低周疲勞壽命預(yù)測(cè)的案例
基于ansys渦輪盤蠕變及低周疲勞壽命可靠性分析方法
對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件渦輪盤來(lái)說(shuō)，蠕變失效和疲勞失效是其兩種主要的失效模式：在循環(huán)工作條件下，蠕變損傷和疲勞損傷不斷累積，并且蠕變損傷和疲勞損傷存在交互作用。因此，蠕變一疲勞損傷分析就成為渦輪盤壽命預(yù)測(cè)的重要組成部分。此外，由于金屬材料在高溫和高應(yīng)力下存在明顯的蠕變變形，從而造成渦輪盤存在應(yīng)力松弛現(xiàn)象，是否考慮應(yīng)力松弛效應(yīng)的壽命預(yù)測(cè)可能導(dǎo)致相差幾倍甚至上百倍的差別
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高周疲勞與低周疲勞
低周和高周疲勞的區(qū)分
根據(jù)產(chǎn)生裂紋所需的載荷循環(huán)次數(shù)，人們習(xí)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(wàn)次循環(huán)作為區(qū)分的依據(jù)。
在高周疲勞情況下，應(yīng)力足夠低，因此應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可以被認(rèn)為是
線
彈性的。
而低周疲勞則包含非線性行為，材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)滯回特性。
在分析高周疲勞時(shí)，應(yīng)力范圍通常用于描述
受力
狀態(tài)
，而
在分析低周疲勞時(shí)，
則會(huì)選擇
應(yīng)變范圍或耗散能量。
3. 高周疲勞的數(shù)學(xué)模型
材料疲勞領(lǐng)域的研究最早開始于
19 世紀(jì)，這一領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生了許多疲勞預(yù)測(cè)方法。其中一個(gè)經(jīng)典模型就是 S-N 曲線。這一曲線將材料失效前所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)（即壽命）N 與單軸加載的應(yīng)力幅值關(guān)聯(lián)起來(lái)。
曲線在水平軸上代表失效循環(huán)數(shù)，在垂直軸上代表載荷幅值。如果兩個(gè)軸都使用
log10
尺度，對(duì)于許多部件，載荷壽命關(guān)系將在很大的耐久性范圍內(nèi)近似于一條直線。
總的趨勢(shì)是，降低應(yīng)力幅值，可以獲得更長(zhǎng)的材料使用壽命。通常這種相關(guān)性非常強(qiáng)，可以達(dá)到應(yīng)力幅值降低10% 就能夠?qū)⑹褂?em>壽命延長(zhǎng)50% 。
圖3
載荷與失效循環(huán)數(shù)的關(guān)系
某些材料在疲勞試驗(yàn)中表現(xiàn)出了應(yīng)力閾值，稱為疲勞極限，當(dāng)應(yīng)力低于該閾值時(shí)，
將
不會(huì)出現(xiàn)疲勞損傷，組件的運(yùn)行壽命可以無(wú)限長(zhǎng)。
對(duì)于鋼，在大約10
7
次循環(huán)時(shí)可能有一個(gè)持久極限，這意味著幅值小于疲勞極限載荷的循環(huán)不會(huì)導(dǎo)致疲勞破壞，無(wú)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(yīng)力作用下，也會(huì)因疲勞而失效，比如鋁合金。
展開 非金屬材料的高、低周壽命評(píng)估，受哪些因素影響？
試驗(yàn)樣條疲勞壽命測(cè)試中
試驗(yàn)條件
試驗(yàn)依據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，具體條件見表1。
表1 試驗(yàn)條件
結(jié)果與討論
疲勞根據(jù)施加應(yīng)力的大小和斷裂時(shí)已循環(huán)周次的高低，結(jié)構(gòu)件的疲勞分為高周疲勞和低周疲勞。一般而言，斷裂時(shí)已循環(huán)周次小于5*104周次的疲勞稱為低周疲勞，低周疲勞的疲勞壽命較短，斷裂應(yīng)力水平較高；而斷裂時(shí)已循環(huán)周次高于5*104周次的疲勞稱為高周疲勞，高周疲勞的疲勞壽命較長(zhǎng)，斷裂應(yīng)力水平較低。
