疲勞壽命評估的案例
干貨 | ANSYS Ncode焊縫疲勞壽命評估方法簡介
若采用網格點力方法，依據網格點力數據去推導焊趾和焊根單元邊中間點的平均膜應力和彎曲應力，進而可以計算焊趾和焊根上下表面的法向應力，用于做法向方向的疲勞壽命評估。當需要對焊喉部位進行壽命評估計算時，Ncode將基于焊縫單元的兩個焊縫邊計算應力值，然后平均到中心位置。網格力方法要求采用線性單元。
7. Ncode焊縫疲勞壽命評估算法評估了彎曲應力對總應力的貢獻度，根據占比大小取確定，焊縫為剛性或柔性，不同的彎曲力占比，需要采用不同的S-N材料曲線，軟件會根據彎曲應力比重S-N曲線進行自動插值處理。
ANSYS Ncode Designlife焊縫疲勞仿真流程
展開 多軸隨機載荷下支撐構件疲勞壽命評估
隨著國際標準在企業的大量采用，隨機振動疲勞試驗在振動試驗中比例越來越高。借助隨機振動疲勞仿真分析技術，在產品設計階段就可預測產品壽命，并根據壽命分布云圖直觀判斷疲勞壽命大小及薄弱位置，快速判斷設計方案的優劣，避免反復多次的試驗，縮短產品開發周期。本文將以某支撐構件受隨機振動載荷作用下疲勞壽命評估為例，介紹多軸隨機振動載荷下疲勞分析方法和流程。
2022年5月24日-26日，安世亞太大咖慧推出電子行業疲勞壽命專題線上培訓，專題講座包含：隨機振動載荷下支撐構件疲勞壽命評估、PCB電路板中的焊點可靠性分析、PCB電路板疲勞壽命分析內容，不容錯過。
報名方式
分析流程
利用ANSYS Mechanical計算出各方向激勵下應力頻響函數，然后將應力頻響函數和載荷的PSD曲線導入ANSYS Ncode軟件，定義材料的SN疲勞性能曲線，應用其振動疲勞分析求解器計算出結構應力響應的PSD，進而完成應力循環計數并計算損傷值。整個流程可以在ANSYS Workbench平臺中完成，其流程圖如下：
圖片圖1多軸隨機振動疲勞分析流程圖
頻響分析
頻響分析分析時通常施加某方向的單位加速度激勵，得到單位載荷激勵下模型各階頻率上的應力分布。在計算應力頻響函數時，所分析的頻率范圍要覆蓋PSD曲線的頻率范圍，一般取載荷PSD最大頻率范圍的1.5倍。載荷單位一定要與PSD曲線統一。對于多軸激勵，則進行多方向的頻響分析，得到模型各方向的傳遞函數。
展開 CAE小記丨常用的機械疲勞壽命評估分析方法
根據斷裂力學的觀點，金屬結構件的疲勞破壞是由于主裂紋擴展到臨界尺寸而造成的，結構的壽命取決于結構危險部位裂紋的萌生與擴展。
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。
F
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。
展開 ANSYS nCode DesignLife等幅應力、應變壽命疲勞分析完整教程 ￥10
等幅應力壽命疲勞分析目標和步驟
? 目標:
?使用ANSYS Mechanical和ANSYS nCode DesignLife
解決等幅應力-壽命疲勞分析
? 步驟
?找到算例包并解壓
?定義Engineering Data中Ncode材料
?修改Mechanical 中模型
?Mechanical 求解分析
?獲取ANSYS nCode DesignLife 系統
?求解
?后處理獲取疲勞結果
應變壽命疲勞分析理論分析基礎及DesignLife關鍵設置
Strain-Life (EN) 應變疲勞分析理論基礎
? 討論循環應力-應變曲線和應變-壽命關系的關系
? 討論平均應力的影響
基于應力疲勞壽命評估之多軸評估方法
目標和步驟
? 目標:
? 檢查多軸評估方法及影響應力壽命計算的其它因素
? 步驟
? 利用restore archive解壓縮
? Mechanical求解
? nCode SN Constant Amplitudesystem 和Mechanical 的model模塊建立連接
? 打開DesignLife
? 修改load mapping
? 求解
? 查看多軸評估
? 修改多軸評估
? 求解
? 查看結果
其他方法求解:
? 研究其他應力組合方法（ stress Combination Methods ）
?調查非平均SN數據的使用（ Certainty of survival ）
?研究應力梯度效應
?安全系數計算
等幅SN疲勞壽命分析之平均應力影響
目標/步驟
? 目標:
? 檢查平均應力對疲勞壽命評估影響
? 步驟
? restore archive
? solve Mechanical model
?
