑）。如果在c'處停止加載，則在卸載時會遵循路徑c′C a，然后在重新加載時追溯回c'。如果沒有在c'之后進一步加載，則曲線aCc'代表隨后的材料響應，而之后是彈性的。對于超過c'的加載，將再次遵循主要路徑，并且所描述的模式會重復。
這是Mullins效應的理想表示，因為在實踐中，在從主曲線卸載和/或具有粘彈性效應的情況下如滯后效應，通常會在原始曲線對應的應力略低的情況下卸載再加載到先前達到的最大應變水平。此外，對于某些填充彈性體的循環響應，在從某個最大應變水平卸載并隨后重載時表現出逐漸損壞的證據。這種逐漸損壞通常發生在前幾個循環中，并且材料行為很快穩定下來，以便在第一個循環之后進行加載/卸載循環。
從此處開始，加載路徑a b b'c c′d將被稱為“主超彈性行為”。主超彈性行為通過使用超彈性材料模型來定義。
應力軟化在微觀層面上解釋為：隨著材料的加載，損傷是通過填充劑粒子和橡膠分子鏈之間的鍵發生斷裂來實現的。不同的鏈環在不同的變形水平下斷裂，從而導致宏觀變形和連續的損傷。
主超彈性行為
超彈性材料可以通過應變能勢函數U（F）來描述，該函數定義了材料在單位參考體積（初始配置中的體積）中存儲的應變能量。F是變形梯度張量。為了解釋Mullins效應，Ogden和Roxburgh提出了一種材料描述，該描述基于形式為U（F，η）的能量函數，其中額外的標量變量η表示材料中的損傷。損傷變量控制材料的特性，因為它使材料響應在循環加載時加載路徑不同于初始狀態加載時的路徑。由于上述η的解釋，不再適合將U視為存儲的彈性勢能，部分能量以應變能量形式存儲，而其余部分由于損傷而耗散。
展開 《Nature》金屬所：金屬疲勞領域取得突破性進展！
在變幅疲勞實驗中, 具有不同孿晶片層和晶粒尺寸的兩類納米孿晶樣品隨塑性應變幅階梯式遞進增加時的循環響應曲線(圖a和d)和隨塑性應變幅階梯式遞進減小時的循環響應曲線(圖b和e)；圖c和f分別為兩類樣品在不同應變幅時的滯后環。應變幅恒定時，應力和應變具有一一對應關系，循環滯后環完全重合。
該結果表明經過上萬次循環加載變形之后，納米孿晶金屬的塑性變形是可逆的且沒有累積損傷，表現出一種獨特的與歷史無關的穩定循環響應特征。微觀結構分析與大規模分子動力學計算模擬發現循環載荷作用下，納米孿晶結構中僅有單滑移位錯啟動，并在納米尺度孿晶間形成大量超級穩定、相互平行的高度關聯項鏈狀位錯（圖2）。
圖2.分子動力學計算模擬疲勞試驗過程中納米孿晶片層內形成的高度關聯項鏈狀位錯及穩定孿晶界面。
這種關聯項鏈狀位錯結構往復可逆運動承擔塑性變形，但相互之間并無交互作用，既不破壞納米孿晶結構的穩定性也不造成累積損傷。納米孿晶金屬與歷史無關的穩定循環響應特征與傳統單晶、粗晶和納米晶體金屬具有的結構非穩定化和嚴重損傷累積的循環變形行為截然不同。
該研究獲得科技部國家重大科學研究計劃、國家自然科學基金委國際合作重點項目、中國科學院前沿科學重點研究等項目資助。
— END —
內容轉自公眾號：材料科學與工程
展開 