本研究中，低周疲勞的應(yīng)力我們選擇的是69MPa，高周疲勞的應(yīng)力我們選擇的是46MPa。
加載頻率對(duì)低周疲勞壽命的影響
加載頻率與低周疲勞壽命的結(jié)果見表2。
表2 試驗(yàn)條件
由表2可知，低周疲勞下試樣溫升隨頻率的增加而增加，而材料循環(huán)次數(shù)隨試樣溫升的增加而降低，循環(huán)次數(shù)隨頻率的增加而降低。
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ABAQUS中的LCF(LOW CYCLE FATIGUE功能結(jié)合XFEM和PARIS法則可以模擬裂紋的疲勞擴(kuò)展，計(jì)算裂紋每前進(jìn)一步所需要的循環(huán)次數(shù)。下面給出了具體的C3、C4與Paris參數(shù)的計(jì)算過(guò)程，和自己看論文等的一些總結(jié)與經(jīng)驗(yàn)，關(guān)于step的一些調(diào)整等，后面做了一個(gè)三維平板的案列，案例參考文獻(xiàn)中的參數(shù)，結(jié)果與文獻(xiàn)中較為符合，參考文獻(xiàn)和CAE也給出。
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一次加載達(dá)到一定數(shù)值后，若直接算出來(lái)的G≥Gc時(shí)，構(gòu)件發(fā)生開裂，若直接算出來(lái)的G小于Gc時(shí)，雖然不會(huì)直接開裂，但是會(huì)隨著疲勞關(guān)系慢慢發(fā)展開裂，但并不是加載多小都能開裂，算出來(lái)的G值必須大于Gc的0.01倍，小于Gc的0.85倍。
當(dāng)加載進(jìn)入0.01Gc至0.85Gc區(qū)間（Gthresh≤G≤Gpl）時(shí)，△G單次循環(huán)加載下最大G值與最小G值得差值，C1、C2是材料常數(shù)，在一次循環(huán)后abaqus計(jì)算出△G，由此可以計(jì)算出N，即可知道多少次能開裂，開裂后裂縫增長(zhǎng)的速率隨著次數(shù)的是多快即為C3△GC4，C1、C2、C3、C4均為給定的材料常數(shù)。
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基于ABAQUS和FE-SAFE的低周疲勞仿真 附MicromechanicsPlugin下載
1、綜述
機(jī)器、車輛和結(jié)構(gòu)的零部件經(jīng)常會(huì)承受重復(fù)載荷的作用，由此產(chǎn)生的循環(huán)應(yīng)力可導(dǎo)致相關(guān)材料發(fā)生微觀物理?yè)p傷，微觀損傷在連續(xù)的循環(huán)載荷作用下累積，直至發(fā)展成裂紋或其他宏觀損傷，這個(gè)過(guò)程稱為疲勞。疲勞分為高周疲勞和低周疲勞，一般將失效循環(huán)數(shù)小于次循環(huán)的疲勞稱為低周疲勞，將失效循環(huán)數(shù)大于此次數(shù)的疲勞稱為高州疲勞。低周疲勞一般采用基于應(yīng)變的疲勞算法。
2、基于應(yīng)變疲勞分析算法
穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變遲滯曲線如下圖，一般用Ramberg-Osgood方程表示，
（1）
其中，為彈性模量，為循環(huán)硬化系數(shù)，為循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)
圖1 穩(wěn)定的應(yīng)力-應(yīng)遲滯回曲線
應(yīng)變-壽命曲線是在介于兩個(gè)極限應(yīng)變之間的完全反向（R=-1）循環(huán)載荷條件下的疲勞試驗(yàn)得到的，同時(shí)還需進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量，試驗(yàn)設(shè)備如圖2。彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變和總應(yīng)變與疲勞壽命的關(guān)系如圖3，數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（2），
（2）
其中為疲勞強(qiáng)度系數(shù)，為疲勞強(qiáng)度指數(shù)，為疲勞延展性系數(shù)，為疲勞延展指數(shù)
圖2 疲勞測(cè)試設(shè)備
圖3 彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變和總應(yīng)變與壽命的關(guān)系曲線