展開 
汽車線束的加速試驗設計與疲勞壽命評估
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 汽車結構中焊縫疲勞壽命預估
2、焊縫的S-N曲線
試驗研究表明，焊縫的疲勞強度遠低于母材的疲勞強度，從圖2某典型的結構鋼母材和焊縫的S-N曲線的比較可以看出，焊縫的S-N曲線僅在短壽命區有交點,而其它情況下焊縫的疲勞壽命更短，概況起來有以下主要原因：
1）、由于焊接引入的幾何特征，導致了應力的集中，在焊縫的趾部應力達到最高，而且此處的幾何形狀也較難控制。
2）、焊接過程通常產生焊接缺陷，這些缺陷存在往往是產生裂紋的裂紋源，如含有熔渣、未完全熔解、氣孔等。
fe-safe_汽車結構中焊縫疲勞壽命預估.pdf
展開 運動線纜疲勞壽命分析 ￥19.89
研究采用名義應力法進行疲勞壽命評估，該方法基于宏觀應力水平進行疲勞損傷預測，其計算結果與材料的幾何尺寸無關。因此，在上述建模策略的基礎上，對運動線纜的疲勞壽命進行分析，以確保計算的準確性和工程適用性，同時提高數值模擬的效率和穩定性。
(1)仿真工況設置
在疲勞分析過程中，首先需將有限元應力分析的結果導入疲勞分析軟件 Fe-safe，確保輸入數據包含完整的應力分布信息，以準確反映結構在服役條件下的受力情況。隨后，在材料屬性設置中輸入該材料的曲線，該曲線基于國標計算得到，并用于描述材料在不同應力水平下的疲勞壽命特性。
在疲勞壽命計算方面，本研究采用 Goodman 線性修正算法進行高周疲勞評估。Goodman 公式是一種經典的疲勞壽命修正方法，適用于考慮平均應力效應的情況，尤其在高周疲勞工況下，材料的疲勞極限會受到平均應力的影響，而 Goodman 關系能較好地修正，因拉-壓不對稱循環載荷造成的疲勞極限變化，從而提高疲勞壽命預測的準確性。此外，該方法計算效率較高，便于工程應用，且已廣泛應用于航空航天等領域的疲勞壽命分析。
隨后，將應力分析所得的載荷譜(Load Spectrum)導入Fe-safe軟件，該載荷譜描述了結構在工作過程中承受的循環應力分布情況，是進行疲勞壽命預測的重要輸入參數。為保證分析的全面性，本研究選擇輸出疲勞壽命(Fatigue Life)，可用于評估結構在給定載荷條件下的預計失效壽命，以便識別潛在的疲勞失效區域。
盡管等效模型在最優工況下能夠較好地近似真實結構的性能，但在疲勞分析的最終階段，仍需將模型還原為更接近真實結構的形式，以確保分析結果的準確性。通過對比相同結構下純銅絲與外包塑料銅絲的載荷-時間曲線，如圖5-7所示，結果表明，在單周期載荷作用下，二者的應力水平趨勢相似。
展開 基于虛擬樣機技術的貨車車體評估
基于虛擬樣機技術的貨車車體疲勞壽命評估.part1.rar
基于虛擬樣機技術的貨車車體疲勞壽命評估.part2.rar
基于虛擬樣機技術的貨車車體疲勞壽命評估.part3.rar
車輛耐久性工程的核心挑戰及應對
1 耐久性與疲勞
按照文獻1，耐久性定義為：產品在規定的使用和維修條件下，其使用壽命的一種度量。套用這一定義，車輛耐久性指的是車輛在規定的使用和維修條件下，其使用壽命的一種度量。而這其中，最重要的一種壽命，是疲勞壽命。
疲勞壽命通常分為裂紋起始階段和裂紋擴展階段，如圖1所示。裂紋起始階段包括一些微裂紋擴展，但是疲勞裂紋太小，無法看到（起碼不容易看到）；裂紋擴展階段，疲勞裂紋擴展直到完全斷裂。兩個階段之間沒有一個非常清晰和嚴格的裂紋尺寸來加以分割，如果采用某種無損檢測技術可以比較高檢出率的檢測出某一裂紋，通常就將這一裂紋稱為宏觀可見裂紋，并將其作為劃分裂紋初始階段和裂紋擴展階段的分界線，這里面顯然帶有一些人為因素。
圖1 典型的（高周）疲勞斷口2
裂紋擴展階段，其行為用裂紋擴展速率模型和斷裂力學來描述，但是對于沒有采用損傷容限設計的結構（比如說車輛結構）來說，其一旦形成宏觀可見裂紋，可供其擴展直至斷裂的壽命已經寥寥無幾。從另一方面說，裂紋起始階段所對應的裂紋形成壽命，往往占到總壽命（從投入使用之初，到最后被干斷的總時長）的90％以上，而用以評估和預測這一部分壽命的理論和方法，就是疲勞理論的核心任務。因此，在本論壇的后續所有文章之中，如果不加特殊說明，疲勞壽命僅僅單指材料或結構的裂紋形成壽命。
2 載荷對于疲勞壽命評估的極端重要性
對于幾乎任何一個力學行為進行描述和評估，幾乎都離不開幾何、材料和載荷三要素。家里的桌子夠不夠結實呢？看看桌板夠不夠厚實，桌板越厚越結實，這是幾何方面；看看桌子用什么材料制作的，用不銹鋼或鈦合金做的（如果有這種桌子的話）一定比用塑料、木頭做的桌子來的結實，這是材料方面；桌子上放一個本子或筆，肯定沒事，如果找幾個胖子在上面蹦蹦跳跳，那不見得撐得住，這是載荷方面的影響。
