機械疲勞的案例
熱-機械疲勞分析模塊，Fe-safe/TMF?
熱-機械疲勞分析模塊，Fe-safe/TMF?
1、概述
考慮浮動溫度和應力對結構的共同影響，提供快速精確的疲勞壽命分析?？梢钥紤]應變率和瞬態溫度對循環應力-應變響應的影響，也可以考慮瞬態溫度對應變-壽命曲線的影響，以及考慮在每個循環中的應力和溫度的相位關系的影響，支持體積應力放寬，該模塊還可以計算應變老化對疲勞強度的影響。
對于組件同時遭受溫度和應力交變載荷作用的組件，fe-safe/TMF?是一個理想疲勞分析模塊，例如實現以下組件的熱-機械疲勞分析：
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活塞；
?
排氣管；
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汽缸蓋；
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與蠕變疲勞交互作用不顯著的組件。
2、功能介紹
當存在應力和溫度波動時，產生熱-機械疲勞：
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包含時間相關的熱-結構疲勞效應（應變率、相位關系、浸濕以及應力松弛等）；
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相比傳統方法可以得到更可靠和準確的疲勞結果；
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支持主應變以及鑄鐵算法；
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允許高頻機械載荷循環疊加在熱載荷循環上。
3、案例分析
（1）活塞疲勞裂紋
其中，第一幅圖是活塞實際的裂紋破壞情況，詳細反映了疲勞裂紋的位置，初始裂紋位置等信息；第三幅圖是疲勞斷面的形狀；第二幅圖是用Fe-safe熱機械疲勞模塊進行疲勞分析后得到的壽命云紋圖，參照第一幅圖裂紋的位置和形狀，可以看出，通過Fe-safe熱-機械疲勞模塊對活塞進行疲勞分析，可以準確地得到初始裂紋的位置等信息，對產品的設計與優化起到非常大的指導作用。
展開 機械疲勞與可靠性設計
書名：機械疲勞與可靠性設計
書號：ISBN 7-03-017831-9
單位：科學出版社
作者：李舜酩編著
分類：工業技術
單價：22 元
出版日期：2006-08-01
目 錄
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序
前言
第1章緒論
第2章材料的疲勞強度
第3章影響機械零件疲勞強度的因素
第4章無限壽命設計法
第5章名義應力有限壽命設計法
第6章局部應力應變分析法
第7章損傷容限設計
第8章疲勞強度的可靠性設計
第9章特殊載荷與環境下的疲勞強度
參考文獻
附錄
資源共享---ANSYS 在BGA組件機械疲勞分析中的應用
隨著便攜式產品尺寸的日趨縮小，集成電路板變得越來越薄，機械彎曲對集成電路板上BGA組件的影響也越來越顯著。對無鉛焊料和無鹵素板的BGA組件機械疲勞問題的研究就成為工程師們關注的重點。有限元分析（FEA）提供了一個強有力的工具。它能幫助工程師找到BGA組件在機械彎曲時最危險的部位。本文利用ANSYS有限元分析工具對無鉛焊料的BGA組件在無鹵素板上的機械彎曲疲勞可靠性做了研究。詳細介紹了建立3D 1/8 的對稱模型的建立，及無鉛焊料多線性等向強化的塑性材料特性的應用。用ANSYS計算出了在外力作用下，發生在BGA上的最大塑性應變和最大塑性應變發生的位置。ANSYS分析的結果，很好地解釋了實驗結果。它的應用大大降低了研究的費用，縮短了研發的周期。
http://www.caenet.cn/paper/Paper.aspx?ID=338
展開 旋轉對稱機械疲勞分析模塊Fe-safe/Rotate?
旋轉對稱機械疲勞分析模塊Fe-safe/Rotate?