Brown-Miller 方程廣泛運(yùn)用于延展性金屬多軸疲勞計(jì)算中，損傷最大位置發(fā)生在最大剪應(yīng)力所在的平面，同時(shí)能考慮剪應(yīng)力和正應(yīng)力的影響，如圖4所示。
（3）
其中，為最大剪應(yīng)變，為正應(yīng)力，為平均應(yīng)力
圖4 Brown-Miller 算法示意
3 、有限元仿真
3.1 材料模型
硬化模型對(duì)疲勞仿真精度至關(guān)重要。
展開 高熵合金、中熵合金低周疲勞加載下的變形機(jī)理
在低周疲勞加載下，等原子面心立方 (FCC) CoCrFeMnNi 高熵合金的塑性變形由位錯(cuò)結(jié)構(gòu)（如位錯(cuò)墻，位錯(cuò)胞）的形成而累積，進(jìn)而導(dǎo)致裂紋萌生。雖然已有文章報(bào)道過(guò)這些位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，但關(guān)于它們的形成機(jī)制還存在爭(zhēng)議。此外，應(yīng)變幅度、循環(huán)加載次數(shù)和晶粒取向?qū)ξ诲e(cuò)結(jié)構(gòu)的影響還未見報(bào)道。
德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院的研究人員通過(guò)開展室溫下低周疲勞試驗(yàn)，結(jié)合透射電鏡顯微結(jié)構(gòu)研究，闡述了兩種不同晶粒尺寸的CoCrFeMnNi合金的循環(huán)變形行為和相應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)變化，并系統(tǒng)探討了不同位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理。相關(guān)論文以題為 ‘Deformation mechanisms of CoCrFeMnNi high-entropy alloy under low-cycle-fatigue loading’ 發(fā)表在《Acta Materialia》。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117089
本文通過(guò)透射電鏡研究表明，在低應(yīng)變幅（0.3%）下，位錯(cuò)結(jié)構(gòu)主要由平面滑移帶（planar slip bands）組成，而在較高應(yīng)變幅（0.5%和0.7%）下，位錯(cuò)主要形成墻、迷宮和胞結(jié)構(gòu)（wall， labyrinth and cell）等。這一結(jié)果也揭示了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)由低應(yīng)變幅下的平面滑移向高應(yīng)變幅下的交滑移的轉(zhuǎn)變。
展開 MSC一體化疲勞壽命預(yù)測(cè)系統(tǒng)
多軸疲勞強(qiáng)調(diào)在非比例加載下的多軸應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)：
-多軸應(yīng)力狀態(tài)下的塑性建模
-四種臨界面模型（Fatemi-Socie 等）
-使用多軸雨流計(jì)數(shù)的Wang-Brown方法
-多軸安全系數(shù)分析 - Dang Van & McDiarmid 方法
-損傷、壽命云紋圖
-損傷極坐標(biāo)圖
多軸疲勞分析實(shí)例
焊接疲勞
焊接疲勞基于有限元分析結(jié)果，可預(yù)測(cè)兩塊金屬板在焊接連接處的疲勞壽命。焊接方式包括點(diǎn)焊和縫焊。計(jì)算中將結(jié)構(gòu)的點(diǎn)焊看作是連接兩塊金屬板的剛性桿，或者用CWELD單元來(lái)模擬點(diǎn)焊，縫焊用殼單元或者CSEAM單元來(lái)模擬，而金屬板用薄殼單元描述。該方法利用桿單元橫截面所受的力和力矩來(lái)計(jì)算焊接處的應(yīng)力，然后采用S-N方法，完成結(jié)構(gòu)的全壽命疲勞分析。
采用Spot Weld，可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)點(diǎn)焊的疲勞壽命，優(yōu)化點(diǎn)焊的數(shù)量和大小，從而降低制造成本，增加產(chǎn)品可靠性。
