橡膠疲勞壽命預測的案例
設計仿真 | 基于開裂能量密度方法的橡膠件疲勞壽命分析
小 結
與基于馬林斯效應和基于應變壽命曲線的彈性體疲勞相比，基于開裂能量密度的方法，可以更加精確的進行橡膠件的疲勞壽命預測和開裂方向預測。
采用Marc軟件，可以很方便的在計算完強度的基礎上，進行橡膠件疲勞壽命的計算。從而幫助客戶快速預測橡膠件的疲勞壽命，提升產品開發效率。
設計仿真 | 基于開裂能量密度方法的橡膠件疲勞壽命分析
橡膠體疲勞案例介紹
以橡膠件，襯套為例，首先在現有的橡膠材料模型參數的參數基礎上，需增加用于彈性體疲勞計算的參數，如下圖所示：
其中，系數Wmax、rc、N、c0、分別為臨界撕裂能量，最大裂紋擴展速率，指數系數，初始微裂紋尺寸。模型計算時不考慮載荷比值的修正。其次，定義橡膠襯套的載荷計算工況。在該案例中，我們先約束襯套的中心和對稱面，同時定義襯套的邊緣沿徑向和軸向同時加載1mm的正弦振動。載荷加載形式為正弦波，在一個正則時間步內完成。
同時在結果輸出中，需要將柯西應力張量和應變梯度進行輸出，以用于后續的疲勞壽命計算。計算結果如下圖所示。可以看到，最大對數主應變發生在橡膠襯套和套筒的接觸位置已經在襯套邊緣特征位置。
在此基礎上，新增一個用于疲勞計算的分析任務，用于疲勞壽命計算。其計算設定參數如下圖所示。其中，載荷類型采用變幅載荷，并選定前一步計算好的結果文件。定義好壽命計算的增量步范疇，該分析取第一步到最后一步的應變進行疲勞壽命計算。
疲勞計算結果如下圖所示，可以看到其損傷最大的位置在橡膠特征倒角處，最小對數壽命為2.7。這與前面計算的最大等效柯西應力位置對應。同時，還可以預測出橡膠裂紋開裂面，如下圖所示。其中紅色箭頭所指的方向即為疲勞開裂平面的法向。
小 結
與基于馬林斯效應和基于應變壽命曲線的彈性體疲勞相比，基于開裂能量密度的方法，可以更加精確的進行橡膠件的疲勞壽命預測和開裂方向預測。
采用Marc軟件，可以很方便的在計算完強度的基礎上，進行橡膠件疲勞壽命的計算。從而幫助客戶快速預測橡膠件的疲勞壽命，提升產品開發效率。
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小 結
與基于馬林斯效應和基于應變壽命曲線的彈性體疲勞相比，基于開裂能量密度的方法，可以更加精確的進行橡膠件的疲勞壽命預測和開裂方向預測。
采用Marc軟件，可以很方便的在計算完強度的基礎上，進行橡膠件疲勞壽命的計算。從而幫助客戶快速預測橡膠件的疲勞壽命，提升產品開發效率。
橡膠疲勞仿真中的三大挑戰與解決思路
在工程實踐中，橡膠部件的疲勞壽命預測常常面臨諸多挑戰。與金屬材料相比，橡膠表現出獨特的力學行為和失效機理，這使得傳統的疲勞分析方法往往難以直接應用。基于我們此前的系列研究，現將橡膠疲勞仿真中的三個關鍵問題重新梳理，為工程實踐提供參考。
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。
分析方法建議：
需要采用臨界平面分析方法，結合材料的應變結晶特性評估，對各個潛在裂紋面的壽命進行獨立計算。這種方法能夠更準確地描述平均應變在橡膠疲勞中的復雜作用機制。
延伸閱讀：
橡膠疲勞 ≠ 金屬疲勞：平均應變效應
挑戰二
非線性響應的處理
02
PART
金屬疲勞分析中廣泛采用的線性疊加方法，在處理橡膠材料時面臨根本性挑戰。橡膠在使用中常伴有顯著的非線性材料行、大變形運動和非線性接觸，這使得復雜載荷譜對應的應力-應變響應無法通過簡單縮放單位載荷結果來合成。
解決途徑：
采用載荷空間離散化和插值方法，通過預計算一組有限元解，建立載荷與響應之間的非線性映射關系，從而實現對復雜載荷歷程的高效分析。這種方法在保證計算精度的同時，能夠顯著減少必要的有限元仿真計算量，提升分析效率。
展開 
采用Marc進行橡膠件疲勞壽命分析
橡膠件疲勞分析概述
在橡膠件CAE仿真分析中，通常需要進行橡膠件剛度，密封性等仿真工況的分析，但如何進行橡膠疲勞壽命的分析當前仍然是困擾行業的難題。