1、模塊介紹
Fe-safe/Rotate?是fe-safe?基于旋轉對稱模型分析的附加模塊?？梢圆捎幂S對稱模型加速旋轉部件的FEA和疲勞分析。該模塊用于提供旋轉部件的，來自于單個靜態FE分析的完整周期的載荷定義。由單個載荷分析步，Fe-safe/Rotate?產生一系列的附加應力結果，就好像模型已經通過一系列不同方向旋轉（或被周圍旋轉的負載模型）。
Fe-safe/Rotate?是實現采用軸對稱結構有限元模型疲勞分析的理想工具，例如：輪轂、齒輪、軸承和轉軸等，同時也支持具有軸對程模型的單個組件，如凸輪的中心、曲軸的法蘭等。
2、功能介紹
●只需一個靜態有限元分析就可定義一個旋轉周期的疲勞；
●以一個載荷步為基礎，Fe-safe/Rotate?產生一系列的額外應力結果，就像該模型被旋轉一樣。
3、案例應用
Fe-safe/Rotate?自動生成疲勞載荷定義。這由一系列描述旋轉，包含中間負荷（如果必要，由FE分析結果生成）的載荷分析步組成。疲勞載荷定義可以做必要的修改，例如包含縮放比例信息。如果希望的旋轉增量小于軸對稱模型的角度，Fe-safe/Rotate?可以指示要考慮多個解決方案。每一個解決方案利用組件的軸對稱模型，需要單個靜態FE分析以便定義一個完整的旋轉載荷。
展開 
機械零件疲勞強度計算
1.疲勞強度的基本概念
機械零件在工作時，往往受到力的作用。若強度不足，則可能引起零件斷裂或過度塑性變形等失效。因此，強度條件是設計機械零件時必須滿足的設計準則。通用機械零件的強度計算分為靜應力強度和變應力強度兩個范疇。應力按其隨時間變化的特性不同，可分為靜應力和變應力，應力的大小和方向不隨時間變化或變化緩慢的應力稱為靜應力；隨時間變化較為明顯的稱為變應力。在靜應力作用下的零件，可以根據材料力學的知識進行靜強度條件設計；在變應力作用下的零件，應按疲勞強度條件設計。
1.1.應力循環特性
具有周期性的變應力稱為循環變應力，否則稱為隨機變應力。循環變應力分為穩定循環變應力和規律性不穩定循環變應力兩種。穩定循環變應力又有三種基本類型：對稱循環變應力、脈動循環變應力和一般循環變應力。
變應力特性可用最大應力σmax、最小應力σmin、平均應力σm、應力幅σa和應力比r（應力循環特性系數）5個基本參數來描述。
其中，σmax和σmin分別表示最大和最小應力（正應力）。
1）對于對稱循環變應力，σm=0，σmax=σa=-σmin，r=-1；
2）對于脈動循環變應力，σm=σa，σmin=0，r=0；
3）對于靜應力，σa=0，σmax=σmin=σm，r=1。
在這些循環變應力中，對稱循環變應力對機械零件的破壞力最大。
1.2.材料的疲勞特性
在變應力作用下，機械零件的主要失效形式是疲勞斷裂。疲勞斷裂是與應力循環次數有關的斷裂。
疲勞失效往往是在沒有明顯預兆的情況下突然發生的，因此常常造成嚴重的事故。據統計，飛機、車輛和機器中發生的事故有很大比例是疲勞失效造成的。因此，對于在變應力作用下的零件進行疲勞強度計算是非常必要的。
展開 實用疲勞理論入門介紹
靜力破壞的抗力主要取決于材料本身；而疲勞破壞的抗力與材料的組成、構件的形狀或尺寸、表面狀況、使用條件以及外界環境都有關系。
二、疲勞分類：
1、機械疲勞：外加應力或應變波動造成的機械疲勞
2、蠕變疲勞：循環載荷同高溫聯合作用引起的
3、熱機械疲勞：循環受載部件的溫度也變動時引入的熱機械疲勞（即熱疲勞與機械疲勞的組合）
4、腐蝕疲勞：存在侵蝕性化學介質或致脆介質的環境中施加反復載荷時產生的
