高周疲勞試驗的案例
高周疲勞與低周疲勞
低周和高周疲勞的區分
根據產生裂紋所需的載荷循環次數，人們習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~
10萬次循環作為區分的依據。
在高周疲勞情況下，應力足夠低，因此應力-應變關系可以被認為是
線
彈性的。
而低周疲勞則包含非線性行為，材料應力-應變關系呈現滯回特性。
在分析高周疲勞時，應力范圍通常用于描述
受力
狀態
，而
在分析低周疲勞時，
則會選擇
應變范圍或耗散能量。
3. 高周疲勞的數學模型
材料疲勞領域的研究最早開始于
19 世紀，這一領域的持續發展產生了許多疲勞預測方法。其中一個經典模型就是 S-N 曲線。這一曲線將材料失效前所經歷的循環次數（即壽命）N 與單軸加載的應力幅值關聯起來。
曲線在水平軸上代表失效循環數，在垂直軸上代表載荷幅值。如果兩個軸都使用
log10
尺度，對于許多部件，載荷壽命關系將在很大的耐久性范圍內近似于一條直線。
總的趨勢是，降低應力幅值，可以獲得更長的材料使用壽命。通常這種相關性非常強，可以達到應力幅值降低10% 就能夠將使用壽命延長50% 。
圖3
載荷與失效循環數的關系
某些材料在疲勞試驗中表現出了應力閾值，稱為疲勞極限，當應力低于該閾值時，
將
不會出現疲勞損傷，組件的運行壽命可以無限長。
對于鋼，在大約10
7
次循環時可能有一個持久極限，這意味著幅值小于疲勞極限載荷的循環不會導致疲勞破壞，無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
水平應力作用下，也會因疲勞而失效，比如鋁合金。
展開 往復活塞式發動機的高周疲勞步奏
往復活塞式發動機的高周疲勞步奏
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對稱循環荷載下的高周疲勞壽命預測
1 前言
由于客觀原因，會進行一段時間的疲勞分析學習，優化部分的內容相對也會延后一段時間。不得不說，前幾天基本上都是在看資料，整得人云里霧里的，所以思來想去還是得重操舊業，學習一點總結一點。強調一下，由于在疲勞方面學習的時間暫時不是太長，因此文章內容難免會有錯誤，希望大家指正，互相學習。
2 問題描述
圖 1 有限元模型
如圖所示是一個常規的靜力分析，約束以及載荷都標識在了圖中。然而不同的是，現在這個支架的工作狀況相對來說比較惡劣，需要在-0.1Mpa~0.1MPa的對稱循環壓力荷載下進行工作，試估算其使用疲勞壽命。
3 問題分析
對于這樣一個問題，如果不使用軟件，我們可能會這樣處理：
① 使用材料力學方法計算得到工況下的名義應力
② 查詢相關手冊得到該模型在該工況下的理論應力集中系數
③ 綜合考慮名義應力，應力集中系數，載荷幅值以及其余影響因素得到用于校核疲勞壽命的應力幅值
④ 對應材料的S-N曲線（對于高周疲勞問題）得到結構在對應工況下的疲勞壽命
上述問題如果轉換成軟件來實現也是一樣，首先利用有限元軟件計算得到危險部位的應力值，然后結合相應的載荷輸入，材料S-N曲線輸入，通過相應的疲勞算法得到結構局部的損傷量，最后通過后處理得到疲勞壽命云圖，對應的過程就是下面的疲勞五框圖：
圖 2 疲勞五框圖
4 分析流程
4.1 有限元結果獲取與導入
對照五步圖，我們首先獲取有限元分析結果，這里個人使用hyperworks的optistruct求解器進行有限元分析，大家可以根據自己的分析需求使用不用的有限元求解器。對于optistruct，個人建議結果存儲為.op2格式，測試默認的.h3d格式文件識別的不是特別好。
