循環應力
關注創建者：匿名 創建時間：2022-01-21
循環應力的視頻教程
爆炸-地應力卸載耦合循環掘進模擬
本視頻采用等效爆炸荷載法+重啟動技術進行隧道開挖模擬，視頻中主要講解了地應力的施加方式、爆炸-地應力卸載耦合模擬方法，并講解了基于爆炸-卸荷K文件進行修改成僅考慮爆炸荷載的方法，最后對爆炸-卸荷以及僅爆破計算結果進行了對比分析，附帶所有k文件供參考，可以在pc端下載。
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地應力下單孔循環爆破
本視頻將完全重啟動技術和地應力結合，模擬深部巖石單孔的循環爆破過程。本視頻基于主頁中展示的之前錄制的“地應力對巖石破裂的影響”案例實現單孔循環爆破，視頻中4-9即為主頁中展示的“地應力對巖石破裂的影響”案例，10-14為“完全重啟動技術實現單孔循環爆破”案例。
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ABAQUS-拉壓循環載荷試驗模擬
本案例基于ABAQUS/Standard模擬了2D拉伸試樣拉壓在位移控制載荷下10個循環的過程。采用CAX4R單元，材料定義了彈性，塑性及Combined 塑性硬化參數，試樣上端耦合和參考點施加0.45的非對稱位移循環載荷，輸出參考點的力-位移循環曲線，應力應變云圖及相關曲線。
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循環應力的實例教程
與傳統合金相比，在循環載荷下展現出獨特的位錯運動行為和損傷累積機制，為開發新型抗疲勞材料提供了廣闊的研究空間。疲勞失效是工程結構件的主要破壞形式之一，通常由循環應力（如正弦波載荷）作用下的微觀缺陷（如位錯聚集、裂紋萌生與擴展）逐漸累積所致。分子動力學（MD）模擬能夠在原子尺度揭示高熵合金在循環載荷下的微觀過程，為理解其抗疲勞機理提供重要依據。然而，目前針對高熵合金在正弦波循環應力下的MD研究仍較為有限，尤其是不同成分、溫度及加載頻率對疲勞行為的影響仍需深入探索。本研究擬通過分子動力學模擬，對其開展研究。
1：建立長寬高均為150埃米的正方形盒子，在內部填充Ni、Fe、Cr三種原子：
建立的模型如下圖所示：
初始模型在NPT系綜平衡后，在溫度為800K、周期為50ps，拉伸速率以正弦函數變化，最大拉伸速率為0.05s-1的條件下，使用loop命令循環10次，使用 fix 3 all deform 100 x erate ${speed} remap x units box命令，在x方向進行拉伸。
在lammps中拉伸的命令設置如下
模擬結束之后，在origin中畫出x方向應變隨時間的變化情況：從圖中可以看出應變符合正弦函數。
2：在上述條件下，將正弦函數可調整為三角形，同樣拉伸10次結果下圖所示，同樣驗證良好。
本次模擬主要更改了應變的函數形式，溫度，拉伸頻率，周期都是固定的，后續可通過更改參數，進行更廣泛的研究，如峰值，循環次數，合金成分以及尺寸的影響，也可進一步增加缺陷，探究缺陷對拉伸的影響。
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展開 交變載荷又稱為循環載荷，是最為簡單和基本的疲勞載荷形式。所研究結構部位因交變載荷引起的應力稱為交變應力。
圖1-1（a）是一個典型的交變應力-時間的變化歷程。圖中循環應力的大小和正負方（拉壓）向隨著時間的變化而作周期性的變化。一個周期的應力變化過程稱為一個應力循環。應力循環特點可用循環中的最大應力σmax、最小應力σmin和周期T（或頻率f=1/T）來描述。因為最大應力和最小應力的絕對值相等而正負號相反，故稱這種交變載荷為對稱循環應力。典型的循環載荷如圓軸類桿件的旋轉彎曲、軸向拉壓和平板零件的雙向彎曲等，都可以在零件的表面或內部產生這樣的交變應力。另外，軸類零件的雙向扭轉也可以產生類似的交變應力。
在疲勞載荷的描述中經常使用應力幅σa和應力范圍△σ（也稱為應力振幅、應力幅度）的概念，定義如下。