Marc軟件在橡膠、密封行業有著廣泛的應用，針對橡膠疲勞壽命的仿真，Marc有幾種方法可以實現：
? 通過Mullins效應進行橡膠件的損傷分析，當損傷到達1時，認為橡膠出現開裂，但是在實際仿真計算中需要進行大量的分析計算，工作量巨大。
? 通過彈性體疲勞壽命損傷理論來進行疲勞壽命分析。其基本思想和傳統的金屬疲勞的一致，且仿真計算工作量很小，適合在工程計算中應用。
下面，我們將介紹如何采用彈性體疲勞壽命損傷理論來進行疲勞壽命分析。
彈性橡膠體的疲勞理論介紹
根據彈性體疲勞理論，彈性體的壽命和其對數應變和格林應變存在對應關系，也就是Woehler公式，其形式如下：
上述公式中，為彈性體破壞時的循環次數，為其對應的最大對數應變和格林應變。A和n為需要擬合的參數。其曲線的擬合形式如下圖所示。
然后通過雨流計數法則進行變幅損傷累積疊加，如下表達式。當D<1認為彈性體沒有發生破壞，當D≥1認為彈性體發生破壞。
在實際的計算中，只需計算一個周期的載荷循環，就可以進行彈性體壽命的預測。下面將介紹如何在Marc中進行彈性體疲勞壽命的擬合。
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01
橡膠件疲勞分析概述
在橡膠件CAE仿真分析中，通常需要進行橡膠件剛度，密封性等仿真工況的分析，但如何進行橡膠疲勞壽命的分析當前仍然是困擾行業的難題。
Marc軟件在橡膠、密封行業有著廣泛的應用，針對橡膠疲勞壽命的仿真，Marc有幾種方法可以實現：
? 通過Mullins效應進行橡膠件的損傷分析，當損傷到達1時，認為橡膠出現開裂，但是在實際仿真計算中需要進行大量的分析計算，工作量巨大。
? 通過彈性體疲勞壽命損傷理論來進行疲勞壽命分析。其基本思想和傳統的金屬疲勞的一致，且仿真計算工作量很小，適合在工程計算中應用。
下面，我們將介紹如何采用彈性體疲勞壽命損傷理論來進行疲勞壽命分析。
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01
橡膠件疲勞分析概述
在橡膠件CAE仿真分析中，通常需要進行橡膠件剛度，密封性等仿真工況的分析，但如何進行橡膠疲勞壽命的分析當前仍然是困擾行業的難題。
Marc軟件在橡膠、密封行業有著廣泛的應用，針對橡膠疲勞壽命的仿真，Marc有幾種方法可以實現：
? 通過Mullins效應進行橡膠件的損傷分析，當損傷到達1時，認為橡膠出現開裂，但是在實際仿真計算中需要進行大量的分析計算，工作量巨大。
? 通過彈性體疲勞壽命損傷理論來進行疲勞壽命分析。其基本思想和傳統的金屬疲勞的一致，且仿真計算工作量很小，適合在工程計算中應用。
下面，我們將介紹如何采用彈性體疲勞壽命損傷理論來進行疲勞壽命分析。
02
彈性橡膠體的疲勞理論介紹
根據彈性體疲勞理論，彈性體的壽命和其對數應變和格林應變存在對應關系，也就是Woehler公式，其形式如下：
上述公式中，為彈性體破壞時的循環次數，為其對應的最大對數應變和格林應變。A和n為需要擬合的參數。其曲線的擬合形式如下圖所示。
然后通過雨流計數法則進行變幅損傷累積疊加，如下表達式。當D<1認為彈性體沒有發生破壞，當D≥1認為彈性體發生破壞。
在實際的計算中，只需計算一個周期的載荷循環，就可以進行彈性體壽命的預測。下面將介紹如何在Marc中進行彈性體疲勞壽命的擬合。
03
橡膠體疲勞計算案例
以汽車襯套為例，首先在現有的橡膠材料模型參數的參數基礎上，需增加用于彈性體疲勞計算的參數，如下圖所示：
其中，系數A和N分別對應Woehler公式里面的A和n。
其次，定義橡膠襯套的載荷計算工況。
展開 MSC一體化疲勞壽命預測系統
多軸疲勞強調在非比例加載下的多軸應力應變狀態：
-多軸應力狀態下的塑性建模
-四種臨界面模型（Fatemi-Socie 等）
-使用多軸雨流計數的Wang-Brown方法
-多軸安全系數分析 - Dang Van & McDiarmid 方法