展開 非對稱循環荷載下的高周疲勞壽命預測
2 流程梳理
圖 2 S-N疲勞壽命求解流程
這是S-N求解引擎的基本流程（前文的五框圖是疲勞分析的基本流程）。首先，軟件根據我們提供的荷載形式（Load Provider）以及有限元計算的應力結果能得到整個應力的變化形式，也叫應力歷程（Stress History），然后從中選取一種類型的應力進行疲勞分析（Combined stress history），即得到某種應力（比如絕對最大主應力）的歷程曲線，之后進行雨流循環計數（Rainflow count）來得到應力歷程的循環周次與幅值等信息，最后對照S-N曲線對每個循環進行損傷計算并按照一定的規則進行疊加，得到總的損傷量（Damage），最后得到疲勞壽命。
3 尋找原因
在這個循環中，我們會發現前面四步是直接和提供的模型以及荷載形式有關，也就是說，如果這幾個都一樣，結果不會有變化，那么應力修正只會發生在最后一步：計算Damage（下一篇文章需要說明的內容），而計算損傷最重要的一步就是根據應力情況對照相應的S-N曲線尋找疲勞壽命。因此，知道軟件到底是如何根據S-N曲線得到對應的疲勞壽命至關重要。
要弄清楚這一點，首先我們必須明白材料S-N曲線是在一種對應的加載形式下測試出的，這種加載形式只有與你用于分析的載荷形式對應才行，就像你不能用0~2的循環荷載對應-1~1的測試得出的材料S-N曲線去找疲勞壽命。可是我們遇到的問題是：通過實驗去測定不同應力比下的S-N曲線是十分困難的，因此有些學者提出了經驗模型，根據應力比為-1載荷下得到的S-N曲線去修正得到應力比為其它數值的S-N曲線，這些經驗模型就是前面所說的平均應力修正模型。
展開 
金屬所等《Scripta Mater》：增材制造316L不銹鋼的循環響應！
然而，工程材料在服役時通常受循環載荷作用而不是單調載荷，且目前關于疲勞性能的數據十分有限。研究胞結構對AM合金疲勞行為的影響，尤其是基于位錯理論分析變形機制尚處在研究前沿。
近日，來自瑞典林雪平大學和中科院沈陽金屬所等單位的研究人員通過開展室溫高周疲勞試驗，對比分析了含/不含胞結構AM 316LSS樣品的疲勞性能和位錯組織等，揭示了胞結構在循環變形中的作用。相關論文以題為“Cyclic response of additive manufactured 316L stainless steel: The role of cell structures”發表在Scripta Materialia上。
論文鏈接
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114190
本文中，作者通過退火熱處理（900 ℃/1050 ℃，10 min）獲得了胞結構體積分數不同的兩種樣品，其中1050 ℃退火樣品為不含胞結構樣品，而未退火樣品具有完整的胞結構。對上述三類樣品進行室溫高周疲勞試驗發現，與不含胞結構的樣品相比，完整胞結構樣品的疲勞過程僅包含穩態和過載階段而無最初的軟化階段，且該樣品具有更高的強度、更低的循環軟化速率以及更長的壽命，如圖1所示。
圖1. （a-c）未退火和900 ℃/1050 ℃退火樣品的總應變范圍-循環次數關系；（d）總應變范圍-歸一化循環次數（N/Nf）關系；（e）圖1（d）中歸一化循環次數在0.2以內的曲線放大圖；（f）未退火和1050 ℃退火樣品達92%疲勞壽命時的滯后回線；（g）總應力范圍-失效循環次數關系。