展開 零基礎如何通過仿真評估血管支架疲勞壽命 ￥19
醫療器械對產品的安全和穩定性要求非常嚴格，依據《YY/T 0663.2-2016血管支架》耐久性是一項最重要的需要嚴格評估的物理性能。但是通過測試驗證的周期非常耗時燒錢，疲勞測試需要累計振動3.8億次，一般至少也要耗時數月。如果在研發初期引入有限元方法對支架結構進行優化分析，可以減少不必要的疲勞測試大大降低研發投入縮短產品驗證的周期。另外在疲勞測試時也不可能對所有規格全部進行疲勞測試，依據《YY/T 0808-2010血管支架體外脈動耐久性標準測試方法》5.2和5.4要求，在規格選擇上需要充分說明選擇的依據，而有限元方法是一種非常高效的理論分析依據。
假如你只是一個普通的研發工程師而公司又沒有仿真工程師，你對材料力學、彈性力學、有限元等學科不甚了解，那么該如何完成上述工作呢？下面為你介紹整個血管支架的疲勞仿真流程，以及血管支架記憶合金的材料特性。
鎳鈦合金材料模型
用于評價疲勞壽命的Goodman曲線
stent.zip
1.軟件安裝
本項目使用ansys Workbench19.2完成，具體軟件包文件和安裝方法可以添加微信號Destiny_123D尋求獲得并免費安裝指導。
展開 汽車高壓線束的加速試驗設計與疲勞壽命評估
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105s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。高溫老化試驗在125 ℃試驗條件下進行1 000 h，由于線束老化的失效機理模型為Arrhenius公式，故加速因子由加速應力水平下Arrhenius公式參數對正常應力水平下Arrhenius公式參數得到，如下式所示：
式中：AF—加速因子；
Tuse—正常使用環境條件下的溫度；
Tstress—加速條件下的環境溫度（單位為熱力學溫度K），
試驗中表觀活化能Ea取3.08（J/mol）；
R—摩爾氣體常量8.31 J/（mol·K），
Tuse=273+25= 298 K，Tstress=273+125=398 K，
代入加速因子計算公式得出加速因子AF約為22.76，由此可估算出線速老化壽命約為2.6年。
通過上述加速試驗結果，可得出進行10萬次的疲勞耐久試驗可模擬汽車線束15.9年的疲勞壽命，進行1 000 h的125 ℃高溫老化試驗可模擬汽車線束2.6年的老化壽命。在實際工程中，可根據不同種類的汽車線束和不同的使用環境要求進行特定的加速壽命試驗，研究方法供汽車行業在進行線束可靠性量化評價方面提供一定的借鑒和指導作用。
感謝分享！
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汽車高壓線束的加速試驗設計與疲勞壽命評估
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105s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。高溫老化試驗在125 ℃試驗條件下進行1 000 h，由于線束老化的失效機理模型為Arrhenius公式，故加速因子由加速應力水平下Arrhenius公式參數對正常應力水平下Arrhenius公式參數得到，如下式所示：
式中：AF—加速因子；
Tuse—正常使用環境條件下的溫度；
Tstress—加速條件下的環境溫度（單位為熱力學溫度K），
試驗中表觀活化能Ea取3.08（J/mol）；
R—摩爾氣體常量8.31 J/（mol·K），
Tuse=273+25= 298 K，Tstress=273+125=398 K，
代入加速因子計算公式得出加速因子AF約為22.76，由此可估算出線速老化壽命約為2.6年。
通過上述加速試驗結果，可得出進行10萬次的疲勞耐久試驗可模擬汽車線束15.9年的疲勞壽命，進行1 000 h的125 ℃高溫老化試驗可模擬汽車線束2.6年的老化壽命。在實際工程中，可根據不同種類的汽車線束和不同的使用環境要求進行特定的加速壽命試驗，研究方法供汽車行業在進行線束可靠性量化評價方面提供一定的借鑒和指導作用。
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展開 汽車高壓線束的加速試驗設計與疲勞壽命評估