價(jià)值：預(yù)測(cè)薄壁結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，例如包括很多點(diǎn)焊和縫焊的車身；利用MD Nastran和 MSC.ADAMS靜力和動(dòng)力結(jié)果；自動(dòng)提取點(diǎn)焊組和焊縫線相鄰的殼單元組。
成功案例: 減少點(diǎn)焊數(shù)目
客戶：
卡車供應(yīng)商
挑戰(zhàn)：
將點(diǎn)焊數(shù)量減少10%，提高駕駛室的生產(chǎn)效率，降低成本。
解決方案：
對(duì)客車駕駛室進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算, 刪除疲勞壽命最長(zhǎng)的點(diǎn)焊，重新繼續(xù)疲勞計(jì)算。
價(jià)值：
在確保當(dāng)前結(jié)構(gòu)耐久性不變的條件下，刪除400個(gè)點(diǎn)焊。每個(gè)駕駛室在裝配線上節(jié)約30分鐘。
展開 形狀不規(guī)則裂紋的疲勞壽命預(yù)測(cè)技術(shù)
形狀不規(guī)則裂紋的疲勞壽命預(yù)測(cè)技術(shù)
林曉斌 Roderick A.Smith
摘要 描述了一種能自動(dòng)模擬任意面形裂紋疲勞擴(kuò)展的計(jì)算技術(shù)。該技術(shù)基于三維有限單元法和Paris疲勞裂紋擴(kuò)展速率方程，并具有網(wǎng)格隨裂紋擴(kuò)展重新自動(dòng)生成的能力。技術(shù)的實(shí)用性通過(guò)幾個(gè)典型的工程裂紋模擬實(shí)例得到了說(shuō)明。
關(guān)鍵詞 疲勞裂紋擴(kuò)展 損傷容限設(shè)計(jì) 應(yīng)力強(qiáng)度因子 有限元
中國(guó)圖書資料分類法分類號(hào) TP202
1963年P(guān)aris和Erdogan［1］發(fā)表了一篇著名的論文，首次對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率和應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍之間的試驗(yàn)曲線進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，指出了金屬材料中裂紋的疲勞擴(kuò)展主要由應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍控制。盡管從那時(shí)起，以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)的疲勞裂紋擴(kuò)展研究得到了迅速發(fā)展，但Paris和Erdogan建議的經(jīng)驗(yàn)公式目前仍然是計(jì)算工程裂紋疲勞擴(kuò)展壽命的主要工具。
工程中遇到的裂紋通常是形狀不規(guī)則裂紋，在疲勞載荷作用下，這些不規(guī)則裂紋又可能發(fā)生顯著的形狀變化。如何處理裂紋的形狀及其變化，一直是疲勞科學(xué)家和工程師想要解決的問題。當(dāng)前，裂紋的斷裂評(píng)定或剩余疲勞壽命計(jì)算一般需要預(yù)先假定裂紋的形狀，例如，假定表面裂紋為半橢圓形、埋藏裂紋為橢圓形、穿透裂紋為直線形。一些規(guī)范，如美國(guó)的ASME XI［2］，英國(guó)的BSI PD 6493［3］和中國(guó)的CVDA—84［4］等都給出了簡(jiǎn)化裂紋的具體步驟。這些規(guī)則也建議了計(jì)算疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的方法，即通過(guò)假定裂紋在疲勞擴(kuò)展過(guò)程中的形狀，應(yīng)用Paris公式對(duì)裂紋前沿上的一個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于表面裂紋，這一特征點(diǎn)通常為裂紋深度點(diǎn)。大量試驗(yàn)已經(jīng)表明，這些規(guī)范所假定的裂紋形狀在許多情況下與實(shí)際不符。
筆者最近發(fā)展了一種計(jì)算疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的新技術(shù)。該技術(shù)能直接跟蹤預(yù)測(cè)疲勞裂紋的形狀變化，從而顯著提高了疲勞壽命的計(jì)算精度。
展開 
隨機(jī)載荷作用下平臺(tái)結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)