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展開 軸承疲勞試驗臺的尋找
有沒有能提供軸承疲勞的試驗臺，在武漢地區，想做倆種軸承標準件的疲勞試驗。
汽車高壓線束的加速試驗設計與疲勞壽命評估
加速模型中的應力載荷因素是造成產品失效的根本原因，線束疲勞主要考慮線束長期進行彎折耐久運動產生的疲勞累計損傷，因此，線束疲勞的應力因素應為對線束造成疲勞累計的各影響因素之和。線束老化主要考慮溫度對線束的老化影響，因此，線束老化的應力因素應為溫度
關于應力載荷的參考條件，即加速試驗的一個參照點，所謂的參照點是指產品在正常工作環境條件下的應力載荷水平。本文以汽車線束為研究對象，主要考核汽車線束長期彎折耐久運動的線束疲勞失效壽命，為了實現線束疲勞耐久運動，以達到加速的作用，采用了線束疲勞耐久試驗裝置（如圖2所示）模擬汽車線束在實際工作中的安裝狀態及彎折運動。
此外，溫度在這過程中加速了線束材料的老化失效，汽車線束老化的應力載荷因素溫度，選取25 ℃作為參考基準。溫度載荷的施加方式較為容易，直接將汽車線束連同工裝放置于可程式溫箱來模擬汽車線束在不同工作環境下的溫度條件。關于加速試驗量化參數的估計，主要包括加速試驗應力水平的估計，加速試驗時間的估計以及加速因子的估計。本試驗主要考慮線束材料疲勞及材料老化二種失效機理條件下的加速試驗方案，加速線束疲勞失效采用線束疲勞耐久試驗裝置，將線束三軸向運動位移范圍設置為±12 mm，頻率為1 Hz，即三軸同時運動一次時間為1 s，試驗時間設置為105s，加速線束老化失效利用溫箱來實現，設置溫度為125 ℃，時間設置為1 000 h。加速試驗設計關鍵性技術細節還有一點就是產品的失效判據及失效檢測方式。產品的失效判據及失效檢測方式不僅影響加速試驗結果，也影響最終產品可靠性評價結果。因此，產品的失效判據及失效檢測方式為加速試驗設計重要的環節。本試驗主要考核的是線束的電線部分疲勞失效情況，電線失效往往發生于電線內部斷絲而引起阻抗的增加。因此，選取線束的阻抗值作為失效的特征變量。
展開 汽車高壓線束的加速試驗設計與疲勞壽命評估
加速模型中的應力載荷因素是造成產品失效的根本原因，線束疲勞主要考慮線束長期進行彎折耐久運動產生的疲勞累計損傷，因此，線束疲勞的應力因素應為對線束造成疲勞累計的各影響因素之和。線束老化主要考慮溫度對線束的老化影響，因此，線束老化的應力因素應為溫度
關于應力載荷的參考條件，即加速試驗的一個參照點，所謂的參照點是指產品在正常工作環境條件下的應力載荷水平。本文以汽車線束為研究對象，主要考核汽車線束長期彎折耐久運動的線束疲勞失效壽命，為了實現線束疲勞耐久運動，以達到加速的作用，采用了線束疲勞耐久試驗裝置（如圖2所示）模擬汽車線束在實際工作中的安裝狀態及彎折運動。
此外，溫度在這過程中加速了線束材料的老化失效，汽車線束老化的應力載荷因素溫度，選取25 ℃作為參考基準。溫度載荷的施加方式較為容易，直接將汽車線束連同工裝放置于可程式溫箱來模擬汽車線束在不同工作環境下的溫度條件。關于加速試驗量化參數的估計，主要包括加速試驗應力水平的估計，加速試驗時間的估計以及加速因子的估計。本試驗主要考慮線束材料疲勞及材料老化二種失效機理條件下的加速試驗方案，加速線束疲勞失效采用線束疲勞耐久試驗裝置，將線束三軸向運動位移范圍設置為±12 mm，頻率為1 Hz，即三軸同時運動一次時間為1 s，試驗時間設置為105s，加速線束老化失效利用溫箱來實現，設置溫度為125 ℃，時間設置為1 000 h。加速試驗設計關鍵性技術細節還有一點就是產品的失效判據及失效檢測方式。產品的失效判據及失效檢測方式不僅影響加速試驗結果，也影響最終產品可靠性評價結果。因此，產品的失效判據及失效檢測方式為加速試驗設計重要的環節。本試驗主要考核的是線束的電線部分疲勞失效情況，電線失效往往發生于電線內部斷絲而引起阻抗的增加。因此，選取線束的阻抗值作為失效的特征變量。