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105s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。高溫老化試驗在125 ℃試驗條件下進行1 000 h，由于線束老化的失效機理模型為Arrhenius公式，故加速因子由加速應力水平下Arrhenius公式參數對正常應力水平下Arrhenius公式參數得到，如下式所示：
式中：AF—加速因子；
Tuse—正常使用環境條件下的溫度；
Tstress—加速條件下的環境溫度（單位為熱力學溫度K），
試驗中表觀活化能Ea取3.08（J/mol）；
R—摩爾氣體常量8.31 J/（mol·K），
Tuse=273+25= 298 K，Tstress=273+125=398 K，
代入加速因子計算公式得出加速因子AF約為22.76，由此可估算出線速老化壽命約為2.6年。
通過上述加速試驗結果，可得出進行10萬次的疲勞耐久試驗可模擬汽車線束15.9年的疲勞壽命，進行1 000 h的125 ℃高溫老化試驗可模擬汽車線束2.6年的老化壽命。在實際工程中，可根據不同種類的汽車線束和不同的使用環境要求進行特定的加速壽命試驗，研究方法供汽車行業在進行線束可靠性量化評價方面提供一定的借鑒和指導作用。
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新能源汽車連接器3D動畫大賞，太漂亮！
展開 疲勞壽命評估-三區間法（內容已全部公開-有視頻詳解） ￥1
已更新基于Workbench平臺的nCode隨機振動疲勞壽命分析的視頻介紹，實操+講解。
三區間法又稱為三帶技術，是Steinberg通過整理與重新編排大量的試驗數據，提出的一種基于高斯分布與Miner準則的簡化方法，可用于分析結構在隨機振動環境下的疲勞壽命。它具有合理的準確度與精度，可以滿足大多數工程要求。首先假設結構受到的隨機激勵服從高斯分布，1σ水平的瞬時加速度作用在-1σ和+1σ之間的時間占68.3%，2σ水平的瞬時加速度作用在-2σ和+2σ之間的時間占27.1%（95.4%－68.3%），3σ水平的瞬時加速度作用在-3σ和+3σ之間的時間占4.33%（99.73%－95.4%），如下圖所示。
利用1σ、2σ和3σ應力水平與振動頻次，再使用S-N曲線與Miner準則來計算焊點的疲勞損傷，從而得到振動疲勞壽命。疲勞損傷具體計算公式如下：
上式中
N1σ、N2σ和N3σ分別是從S-N曲線得到的1σ、2σ和3σ應力水平所對應的循環次數。
對于n1σ、n2σ和n3σ的計算，主要分兩種情況：
（1）只考慮PCB的一階固有頻率（基頻）
假設PCB是單自由度系統，也就是只考慮基頻，有：
其中fn為PCB的基頻，T為振動載荷施加時間，vn=fn·T為振動頻次。上述計算方式，可以看做對PCB施加的是窄帶隨機振動，只激勵PCB的基頻。
則更根據Miner準則和Basquin公式：
公式推理：
由上式可知1.953σ應力水平作用T時間造成的疲勞損傷與1σ、2σ和3σ應力水平分別作用0.683T、0.271T和0.0433T造成的累積損傷相同。因此，只要知道1σ應力水平值、焊點材料的S-N曲線、PCB基頻以及隨機振動載荷施加時間，即可計算累積損傷，從而預計疲勞壽命。
展開 利用sherlock進行快速熱循環疲勞評估
焊點疲勞簡介
焊點疲勞是循環載荷下焊點的失效。這種載荷可能有多種形式（例如跌落/震動，振動，溫度循環），其中電子設備中的大多數焊點疲勞是由熱-機械驅動的。在溫度循環期間，由于PCB和組件之間的熱膨脹系數（CTE）不匹配，在焊點中產生了應力。這導致焊點經歷不可恢復的變形，該變形累積并導致裂紋和最終斷裂。
目前對焊點疲勞進行計算，通常包括三種方法：
（1）基于應變范圍的經驗公式；
此方法直接通過經驗公式計算應變的變化范圍。其中的計算參數c需要由大量測試結果擬合而成，而且公式中不能考慮板級和系統級的影響。
（2）基于應變能的有限元分析；
此方法需要采用有限元的手段計算應變能。其計算的精度較高，但是對于板級問題來說，由于模型太大，采用有限元計算的時間花費較多，因此通常也很難考慮到板級和系統級的影響。
（3）基于應變能的經驗公式。
此方法兼顧了前面兩種方法的優點，通過經驗公式進行應變能的計算和焊點疲勞壽命的評估。Ansys Sherlock就是采用的這種方法，具體的算法和分析流程見下文。
Sherlock焊點疲勞算法
Sherlock在計算焊點疲勞時，通過失效物理的方式，采用基于應變能的經驗公式。
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