金屬疲勞分析
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2026-01-05
金屬疲勞分析的視頻教程
精講如何利用abaqus進(jìn)行金屬（鋁合金）的三維疲勞裂紋擴(kuò)展分析
1 金屬的疲勞與失效 2 裂紋擴(kuò)展的檢測及標(biāo)準(zhǔn) 3 有限元建模及基本關(guān)鍵字參數(shù)詳解 4 結(jié)果分析與討論
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ABAQUS疲勞分析專題-汽車懸置架疲勞分析-預(yù)制裂紋循環(huán)載荷下的疲勞裂紋擴(kuò)展-腐蝕鋼絲疲勞壽命計(jì)算等
腐蝕鋼絲疲勞壽命計(jì)算 腐蝕是疲勞裂紋擴(kuò)展過程中不可忽視的重要因素，特別是在鋼絲繩等金屬材料中。該模塊將專注于腐蝕鋼絲的疲勞壽命計(jì)算，使用ABAQUS的腐蝕模型來考慮環(huán)境因素對材料疲勞性能的影響。我們將探討如何通過腐蝕損傷模型描述鋼絲的損傷積累過程，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。課程將講解如何在ABAQUS中進(jìn)行腐蝕疲勞分析，幫助學(xué)員更好地理解和預(yù)測腐蝕鋼絲在不同環(huán)境條件下的疲勞壽命。
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Workbench諧振疲勞分析（基于子模態(tài)和完全模態(tài)發(fā)的諧響應(yīng)疲勞分析）
第一講：workbench建立幾何模型方法 第二講：建模和諧響應(yīng)分析原理 第三講：網(wǎng)格劃分和材料設(shè)置 第四講：設(shè)置計(jì)算 第五講：疲勞分析及含義 第六講：后處理 附件包括了子模態(tài)和完全模態(tài)分析的兩種諧響應(yīng)振動疲勞計(jì)算結(jié)果。
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金屬疲勞分析的實(shí)例教程
橡膠和金屬的力學(xué)行為有非常大的差異，我們首先可以從平均應(yīng)變或應(yīng)力對材料疲勞性能影響的角度來分析這種差異。
圖1顯示了幾個典型的等幅應(yīng)變循環(huán)，每個循環(huán)都處于不同的平均應(yīng)變水平。在循環(huán)疲勞試驗(yàn)中，如果施加的應(yīng)力幅度等于平均應(yīng)力，我們把這種情況稱為脈沖載荷循環(huán)或全松弛載荷循環(huán)。如果平均應(yīng)力為零，我們把這種情況稱為完全反轉(zhuǎn)的拉伸/壓縮加載循環(huán)。如果最小應(yīng)力總是正的，則稱為非全松弛載荷循環(huán)（即試樣總是處于加載狀態(tài)）。非全松弛載荷循環(huán)在應(yīng)用中很常見，例如：在安裝過程中對產(chǎn)品施加了預(yù)載荷；襯套在模壓過程中產(chǎn)生的壓縮預(yù)應(yīng)力、過盈配合、由于熱膨脹/收縮而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力；以及在輪胎中，簾線的形狀記憶效應(yīng)。
圖1. 在三種不同的平均應(yīng)變下的恒定振幅加載循環(huán)
在金屬疲勞分析方法中，通常以應(yīng)力幅度σa和平均應(yīng)力σm相對于屈服應(yīng)力σy和極限應(yīng)力σu的大小來定義應(yīng)力均值效應(yīng)對金屬材料疲勞行為的影響。如圖2所示。當(dāng)加載應(yīng)力處于疲勞閾值應(yīng)力σ0以下時，材料具有無限壽命。Haigh圖（或Goodman圖）（圖2左）將疲勞壽命繪制為這些變量的函數(shù)[1]。Wohler曲線（圖2右）提供了類似的信息。對于金屬材料，有一個普遍適用的簡單規(guī)則：增加平均應(yīng)變將降低疲勞壽命。通常還假設(shè)金屬的潛在疲勞開裂面垂直于最大主應(yīng)力方向。
圖2. 顯示平均應(yīng)變對金屬疲勞壽命影響的Haigh圖（左）和Wohler曲線（右）
橡膠材料與金屬材料有許多不同之處
1.在原子尺度上
At the atomic scale
橡膠由長鏈分子組成，這些分子經(jīng)歷恒定的熱運(yùn)動，同時以永久的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相互連接。這種結(jié)構(gòu)允許發(fā)生大的彈性/可逆應(yīng)變。而金屬則完全不同，它們以單個原子的形式存在于有序的晶體中，偶爾會出現(xiàn)位錯或晶格空位。
展開 其他疲勞分析.rar