-損傷、壽命云紋圖
-損傷極坐標圖
多軸疲勞分析實例
焊接疲勞
焊接疲勞基于有限元分析結果，可預測兩塊金屬板在焊接連接處的疲勞壽命。焊接方式包括點焊和縫焊。計算中將結構的點焊看作是連接兩塊金屬板的剛性桿，或者用CWELD單元來模擬點焊，縫焊用殼單元或者CSEAM單元來模擬，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計算焊接處的應力，然后采用S-N方法，完成結構的全壽命疲勞分析。
采用Spot Weld，可準確預測點焊的疲勞壽命，優化點焊的數量和大小，從而降低制造成本，增加產品可靠性。
價值：預測薄壁結構的疲勞壽命，例如包括很多點焊和縫焊的車身；利用MD Nastran和 MSC.ADAMS靜力和動力結果；自動提取點焊組和焊縫線相鄰的殼單元組。
成功案例: 減少點焊數目
客戶：
卡車供應商
挑戰：
將點焊數量減少10%，提高駕駛室的生產效率，降低成本。
解決方案：
對客車駕駛室進行疲勞壽命計算, 刪除疲勞壽命最長的點焊，重新繼續疲勞計算。
價值：
在確保當前結構耐久性不變的條件下，刪除400個點焊。每個駕駛室在裝配線上節約30分鐘。
展開 Endurica軟件下載與獲取指南：橡膠疲勞壽命仿真的專業工具
在橡膠制品的設計與開發過程中，能否在產品試制前準確預測其疲勞壽命，是衡量研發水平的重要標志。Endurica作為一款在全球范圍內經過廣泛驗證的橡膠疲勞壽命仿真工具，已成為多家頭部輪胎與橡膠企業研發體系中的關鍵組成部分。
引入Endurica不僅是為團隊增添一款軟件，更是構建一項可持續的工程能力。為確保該工具能夠順利落地并快速發揮價值，建議遵循專業、規范的獲取與啟動流程。
為何選擇
Endurica？
01
PART
眾多行業領先企業在提升產品耐久性方面，往往依賴于一套成熟的方法論。Endurica的核心優勢體現在以下幾個方面：
01
基于物理的仿真模型
軟件內核基于斷裂力學理論，能夠依據材料的疲勞裂紋擴展數據直接預測產品壽命，仿真結果較傳統經驗公式更為可靠。
02
與主流FEA軟件無縫集成
支持直接讀取Abaqus、Ansys、Hexagon Marc等有限元分析結果，實現高效的工作流程整合。
03
完善的模型庫
內置經過工業驗證的成熟材料模型，如Thomas疲勞裂紋擴展模型、Lake-Lindley疲勞極限模型等，可精確描述包括應變結晶效應在內的多種橡膠材料行為。
04
顯著降低測試成本
通過仿真分析篩選出不合格的設計方案，從而將實物測試資源集中于最具潛力的設計方案上。
橡膠疲勞仿真綜合解決方案功能矩陣
（上下滑動或點擊放大瀏覽）
因此，引入Endurica不僅是引入一款工具，更是引入一套經過實踐檢驗、能夠系統提升研發效率和可靠性的方法論。
Endurica軟件下載
與獲取流程
02
PART
Endurica采用正式的商業授權模式。
展開 基于有限元的虛擬疲勞壽命預測
基于有限元的虛擬疲勞壽命預測2.rar
基于有限元的虛擬疲勞壽命預測1.rar
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
機車車輛結構疲勞壽命預測方法的研究
機車車輛結構疲勞壽命預測方法的研究
機車車輛結構疲勞壽命預測方法的研究.part1.rar
機車車輛結構疲勞壽命預測方法的研究.part2.rar
機車車輛結構疲勞壽命預測方法的研究.part3.rar
機車車輛結構疲勞壽命預測方法的研究.part4.rar
形狀不規則裂紋的疲勞壽命預測技術
形狀不規則裂紋的疲勞壽命預測技術
林曉斌 Roderick A.Smith
摘要 描述了一種能自動模擬任意面形裂紋疲勞擴展的計算技術。該技術基于三維有限單元法和Paris疲勞裂紋擴展速率方程，并具有網格隨裂紋擴展重新自動生成的能力。技術的實用性通過幾個典型的工程裂紋模擬實例得到了說明。
關鍵詞 疲勞裂紋擴展 損傷容限設計 應力強度因子 有限元
中國圖書資料分類法分類號 TP202