應力幅σa反映了交變應力在一個應力循環中變化大小的程度，它是使金屬構件發生疲勞破壞的根本原因。
當研究的部位除承受有動載荷外，還有靜載分量荷時，動靜載荷的共同作用下的應力-時間變化曲線如圖1-1（b）所示。此時的載荷時間-變化曲線相當于把圖1-1（a）的對稱循環應力曲線向上平移一個了靜應力分量。這種的循環載荷稱為不對稱循環載荷，并用最小應力與最大應力的比值R來描述循環應力的不對稱程度，R稱為應力比，有時又稱為不對稱系數，即
由定義可知，當R=-1時的循環應力即為對稱循環應力，當R≠0時統稱不對稱循環應力。其中，R=0時為拉伸脈動應力，R=-∞時為壓縮脈動循環。
循環應力中的靜載分量通常稱為平均應力，用σm表示，可由下式求出。
靜載分量或平均應力對構件的疲勞強度有一定的影響。
展開 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。
材料的抗疲勞性能是利用光滑小試樣在疲勞試驗機上進行測定的，即在材料的標準試件上施加一定循環特性的等幅變應力，通常是施加循環特性r=-1的對稱循環變應力或r=0的脈動循環變應力。
展開 曲線 S-N曲線中的S為應力（或應變）水平，N為疲勞壽命。S-N曲線是由試驗測定的 ，試樣采用標準試樣或實際零件、構件，在給定應力比γ的前提下進行，根據不同應力水平的試驗結果 ，以最大應力σmax或應力幅σa為縱坐標，疲勞壽命N為橫坐標繪制S-N曲線（圖2） 。當循環應力中的σmax小于某一極限值時，試樣可經受無限次應力循環而不產生疲勞破壞，該極限應力值就稱為疲勞極限，圖2中S-N曲線水平線段對應的縱坐標就是疲勞極限。而左邊斜線段上每一點的縱坐標為某一壽命下對應的應力極限值，稱為條件疲勞極限。 疲勞特征 零件 、構件的疲勞破壞可分為3個階段 ：①微觀裂紋階段。在循環加載下，由于物體的最高應力通常產生于表面或近表面區，該區存在的駐留滑移帶、晶界和夾雜，發展成為嚴重的應力集中點并首先形成微觀裂紋。此后，裂紋沿著與主應力約成45°角的最大剪應力方向擴展，裂紋長度大致在0.05毫米以內，發展成為宏觀裂紋。②宏觀裂紋擴展階段。裂紋基本上沿著與主應力垂直的方向擴展。③瞬時斷裂階段。當裂紋擴大到使物體殘存截面不足以抵抗外載荷時，物體就會在某一次加載下突然斷裂。對應于疲勞破壞的3個階段 ，在疲勞宏觀斷口上出現有疲勞源 、疲勞裂紋擴展和瞬時斷裂3個區（圖3）。疲勞源區通常面積很小，色澤光亮，是兩個斷裂面對磨造成的；疲勞裂紋擴展區通常比較平整，具有表征間隙加載、應力較大改變或裂紋擴展受阻等使裂紋擴展前沿相繼位置的休止線或海灘花樣；瞬斷區則具有靜載斷口的形貌，表面呈現較粗糙的顆粒狀。掃描和透射電子顯微術揭示了疲勞斷口的微觀特征，可觀察到擴展區中每一應力循環所遺留的疲勞輝紋。 疲勞壽命 在循環加載下 ，產生疲勞破壞所需應力或應變的循環次數。對零件、構件出現工程裂紋以前的疲勞壽命稱為裂紋形成壽命。工程裂紋指宏觀可見的或可檢的裂紋 ，其長度無統一規定 ，一般在0.2～1.0毫米范圍內 。
展開 變動應力：變動載荷在單位面積上的平均值
分為：規則周期變動應力和無規則隨機變動應力
3、循環載荷（應力）的表征
①最大循環應力：σmax
②最小循環應力：σmin
③平均應力： σm=（σmax +σmin）/2
④應力幅σa或應力范圍Δσ：Δσ=σmax-σmin σa=Δσ/2=（σmax-σmin）/2
⑤應力比（或稱循環應力特征系數）： r= σmin/σmax
4、循環應力分類
按平均應力、應力幅、應力比的不同，循環應力分為
① 對稱循環σm=（σmax + σmin）/2=0 r=-1
屬于此類的有：大多數旋轉軸類零件。
② 不對稱循環
σm≠0
如：發動機連桿、螺栓
（a）σa> σm>0，-1<r<0
（b）σa> 0，σm<0，r<-1
③ 脈動循環
σm=σa>0，r=0（σmin=0）如：齒輪的齒根、壓力容器。
σm=σa<0，r=∞（σmax=0）如：軸承（壓應力）
④ 波動循環