金屬疲勞分析特點(diǎn).rar
在開始講疲勞分析這個專業(yè)的術(shù)語前，我們先來看一個關(guān)于疲勞破壞的小故事。
二戰(zhàn)結(jié)束后，英國的一家航空公司創(chuàng)建了當(dāng)時最先進(jìn)的噴氣式客機(jī)——“彗星式”客機(jī)，它采用了超輕鋁合金蒙皮和寬大敞亮的方形舷窗設(shè)計(jì)，能以800公里的時速在12000米高的平流層穩(wěn)定飛行，是當(dāng)時妥妥的黑科技產(chǎn)品。然而就在1954年的1月10日，一架飛往倫敦的客機(jī)，在意大利厄爾巴島上空7800米處解體，機(jī)上所有人員無一幸免。事故引起了社會的恐慌，但是由于調(diào)查遲遲沒有進(jìn)展，兩個月后，彗星式客機(jī)獲取了復(fù)飛的資格。但沒想到在同年的4月8日，又一架客機(jī)栽入意大利那不勒斯灣，此時工程師們才意識到這絕不是巧合。為了找出事故的源頭，他們建立了一個大型水槽模擬飛機(jī)運(yùn)行過程中承受的載荷。然而試驗(yàn)僅持續(xù)了一個月，“彗星式”飛機(jī)方形舷窗處的蒙皮，就在反復(fù)增壓和減壓的沖擊下產(chǎn)生了破裂，而元兇就是“方形舷窗”！
彗星式客機(jī)蒙皮破壞處
由于方形邊角的設(shè)計(jì)會產(chǎn)生極大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在反復(fù)的沖擊下會導(dǎo)致蒙皮發(fā)生疲勞斷裂，最終引發(fā)事故。對該空難事故的調(diào)查，讓人類真正開始注意到金屬疲勞分析的重要性。這則故事很好地闡述了疲勞破壞的定義：零件由于交變載荷的反復(fù)作用，在它所承受的交變應(yīng)力尚未達(dá)到靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)的許用應(yīng)力情況下就會在零件或構(gòu)件的局部位置產(chǎn)生疲勞裂紋并擴(kuò)展、最后突然斷裂。現(xiàn)在回歸今天的疲勞主題，首先要讓大家明白什么是交變應(yīng)力和疲勞曲線。
交變應(yīng)力簡單說就是隨時間周期變化的應(yīng)力。但是應(yīng)力怎么變？變多少？都是一門學(xué)問，由其衍生出的一系列學(xué)名過于復(fù)雜，今天不在這介紹，大家看下圖就能明白：
各類型交變應(yīng)力
在這么多的交變應(yīng)力類型中，最特別的就是對稱循環(huán)應(yīng)力了，因?yàn)檫@種交變應(yīng)力的平均應(yīng)力為0，循環(huán)系數(shù)r=-1，我們常說的材料疲勞曲線就是在這個應(yīng)力條件下試驗(yàn)得到的。
展開 在工程實(shí)踐中，橡膠部件的疲勞壽命預(yù)測常常面臨諸多挑戰(zhàn)。與金屬材料相比，橡膠表現(xiàn)出獨(dú)特的力學(xué)行為和失效機(jī)理，這使得傳統(tǒng)的疲勞分析方法往往難以直接應(yīng)用。基于我們此前的系列研究，現(xiàn)將橡膠疲勞仿真中的三個關(guān)鍵問題重新梳理，為工程實(shí)踐提供參考。
挑戰(zhàn)一
平均應(yīng)力效應(yīng)的準(zhǔn)確評估
01
PART
在金屬疲勞分析中，拉伸平均應(yīng)力通常會對材料壽命產(chǎn)生不利影響。然而，橡膠材料的響應(yīng)則更為復(fù)雜：對于能夠發(fā)生應(yīng)變誘導(dǎo)結(jié)晶的橡膠，適當(dāng)?shù)钠骄鞈?yīng)變反而可能顯著延長其疲勞壽命，提升幅度可達(dá)幾個數(shù)量級；而對于非結(jié)晶橡膠，平均應(yīng)變的影響則與金屬類似，表現(xiàn)為導(dǎo)致產(chǎn)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(jié)合材料的應(yīng)變結(jié)晶特性評估，對各個潛在裂紋面的壽命進(jìn)行獨(dú)立計(jì)算。這種方法能夠更準(zhǔn)確地描述平均應(yīng)變在橡膠疲勞中的復(fù)雜作用機(jī)制。
延伸閱讀：
橡膠疲勞 ≠ 金屬疲勞：平均應(yīng)變效應(yīng)
挑戰(zhàn)二
非線性響應(yīng)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(zhàn)。橡膠在使用中常伴有顯著的非線性材料行、大變形運(yùn)動和非線性接觸，這使得復(fù)雜載荷譜對應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)無法通過簡單縮放單位載荷結(jié)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(yù)計(jì)算一組有限元解，建立載荷與響應(yīng)之間的非線性映射關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜載荷歷程的高效分析。這種方法在保證計(jì)算精度的同時，能夠顯著減少必要的有限元仿真計(jì)算量，提升分析效率。