1963年Paris和Erdogan［1］發表了一篇著名的論文，首次對疲勞裂紋擴展速率和應力強度因子范圍之間的試驗曲線進行了關聯，指出了金屬材料中裂紋的疲勞擴展主要由應力強度因子范圍控制。盡管從那時起，以斷裂力學為基礎的疲勞裂紋擴展研究得到了迅速發展，但Paris和Erdogan建議的經驗公式目前仍然是計算工程裂紋疲勞擴展壽命的主要工具。
工程中遇到的裂紋通常是形狀不規則裂紋，在疲勞載荷作用下，這些不規則裂紋又可能發生顯著的形狀變化。如何處理裂紋的形狀及其變化，一直是疲勞科學家和工程師想要解決的問題。當前，裂紋的斷裂評定或剩余疲勞壽命計算一般需要預先假定裂紋的形狀，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。一些規范，如美國的ASME XI［2］，英國的BSI PD 6493［3］和中國的CVDA—84［4］等都給出了簡化裂紋的具體步驟。這些規則也建議了計算疲勞裂紋擴展壽命的方法，即通過假定裂紋在疲勞擴展過程中的形狀，應用Paris公式對裂紋前沿上的一個特征點進行計算，對于表面裂紋，這一特征點通常為裂紋深度點。大量試驗已經表明，這些規范所假定的裂紋形狀在許多情況下與實際不符。
筆者最近發展了一種計算疲勞裂紋擴展壽命的新技術。該技術能直接跟蹤預測疲勞裂紋的形狀變化，從而顯著提高了疲勞壽命的計算精度。
展開 告別簡化載荷塊：通用汽車如何用真實全路譜，實現橡膠襯套壽命的精準預測？
過去，處理如此龐大的數據并完成精確的疲勞壽命計算是難以想象的。
Endurica EIE：
連接真實載荷與有限元模型的橋梁
02
PART
研究團隊運用了Endurica EIE（非線性載荷映射工具）構建了一套高效、精確的載荷譜特征提取與簡化計算工作流：
01
構建載荷-響應映射關系
首先，Endurica EIE針對原始載荷譜特征，構建用于有限元仿真的必要特征載荷路徑，這一過程將原本由成千上萬個時序載荷點組成的載荷譜，簡化為少量用于有限元仿真的特征載荷路徑，然后借助有限元分析，計算出襯套在整個多維載荷空間中所有特征載荷路徑上的點對應的應力-應變響應。
02
全時程數據插值
隨后，Endurica EIE 扮演了“實時翻譯器”的角色。它將實測的、連續變化的六通道路譜數據，實時映射并插值為有限元模型每一個單元積分點上的全時程應力-應變響應。
03
精準損傷計算
基于這些高保真的應力-應變響應歷程，再通過Endurica CL疲勞求解器和Endurica DT損傷累積求解器，按發生順序計算所有11種駕駛事件造成的累積損傷，并預測出襯套的疲勞壽命分布。在論文的結果章節中，通過比較插值得到的應變歷程與壽命分布云圖，與未經插值的直接計算結果進行對比，驗證了整套技術方法的有效性。
六維特征載荷路徑的網格點（紅色）與六通道路譜載荷數據（藍色）疊加顯示在15個獨立的二維子空間投影上。該特征載荷路徑能夠對復雜、多維的載荷包絡進行精確表征、離散化，并用于高度非線性響應的插值。
展開 對稱循環荷載下的高周疲勞壽命預測
如圖所示，拖入一個FE Display模塊，并參照前面操作，將疲勞分析結果傳輸給該模塊。
圖 15 創建后處理模型顯示
4.6 求解
點擊上方的運行，軟件會直接運行整個圖形化程序，同時在疲勞求解模塊能看到運行的進程。
圖 16 運行S-N分析
4.7 后處理
進入FE Display模塊中，右鍵進入屬性，能選擇相應的結果進行顯示：
圖 17 疲勞分析結果后處理
確認后顯示云圖結果，可以看到最小壽命為5.4e13（從工程上來講已經算是無限疲勞壽命了），在圓角上部。同時從結果我們也可以看出，壽命最小的地方容易出現在應力集中部位或者結構的缺陷部位，并且往往是從表面開始完成裂紋萌生，擴展到最后斷裂的。
圖 18 疲勞壽命云圖
來源：CAE交流之家
作者：ansys-聰聰
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