展開 汽車線束的加速試驗設計與疲勞壽命評估
關于加速試驗量化參數的估計，主要包括加速試驗應力水平的估計，加速試驗時間的估計以及加速因子的估計。本試驗主要考慮線束材料疲勞及材料老化二種失效機理條件下的加速試驗方案，加速線束疲勞失效采用線束疲勞耐久試驗裝置，將線束三軸向運動位移范圍設置為±12 mm，頻率為1 Hz，即三軸同時運動一次時間為1 s，試驗時間設置為105 s，加速線束老化失效利用溫箱來實現，設置溫度為125 ℃，時間設置為1 000 h。
加速試驗設計關鍵性技術細節還有一點就是產品的失效判據及失效檢測方式。產品的失效判據及失效檢測方式不僅影響加速試驗結果，也影響最終產品可靠性評價結果。因此，產品的失效判據及失效檢測方式為加速試驗設計重要的環節。
本試驗主要考核的是線束的電線部分疲勞失效情況，電線失效往往發生于電線內部斷絲而引起阻抗的增加。因此，選取線束的阻抗值作為失效的特征變量。通過高采樣頻率測量線束的阻抗值來監測線束內部的損傷情況，選取阻抗分析儀作為試驗儀器，并以1 kHz作為測試頻率，在線束二端施加交流電信號，測取不同時刻的阻抗值。
試驗初始時刻測量線束阻抗并記錄，試驗過程中測量頻率間隔為10 s/ 次，試驗結束后再次測量并記錄。根據行業一般標準采用100 MΩ 的阻抗作為失效判據，即認為阻抗值超過這一標準即判定為產品失效。
3 疲勞壽命評估
按上述加速試驗方案對汽車線束進行加速壽命試驗，分別為疲勞耐久試驗和高溫老化試驗。疲勞耐久試驗進行到產品發生失效或者達到試驗時間停止，試驗時間為105 s 約為27.8 h，加速因子為105/20 等于5 000，因此，疲勞壽命粗略估計為27.8 h×5 000，約為15.9 年。
展開 常規巖土力學試驗主應力組成分析與疲勞仿真驗證
完成上述計算后，以巖土力學試驗中的有限元仿真試驗為例，進行主應力分布特點的具體分析[5]。在此過程中，采用數值計算的方式，進行力學試驗中相關數值的模擬，計算過程中，可按照表1，設定巖土力學試驗中巖土材料樣件對應有限元模型的技術參數。
表1 巖土力學試驗中巖土材料樣件對應有限元模型的技術參數
研究過程中，進行建立帶模板與不帶模具的仿真結構模型，將兩個模型標注為(1)、(2)，對樣件的底部節點施加全約束，將其頂部與豎向垂直方向發生耦合，在頂部的中心節點位置，施加一個垂直向下的作用力，將其作為主應力，構件的主應力分布如圖2所示。
圖2 主應力分布云圖
2 疲勞仿真驗證
2.1 建立疲勞仿真計算模型
通過上文試驗獲得主應力組成，將其大致分為三個部分，分別為：單軸貫入中的純壓分布、雙軸貫入中的純拉分布和純剪中的拉壓復合應力組成。結合上述得到的主應力組成方式下的疲勞荷載仿真算例，實現對研究試件在疲勞荷載方式下的主應力分布情況分析。該計算實例是一種以拉、剪、壓為交變應力的彈塑性材料為研究對象，以有限元方法模擬其疲勞加載特性。具體如圖3所示。
圖3 疲勞仿真計算模型
該模型是一種長方體，其長為101 mm，寬為50mm，厚度為50 mm。該疲勞仿真計算模型的彈性模量設置為2.03×105MPa，泊松比設置為0.2。在進行疲勞仿真的過程中，將模型的邊界條件設置為：左半邊上、下表面的節點Y向限制，左頂面X向連接，右半邊上、下表面的節點Y向連接。在施加力時，設計對左部頂面一個恒定壓力或拉力，即將模型X軸正向或負向作為施壓方向。在模型右部地面按照時間的變化重復施加沿Y軸方向的推力，該力為剪切力。按照上述操作循環加載，實現對研究試件疲勞荷載的施加。圖4為疲勞仿真計算模型加載方式示意。