展開 疲勞通常指反復(fù)施加循環(huán)載荷(遠(yuǎn)小于材料的屈服應(yīng)力極限)而引起的一種材料弱化過程。實(shí)際服役過程中約90%金屬構(gòu)件的失效均由疲勞斷裂引起，其原因是材料在循環(huán)加載過程中微觀結(jié)構(gòu)不斷變化、遭受嚴(yán)重且不可逆轉(zhuǎn)的累積損傷，從而導(dǎo)致材料循環(huán)硬化或軟化直至最終失效。金屬材料的非穩(wěn)定循環(huán)響應(yīng)及疲勞壽命強(qiáng)烈依賴于其疲勞歷史，實(shí)際復(fù)雜循環(huán)載荷服役條件下金屬構(gòu)件的疲勞失效和壽命預(yù)測更加困難。因此，抗疲勞損傷材料發(fā)展的重大瓶頸問題就是如何減小或抑制循環(huán)變形過程中微觀結(jié)構(gòu)局域化和不可逆損傷。
最近，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家(聯(lián)合)實(shí)驗(yàn)室盧磊研究員研究組和美國布朗大學(xué)高華健教授研究組合作在這一領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。他們發(fā)現(xiàn)具有晶體學(xué)對稱結(jié)構(gòu)的納米孿晶金屬不但具有循環(huán)穩(wěn)定響應(yīng)而且疲勞累計(jì)損傷非常有限。這種具有獨(dú)特的穩(wěn)定循環(huán)響應(yīng)特征和有限累計(jì)損傷的納米結(jié)構(gòu)為發(fā)展抗疲勞損傷的高性能工程金屬材料提供了新思路。該成果發(fā)表在《Nature》（2017年10月30日在線）。
論文鏈接：
https://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/pdf/nature24266.pdf
研究人員利用直流電解沉積技術(shù)成功制備了塊體擇優(yōu)取向納米孿晶純銅樣品。通過傳統(tǒng)拉-壓變幅應(yīng)變控制疲勞實(shí)驗(yàn)研究了該樣品的相關(guān)循環(huán)應(yīng)力響應(yīng), 發(fā)現(xiàn)在恒定應(yīng)變幅下，其應(yīng)力響應(yīng)迅速穩(wěn)定（既不硬化也不軟化）；尤為重要的是，當(dāng)應(yīng)變幅階梯式遞進(jìn)增加以及隨后階梯式遞進(jìn)減小時，該樣品的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)完全可逆，即當(dāng)應(yīng)變幅恒定時，應(yīng)力和應(yīng)變具有一一對應(yīng)關(guān)系，且循環(huán)滯后環(huán)完全重合（圖1）。
圖1. 納米孿晶Cu與歷史無關(guān)的穩(wěn)定循環(huán)響應(yīng)行為。
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金屬疲勞分析的最新內(nèi)容
研討會簡介：
車燈在路面顛簸、發(fā)動機(jī)激勵下易出現(xiàn)支架斷裂、焊點(diǎn)疲勞等問題，是汽車可靠性開發(fā)的重點(diǎn)。本次 ANSYS 車燈振動疲勞分析研討會，圍繞輸入數(shù)據(jù)規(guī)范、核心分析方法、仿真結(jié)果解讀及工程優(yōu)化建議四大模塊展開教學(xué)，幫助工程師快速掌握從數(shù)據(jù)準(zhǔn)備到方案迭代的全流程仿真技能，高效解決車燈振動疲勞失效難題。
適合人群:
汽車車燈、電子電器行業(yè)的結(jié)構(gòu)仿真工程師、可靠性工程師
挑戰(zhàn)一
平均應(yīng)力效應(yīng)的準(zhǔn)確評估
01
PART
在金屬疲勞分析中，拉伸平均應(yīng)力通常會對材料壽命產(chǎn)生不利影響。然而，橡膠材料的響應(yīng)則更為復(fù)雜：對于能夠發(fā)生應(yīng)變誘導(dǎo)結(jié)晶的橡膠，適當(dāng)?shù)钠骄鞈?yīng)變反而可能顯著延長其疲勞壽命，提升幅度可達(dá)幾個數(shù)量級；而對于非結(jié)晶橡膠，平均應(yīng)變的影響則與金屬類似，表現(xiàn)為導(dǎo)致產(chǎn)品壽命的降低。
概述：