5、滾動接觸疲勞：載荷的反復作用與材料之間的滾動接觸相結合產生的
6、微動疲勞：脈動應力與表面間的來回相對運動和摩擦滑動共同作用產生的
三、疲勞壽命
1、許用應力
許用應力是機械設計中允許零件或構件承受的最大應力值，要判定零件或構件受載后的工作應力過高或過低，需要預先確定一個衡量的標準，這個標準就是許用應力。許用應力等于考慮各種影響因素后經適當修正的材料失效應力除以安全系數。靜強度設計中塑性材料以屈服極限作為失效應力，脆性材料以強度極限作為失效應力。
2、疲勞壽命
材料在疲勞破壞前所經歷的應力循環數稱為疲勞壽命。
常規疲勞強度計算是以名義應力為基礎的，可分為無限壽命計算和有限壽命計算。零件的疲勞壽命與零件的應力、應變水平有關，它們之間的關系可以用應力-壽命曲線（σ-N曲線）和應變-壽命曲線（δ-Ν曲線）表示。應力-壽命曲線和應變-壽命曲線，統稱為S-N曲線。
在疲勞試驗中，實際零件尺寸和表面狀態與試樣有差異，常存在由圓角、鍵槽等引起的應力集中，所以，在使用時必須引入應力集中系數K、尺寸系數ε和表面系數β。
3、循環應力的特性
循環應力的特性用最小應力σmin與最大應力σmax的比值r=σmin/σmax表示，r稱為循環特征。對應于不同循環特征，有不同的S-N曲線、疲勞極限和條件疲勞極限。
展開 【CAE案例】化石燃料發電廠歧管的疲勞蠕變損傷分析
圖4 冷沖擊結束后的溫度場（℃）
圖5 冷沖擊結束后的應力分布
使用IMPR_TABLE功能以表格的形式輸出關鍵部位上的累積塑性形變結果，將兩種設計的歧管的累積塑性形變進行對比，降溫瞬態下的塑性變形結果如圖6所示，與原本設計相比，壁厚更薄的歧管疲勞損傷更小，厚度減少20%的設計，其使用壽命增加約43%，疲勞損傷計算結果見表1。在以后的計算中將考慮包括蠕變造成的損害。為此，將之前計算的結果用于所研究的兩種設計，以確定蠕變損傷情況。最終使用疲勞-蠕變相互作用的非線性模型可以在一定的可信度下評估歧管受到該典型負載時的壽命。
圖6 減溫循環期間在塑性最大應力的高斯積分點處累積塑性變形（%）
表1 疲勞損傷計算(Manson-Coffin曲線)
04 總結
在通用結構仿真軟件中使用VISC_CIN2_CHAB定義的新粘彈塑性行為模型可對部件機械疲勞與蠕變行為進行模擬，從而對其壽命進行預測，為將來重要部件的設計與日常維護提供了新方法。本次模擬結果表明可以通過降低歧管壁厚的方法降低因冷沖擊帶來的機械疲勞現象。
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展開 CAE小記丨常用的機械疲勞壽命評估分析方法
但是機械系統的可靠性研究還很不成熟，況且用可靠性設計的方法也不能解決疲勞剩余壽命評估的問題。
G
概率斷裂力學
斷裂力學是基于確定性參數的估算方法。概率斷裂力學是將斷裂力學中裂紋尺寸、斷裂韌性、應力強度因子、裂紋擴展速率等參數作為隨機變量，進行可靠性分析。這樣就提高了斷裂力學工程分析方法的可靠性。但該種方法存在一定的缺陷：
一是其涉及到隨機變量和隨機數目前主要采用正態分布、三參數威布爾分布來產生，顯然不足以完全反映實際情況；
二是試驗數據不足。
故這種方法在實際應用中受到了一定的限制。
目前也有人利用模糊數學和統計模擬的方法對金屬結構的技術狀態進行綜合評價，并在此基礎上推算它的剩余壽命。這些方法是否可靠，不僅取決于數學方法，還取決于人的主觀因素。
H
金屬結構疲勞壽命評估理論基礎