展開 
車輛疲勞耐久性試驗技術的應用
車輛疲勞耐久性試驗技術的應用
耐久性和品牌形象息息相關，而且已經成為一個閃亮的賣點。過去，客戶只是希望他們的愛車行駛里程至少能到300,000公里。但如今的客戶對車輛的要求遠遠不只是耐久 性。他們希望有更多的車型、更優的質量和更低廉的價格。對于制造商來說，越來越多的產品類型給耐久性工程部門帶來更多的壓力，要求工程師要在更短的時間內設計并驗證更多的載荷工況，同時保證計算精度。
從設計的角度出發，車輛行業希望盡可能的降低產品的重量，以滿足燃油經濟性的需求，同時具有更優越的性能。新型材料、混合動力發動機以及不斷發展的汽車電動化帶來了新的挑戰，它們將對車輛的疲勞、振動、熱能和噪聲都產生影響。雖然這些挑戰看上去很艱巨，通過將耐久性工程整合到高效的開發流程中，車輛制造業已經有能力滿足客戶的各種期望。
我們為疲勞耐久性提供獨一無二的高效的試驗與仿真解決方案, 本次會議中，主講人結合應用案例，詳細講解了疲勞耐久性測試技術。
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展開 基于虛擬試驗臺的疲勞分析
基于虛擬試驗臺的疲勞分析
ABAQUS能進行疲勞試驗模擬嗎
可以使用Python腳本或者用戶子程序模擬疲勞試驗，獲取應力-壽命數據嗎
汽車高壓線束的加速試驗設計與疲勞壽命評估
線束老化主要考慮溫度對線束的老化影響，因此，線束老化的應力因素應為溫度
關于應力載荷的參考條件，即加速試驗的一個參照點，所謂的參照點是指產品在正常工作環境條件下的應力載荷水平。本文以汽車線束為研究對象，主要考核汽車線束長期彎折耐久運動的線束疲勞失效壽命，為了實現線束疲勞耐久運動，以達到加速的作用，采用了線束疲勞耐久試驗裝置（如圖2所示）模擬汽車線束在實際工作中的安裝狀態及彎折運動。
此外，溫度在這過程中加速了線束材料的老化失效，汽車線束老化的應力載荷因素溫度，選取25 ℃作為參考基準。溫度載荷的施加方式較為容易，直接將汽車線束連同工裝放置于可程式溫箱來模擬汽車線束在不同工作環境下的溫度條件。關于加速試驗量化參數的估計，主要包括加速試驗應力水平的估計，加速試驗時間的估計以及加速因子的估計。本試驗主要考慮線束材料疲勞及材料老化二種失效機理條件下的加速試驗方案，加速線束疲勞失效采用線束疲勞耐久試驗裝置，將線束三軸向運動位移范圍設置為±12 mm，頻率為1 Hz，即三軸同時運動一次時間為1 s，試驗時間設置為105s，加速線束老化失效利用溫箱來實現，設置溫度為125 ℃，時間設置為1 000 h。加速試驗設計關鍵性技術細節還有一點就是產品的失效判據及失效檢測方式。產品的失效判據及失效檢測方式不僅影響加速試驗結果，也影響最終產品可靠性評價結果。因此，產品的失效判據及失效檢測方式為加速試驗設計重要的環節。本試驗主要考核的是線束的電線部分疲勞失效情況，電線失效往往發生于電線內部斷絲而引起阻抗的增加。因此，選取線束的阻抗值作為失效的特征變量。通過高采樣頻率測量線束的阻抗值來監測線束內部的損傷情況，選取阻抗分析儀作為試驗儀器，并以1 kHz作為測試頻率，在線束二端施加交流電信號，測取不同時刻的阻抗值。
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