本文將對一個壓力容器進(jìn)行等幅疲勞分析。該壓力容器同時承受壓力及熱載荷。本文將學(xué)習(xí)如何定義主導(dǎo)疲勞損壞的S-N曲線，并討論多個載荷事件的交互。此外，本文還將介紹如何正確的解釋疲勞結(jié)果。
項(xiàng)目描述：
材料為“7075-T6(SN)鋁合金”的壓力容器將接受疲勞壽命的評估，它將同時承受等幅的應(yīng)力和熱應(yīng)力載荷。壓力載荷在0.066~3.3Mpa之間波動，
問題在最后一張圖，如圖一進(jìn)入ncode打開Edit Material Map，默認(rèn)進(jìn)入的材料類型是SN R-ratio multi-curve，Material Group共有482個圖3（1-482），但到307后有個Default Material（圖2）…
全文速讀：
在不同應(yīng)變速率下對鑄鐵和鑄鋁圓棒試樣進(jìn)行了單軸高速拉伸試驗(yàn)，研究了它們的動態(tài)力學(xué)性能及斷裂情況，分析了相關(guān)因素對試驗(yàn)的影響。結(jié)果表明：測試應(yīng)變、應(yīng)力的方法，試樣標(biāo)距長度及夾持端長度等對試驗(yàn)準(zhǔn)確性和曲線振蕩程度有較大影響；使用比剛度和比強(qiáng)度高的夾具、短標(biāo)距試樣、應(yīng)變片測試應(yīng)力、兩臺相機(jī)測試應(yīng)變、適當(dāng)增加夾持端長度可以提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。
工程上對金屬材料的拉伸試驗(yàn)通常要求應(yīng)變速率在
結(jié)構(gòu)力學(xué)分析（靜力/動力/疲勞）、多體系統(tǒng)仿真（MBD）、鑄造/成型過程模擬是一個非常經(jīng)典且覆蓋面廣的工業(yè)仿真問題，涵蓋了機(jī)械、材料和制造工程的核心領(lǐng)域。作為UltraLAB圖形工作站的廠商，深入理解這些算法的計(jì)算特性，是為客戶提供精準(zhǔn)、高效硬件配置方案的基礎(chǔ)。
我將為您逐一解析這三大仿真領(lǐng)域。
核心結(jié)論速覽表
培訓(xùn)日程：
培訓(xùn)時間：9月25-26日
培訓(xùn)地點(diǎn)：騰訊會議在線
面向人群：針對具有CAE應(yīng)用基礎(chǔ)，欲進(jìn)行疲勞分析的工程技術(shù)人員
培訓(xùn)目標(biāo)：
?了解CAEfatigue的功能；
?使用CAEfatigue進(jìn)行疲勞分析的過程、參數(shù)設(shè)置以及軟件操作方法和技巧；
?使用CAEfatigue進(jìn)行實(shí)際工程結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的疲勞壽命分析。
培訓(xùn)費(fèi)用：培訓(xùn)免費(fèi)，上機(jī)培訓(xùn)參加請自帶電腦
電池包是新能源汽車的關(guān)鍵零部件，其耐久性影響著新能源汽車整體的可靠性，按照國標(biāo)GB/T31467.3-7.1振中的要求，電池包需要在振動試驗(yàn)臺上進(jìn)行三個方向上疲勞耐久，測試從Z軸開始，然后是Y軸，最后是X軸。每個方向的測試時間是21個小時。
本文基于某車型動力電池包，使用
Hypermesh-Optistruct-Ncode聯(lián)合仿真分析手段，進(jìn)行隨機(jī)振動疲勞分析。按照振動臺架邊界條件進(jìn)行工況設(shè)置
9月3日，天安門廣場上將再次迎來莊嚴(yán)的閱兵儀式。當(dāng)一輛輛戰(zhàn)車以整齊劃一的隊(duì)形駛過長安街，我們看到的不僅是國家強(qiáng)大的國防力量，更是一代代科技工作者默默耕耘的成果。
在這些鋼鐵巨獸的背后，有許多不為人知的技術(shù)難題需要攻克。其中，坦克履帶的橡膠掛膠疲勞問題，就是影響裝備可靠性的關(guān)鍵因素之一。
技術(shù)突破：從實(shí)驗(yàn)室到實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用
美軍M1A1主戰(zhàn)坦克曾面臨同樣的難題——履帶掛膠在復(fù)雜工況下容易出現(xiàn)疲勞開裂
在金屬疲勞分析中，假設(shè)裂紋總是垂直于最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展，而這對于橡膠來說并不總是正確的，特別是在涉及應(yīng)變結(jié)晶和非松弛載荷的情況下。因此，對于橡膠疲勞分析，需要使用臨界平面分析方法[5]，通過計(jì)算材料單元在多個潛在疲勞開裂面上的疲勞壽命，找出其中具有最短壽命的裂紋平面，將其確定為最危險的開裂面。
圖4顯示了疲勞壽命和臨界平面方向?qū)?yīng)變幅度和平均應(yīng)變的依賴性。