研究裂紋在譜載荷作用下的擴(kuò)展規(guī)
律對(duì)可靠預(yù)報(bào)平臺(tái)等結(jié)構(gòu)物的疲勞壽命具有十分重要的意義。提出了一個(gè)由應(yīng)力比和裂紋尖端約束及塑性
區(qū)尺寸為主要參數(shù)計(jì)算裂紋張開比，來(lái)考查載荷相互作用下疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的計(jì)算模型。用該模型對(duì)幾
種譜載荷作用下疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了預(yù)測(cè)，將預(yù)測(cè)結(jié)果與不考慮裂紋閉合的線性損傷模型及疲勞計(jì)算程序
FASTRAN 的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較，表明本模型能較好地預(yù)測(cè)譜載荷作用下的疲勞裂紋擴(kuò)展。
隨機(jī)載荷作用下平臺(tái)結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè).pdf
展開 基于有限元的虛擬疲勞壽命預(yù)測(cè)
基于有限元的虛擬疲勞壽命預(yù)測(cè)2.rar
基于有限元的虛擬疲勞壽命預(yù)測(cè)1.rar
設(shè)計(jì)仿真 | Simufact Forming模具疲勞分析助力預(yù)測(cè)模具壽命
02
緊固件模具壽命研究
在本研究中，通過(guò)使用Simufact Forming模具壽命模塊對(duì)兩種不同緊固件（分別稱為產(chǎn)品A和產(chǎn)品B）的模具壽命進(jìn)行計(jì)算，并與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。產(chǎn)品A使用單個(gè)成形模具，而產(chǎn)品B則使用由多個(gè)部件組成的成形模具。采用Simufact Forming模擬了多工位冷鍛成形，將前序工位結(jié)果傳遞到后續(xù)工位，并對(duì)實(shí)際模具壽命較低的工位進(jìn)行了模具壽命計(jì)算對(duì)比。
產(chǎn)品A仿真結(jié)果
在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，通常會(huì)在規(guī)定的區(qū)域出現(xiàn)模具失效的情況，且一般是在完成約600次鍛壓后才會(huì)發(fā)生。根據(jù)Simufact Forming模具疲勞分析結(jié)果，產(chǎn)品A鍛打次數(shù)計(jì)算為 667次，在指定位置出現(xiàn)了低周失效。
產(chǎn)品B仿真結(jié)果
在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，模具通常在1800次鍛打后會(huì)在指定位置出現(xiàn)模具開裂失效。根據(jù)Simufact Forming模具疲勞分析結(jié)果，產(chǎn)品B鍛打次數(shù)計(jì)算為2021次，在指定位置出現(xiàn)了低周失效。
如下圖所示，通過(guò)Simufact Forming模具壽命模塊進(jìn)行的工具壽命分析結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果一致。本研究中所使用的工具材料的疲勞壽命數(shù)據(jù)取自 Simufact Forming的材料庫(kù)。疲勞壽命曲線是利用該功能自動(dòng)創(chuàng)建的，由于材料數(shù)據(jù)存在差異，實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)與分析結(jié)果之間存在微小的偏差。
這項(xiàng)研究表明，Simufact Forming模具疲勞壽命分析結(jié)果對(duì)于工業(yè)研究而言是精確可靠的。通過(guò)對(duì)可能出現(xiàn)早期模具故障的成形工序的檢測(cè)，我們能夠基于模具使用壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化和改進(jìn)研究，并在報(bào)價(jià)階段準(zhǔn)確確定模具成本。
展開 壓氣機(jī)葉片疲勞可靠度及壽命的預(yù)測(cè)方法
壓氣機(jī)葉片疲勞可靠度及壽命的預(yù)測(cè)方法
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