試驗上側重于研究選擇適合于工程的金屬結構實際測量的方法，找到應用于實際的判斷依據，從而正確地評價其壽命。利用計算機的虛擬技術，提高對實測數據的處理，建立金屬結構件的專家系統，評定金屬結構的疲勞剩余壽命和其余的技術指標，進而研究金屬結構的設計、制造和技術改造等的人工智能系統。
展開 機械結構疲勞分析方法及應用
在某點或某些點承受擾動應力，并且在足夠多的循環擾動作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中發生的局部的、永久結構變化的發展過程，稱為疲勞。所以，可以確定對結構進行疲勞設計的兩個必要條件：擾動應力、足夠多的循環。如果，不具備這兩個條件，設計過程中就沒有必要考慮結構的疲勞問題。
目前，對結構進行疲勞分析主要有兩種途徑：
利用有限元分析軟件直接對結構進行疲勞分析，最終求得結構的疲勞壽命；
根據不同的疲勞工況，利用有限元軟件分析計算出結構應力的變化，然后將其與利用規范計算出的許用疲勞應力相比較，看是否滿足要求。
對于前者，最為關鍵的是定義輸入載荷譜或應力譜，而當結構的工況相對較為復雜時，載荷譜或應力譜的定義過程就相當于后者的前期處理過程；同時，客戶一般會在協議中指定結構設計計算時必須參考的標準規范，所以為了更好地滿足客戶的需求，建議結構疲勞計算時采用后者的方法。
根據標準規范對結構進行疲勞分析時，一般包括以下五個方面：
1
疲勞載荷的確定
結構所承受的載荷可以分為三種：
基本載荷，主要指設備在正常工作情況下通常出現的載荷（如結構自重、物料載荷、永久性動載等）；
附加載荷，主要指設備運行或停止時可能斷續出現的載荷（如設備工作風載、摩擦阻力、運行阻力、非永久性動載等）；
特殊載荷，是指在設備工作和非工作狀態時不應產生，但又無法避免的載荷（如非工作風載、結構碰撞、地震載荷等）。
疲勞計算時只需考慮基本載荷，而且對于物料載荷或其它的基本載荷，有的標準規范中還規定了疲勞計算時載荷的縮小系數。
展開 常用的機械疲勞分析方法有哪幾種
該方法將疲勞斷裂過程分為三個階段：
一是構件在交變力作用下產生初始裂紋（初始裂紋定義至今仍無統一標準，習慣上為0.5-1mm）；
二是裂紋開始擴展，以致產生較大宏觀裂紋；
三是裂紋急劇擴展，迅速導致破壞，它的壽命往往很短，稱瞬間斷裂壽命，工程上不予考察。
按裂紋產生的時間，又可將第一階段定義為始裂壽命，第二階段定義為裂紋擴展壽命（習慣上稱剩余壽命）。對壽命的度量一般以經歷的循環荷載的次數來表示。該理論認為，疲勞極限是客觀存在的，也就是說，當構件承受的循環荷載幅值小于該構件材料的疲勞極限時，該構件不可能因產生裂紋導致破壞，即從疲勞壽命角度考察其壽命是無限的。此外疲勞壽命不僅與循環載荷幅值和材料物理、化學特性有關，還與載荷的變化頻率有關，故疲勞壽命有高周疲勞與低周疲勞之分。
前述名義應力法、局部應力一應變法等均是研究始裂壽命。而剩余壽命的研究，則較復雜。目前是一個熱點問題，工程界尚未提出普遍接受的評估手段。
近年來，斷裂力學理論得到了長足的發展，但是它還很不完善，斷裂失效的機理還不是十分清楚，所以要應用該理論得出簡單而準確可靠的疲勞壽命預測計算式還有待時日。
6.
可靠性設計方法
可靠性設計方法是應用可靠性理論和設計參數的統計數據，在給定的可靠性指標下，對零部件、設備或系統進行的設計。其目的是發現和確定產品存在的隱患和薄弱環節，通過預防和改進，提高產品的固有可靠性。但是機械系統的可靠性研究還很不成熟，況且用可靠性設計的方法也不能解決疲勞剩余壽命評估的問題。
7.