σm> σa 0<r<1 σmin>0 如：發動機氣缸蓋、螺栓。
⑤ 隨機變動應力
應力大小、方向隨機變化，無規律性。 如：汽車、飛機零件、輪船。
二、疲勞破壞的特點
在變動載荷作用下，材料薄弱區域，逐漸發生損傷，損傷累積到一定程度→產生裂紋，裂紋不斷擴展→失穩斷裂。
特點：從局部區域開始的損傷，不斷累積，最終引起整體破壞。
1、潛藏的突發性破壞，脆性斷裂（即使是塑性材料）。
2、屬低應力循環延時斷裂（滯后斷裂）。
3、對缺陷十分敏感（可加速疲勞進程）。
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試樣:
試驗過程:
交付結果示例：
05
Mullins效應表征
通過對試樣進行多次循環加-卸載，記錄首次與后續循環的應力響應差異，獲得應力軟化曲線。這些數據用于擬合Mullins模型參數，對模擬產品初次裝配剛度衰減、過載性能變化及準確生熱分析不可或缺。
工程價值
為Yeoh、Ogden等超彈性本構模型提供全面的擬合數據，并表征循環加載下的應力軟化行為，確保模型在復雜變形模式下的預測精度。
我司測試獲得的典型材料拉伸試驗應力應變曲線
核心疲勞性能與耐久性邊界
從斷裂力學與裂紋萌生兩個角度系統研究材料的疲勞發展歷程。
它可以在產品設計階段，就通過建立精準的有限元模型，模擬焊球在完整溫度循環過程中的應力-應變響應，計算累積蠕變應變能密度，再結合Coffin-Manson、Engelmaier或Darveaux等疲勞壽命模型，提前定量預測BGA焊球的溫循壽命。</p><p class="ql-align-justify">接下來，就以一個典型的大尺寸FCBGA為例，手把手帶你建立有限元模型，計算焊球的溫循壽命。
</p><p><span style="color: rgb(51, 112, 255);">? </span><strong>要求</strong>：需合理控制<span style="background-color: rgb(239, 240, 241);">N</span>的大小，以確保單個模擬循環內局部接觸應力分布變化不大
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微電子元件是冷卻系統中的一個關鍵鏈路。由于反復接通和斷開電源，微電子元件受
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到熱循環的作用，因此，焊點處出現裂紋，斷開了芯片與印刷電路板的連接，從而導
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工況1計算加載9000N的應力，工況2計算卸載后的應力，然后通過軟件定義SN Sequential fatigue，計算托架結構在該應力循環下的疲勞壽命。
它描述了結構在循環載荷下，應力水平（S） 與至失效的循環次數（N） 之間的關系。
常用數學表達式：
對公式兩邊取對數，得到線性方程：
使用最小二乘法對數據點進行線性回歸，擬合出最佳直線即可獲得S-N曲線。這條直線也叫中值S-N曲線。
recrystallization simulation》
文章doi：10.1016/j.jmst.2024.09.005
在這個文章中，作者提出了一種直接在 CPFEM 中實現 DRX/SRX 的方法，以位錯密度為核心變量，利用 UMAT 進行應力積分、在 UEXTERNALDB 中執行形核與晶界遷移，在 FE 網格上同步更新取向、位錯密度、等狀態變量，同一仿真中先熱壓縮（出現 DDRX 多循環與流動應力峰值震蕩
該方案通過熱-結構順序耦合，精確模擬焊球在溫度循環載荷下的應力應變響應，介紹相關 ANAND 本構模型，并運用疲勞模型（如 Coffin-Manson）預測其疲勞壽命，為產品可靠性設計與優化提供關鍵依據。
測試方案需要能精確控制微小的溫度變化和振動頻譜，并實現高速的應力循環。針對微型化器件，可能需要定制專用的測試工裝和夾具，以確保應力的精確傳遞。