展開 工程機械與高端設備行業噪聲、疲勞耐久實例（視頻下載）
數字孿生技術及解決方案在工程機械裝備行業振動噪聲及疲勞耐久測試領域的典型應用
現今的消費者要求日趨嚴苛，工程機械與高端裝備行業的客戶都期望能獲得廣泛的模型選擇、更高的燃油經濟性、卓越的振動噪聲性能、極致的舒適性、更高的里程數和更長的產品壽命。秉承這一系列愿望的思維模式，不容在振動噪聲、耐久性、安全性方面有半點含糊。
在殘酷的全球市場競爭壓力下，工程機械與高端裝備公司只有開發出滿足或超出消費者期望的新產品才能贏得競爭。西門子開發的一系列解決方案，能夠幫助不同行業的各個企業在其特定市場中建立真正的競爭優勢。例如：通過控制高速復雜機器的共振以保證穩定的生產質量；在不影響操作安全的情況下獲得最大的疲勞壽命和最小的噪聲輻射；幫助新開發的機器符合安全法規和環保要求等。無論是緊張的開發日程、或是嚴格的質量或安全標準所帶來的問題，我們都能為所有制造業提供可靠的試驗解決方案。
本次課程中將介紹西門子解決方案在工程機械與高端裝備行業振動噪聲與疲勞測試的相關技術特點及典型應用。主要內容包括：
工程機械與高端裝備行業主要噪聲問題及面臨的挑戰
西門子振動噪聲試驗解決方案介紹
工程機械與高端裝備行業振動噪聲問題解決案例
西門子疲勞耐久試驗解決方案介紹
工程機械與高端裝備行業疲勞耐久問題解決案例
劉偉
西門子數字化工業軟件高級顧問
吉林大學車輛工程專業博士
北京理工大學電動汽車博士后
點擊獲取完整視頻：http://jishulink555.mikecrm.com/Ugvb5iT
點擊獲取完整視頻：http://jishulink555.mikecrm.com/Ugvb5iT
展開 
橡膠制品的動態疲勞及配方設計方案
繼續疲勞，網格密度反又増大，它的增大與填科的補強性及填充量有正比關系，這是由于疲勞作用，促使靠近炭黑粒子的大分子，向炭黑粒子表面上轉移，凝結于炭黑粒子表面上，以致増大炭黑粒子表面橡膠層的厚度和密度，即提高了大分子與炭黑粒子所形成的網格密度。補強性差的填料，疲勞過程，這種現象很不明顯。
總之，填充硫化膠的疲勞過程，在機械力和熱的作用下，促使填料粒子表面稠密橡膠層增厚，且使靠近橡膠層附近的大分子的弱結合，陸續得到破壞。結果，整個體系愈趨非均質化，最后終于全面的惡化橡膠的物理機械性能。
橡膠疲勞形變儲能
橡膠的疲勞壽命與疲勞形變的儲能有密切關系。橡膠疲勞實驗時,有時對試樣事先割口,記錄切口增長一定程度,所需疲勞形變次數,做為衡量疲勞壽命的尺度。當橡膠試樣厚度h,小切口長度c與切口試樣伸長形變的儲能W有以下關系:
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展開 跨越行業邊界：機械、汽車、電子產品的疲勞耐久測試差異與定制化方案解析
在產品研發與質量驗證領域，疲勞耐久測試是評估產品壽命、可靠性與安全性的關鍵環節。它通過模擬產品在實際使用中經歷的循環載荷、環境應力，來“預演”其生命周期內的老化與失效過程。然而，不同行業的產品，其使用場景、失效機理和性能要求天差地別，這意味著“一刀切”的測試方法遠不能滿足需求。
一、 核心差異：測試目標、載荷與環境大不同
1、機械行業：追求結構強度與服役壽命
測試焦點： 機械產品（如工程機械、風電軸承、大型結構件）的核心在于承受巨大的靜、動態力學載荷。測試主要關注結構疲勞，即材料在循環應力下產生裂紋并擴展直至斷裂的過程。
載荷類型： 以高幅度、低頻率的力與力矩為主。例如，挖掘機的動臂需要模擬數千次挖掘循環，風力發電機的葉片需要承受數億次的風載波動。
環境模擬： 側重于戶外惡劣環境，如溫度交變、濕度、鹽霧腐蝕等，這些環境因素會與機械載荷耦合，顯著加速材料疲勞（即腐蝕疲勞）。
定制化關鍵： 測試方案的核心是精確復現實際工況載荷譜。需要基于現場數據采集，構建高度逼真的載荷-時間序列，并在伺服液壓試驗系統上實現多通道協同加載，以驗證整個結構件的整體壽命。
2、汽車行業：綜合耐久性與駕乘體驗并重
測試焦點： 汽車測試是極度復雜的系統工程，涵蓋結構耐久（底盤、車身）、零部件壽命（發動機、變速箱）以及性能耐久（異響、振動平順性NVH）。它不僅關心“會不會壞”，還關心“好不好用”。
載荷類型： 極其復雜多樣。包括來自路面的隨機振動（模擬各種路況）、關鍵部件的機械運動（如轉向器、懸架上下萬次的運動）、以及溫度、濕度綜合影響。
環境模擬： 高度依賴環境倉，可在實驗室內模擬從極寒到酷暑的全天候條件，并結合道路模擬機（臺架試驗）進行24小時不間斷的加速耐久測試，以替代昂貴的實車路試。
展開 金屬頂刊《Acta Materialia》：形狀記憶合金的疲勞裂紋擴展行為！
通過積分已實現將結構材料的疲勞裂紋擴展速率擬合至Paris型冪律表達式中。
圖1Ni50.3Ti29.7Hf20高溫形狀記憶合金的BSE圖像和氧化物顆粒的大小分布
圖2Ni50.3Ti29.7Hf20高溫形狀記憶合金進行550℃×3h熱處理后的TEM圖
圖3 NiTiHf DCT試件在180℃時機械疲勞裂紋擴展的?J與da/dN關系圖
在本文實驗中證實該式可擬合來自所有實驗的疲勞裂紋擴展率數據并可使用同一組參數，冪律指數m約為2.2。疲勞斷口分析表明，機械裂紋擴展和驅動裂紋擴展均為準解理斷裂，表面氧化鉿的頻繁存在對裂紋擴展抗力產生了惡化作用。所獲得的結果表明，單一的經驗冪律表達式可以在廣泛的加載條件和幾何構型中實現所需的相似性，從而提供形狀記憶合金熱機械疲勞的統一描述，從而估算驅動力。
圖4180℃機械疲勞裂紋擴展實驗后NiTiHf DCT試樣斷口的SEM圖像
圖5 NiTiHf DCT試樣在250 N恒偏置載荷下驅動疲勞裂紋擴展實驗后的斷口SEM圖像
總的來說，本文首次對富鎳NiTiHf高溫形狀記憶合金進行了純機械和驅動疲勞裂紋擴展實驗?；谘h積分，提出了一種Paris型冪律裂紋擴展表達式，用于擬合各實驗單參數下的疲勞裂紋擴展速率。本文為形狀記憶合金的設計和疲勞預測提供了理論依據。（文：破風）
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展開 Fe-safe振動疲勞解決方案
SIMULIA/FE-SAFE一直是多軸疲勞分析解決方案的領導者，算法先進，功能全面細致，是世界公認精度最高的疲勞分析軟件。
在產品設計階段使用SIMULIA FE-SAFE，可在物理樣機制造之間進行疲勞分析和優化設計，真實的預測產品的壽命，實現等壽命周期設計。設計階段的耐久向分析可以顯著縮短產品推向市場的時間、提高產品可靠性，極大地降低制造物理樣機和進行耐久性試驗所帶來的巨額研發費用。SIMULIA /FE-SAFE耐久性分析技術客觀反應于空間站、飛機發動機到汽車、火車；從空調、洗衣機等家電產品到電子通訊系統；從艦船到石化設備；從內燃機、核能、電站設備到通用機械等各個領域。
基于有限元分析的疲勞技術，實現了產品設計→CAE仿真→疲勞設計→重設計的現代設計研發流程，使疲勞設計更加高效快速和經濟實用。
SIMULIA/FE-SAFE具有完整的材料庫、靈活多變的載荷譜定義方法、實用的疲勞信號采集與分析處理功能以及豐富先進的疲勞算法，完整的輸出疲勞結果。此外，針對不同的工況和行業，還有豐富的產品和功能模塊，包括通用疲勞耐久性分析模塊Fe-safe?、復合材料疲勞分析模塊Fe-safe/Composite?、旋轉對稱機械疲勞分析模塊Fe-safe/Rotate?、橡膠材料疲勞分析模塊Fe-safe/Rubber?、熱-機械疲勞分析模塊Fe-safe/TMF?、原位加載實測分析模塊Fe-safe/Ture-Load?、疲勞與蠕變疲勞交互分析模塊Fe-safe/TURBOlife?、疲勞分析和信號處理模塊Safe4fatigue、焊接接頭疲勞分析模塊Verity in Fe-safe。
針對工程上存在很多的振動疲勞問題，可以在通用模塊Fe-safeTM得到很好的解決。
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