結(jié)構(gòu)件疲勞壽命評估的案例
案例分享 | 基于虛擬試驗場的混凝土攪拌運輸車結(jié)構(gòu)件疲勞仿真分析
“基于虛擬試驗場的混凝土攪拌運輸車結(jié)構(gòu)件疲勞仿真分析”.
汽車線束的加速試驗設(shè)計與疲勞壽命評估
本節(jié)在明確汽車線束所有已知或潛在失效模式及失效機理的基礎(chǔ)上，給出加速試驗設(shè)計所需的一些關(guān)鍵性技術(shù)細節(jié)，輔助完成汽車線束量化可靠性評價與壽命評估等工作內(nèi)容。
汽車線束主要由銅制接插件、塑料護套和電線等組成，插接件與電線壓接后安裝在塑料護套內(nèi)，電線以線束捆扎、膠帶包裹構(gòu)成，如圖1 所示。電線束在整車中的作用是將電氣系統(tǒng)的電源信號和數(shù)據(jù)信號進行傳遞和交換，實現(xiàn)電氣系統(tǒng)的功能和要求。汽車線束應(yīng)用于汽車各個部位，有處于高溫環(huán)境下的發(fā)動機機艙里，有處于沙塵、水和泥漬等惡劣環(huán)境的底盤下，有處于汽車前后門及行李后蓋的彎折處等等，汽車線束在這些復(fù)雜嚴(yán)苛的環(huán)境中長期工作，可能面臨各種失效的發(fā)生。
因此，研究汽車線束的失效模式和失效機理對于預(yù)防汽車線束的失效發(fā)生具有重要作用。如前所述，汽車線束主要由銅制接插件、塑料護套和電線這3 類組成，關(guān)于汽車線束的FMMEA 匯總?cè)绫? 所示。
2 加速試驗設(shè)計方案
從汽車線束FMMEA 可以看出，對汽車線束影響最大的部位為銅制接插件和電線，此類失效屬于汽車線束的功能性失效，輕者影響汽車某個功能的使用，重者危害汽車駕駛員的安全。因此，需要重點關(guān)注銅制接插件和電線在實際使用過程中的失效情況。
為了量化估計車線束的疲勞壽命，則需設(shè)計量化的加速試驗方案，如前所述，重點考慮汽車線束的銅制接插件和電線的失效，其對應(yīng)的失效機理分別為腐蝕磨損、材料疲勞和材料老化，根據(jù)各失效機理分別建立對應(yīng)的失效物理模型。
展開 汽車高壓線束的加速試驗設(shè)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(chǎn)品發(fā)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(yīng)力水平下Arrhenius公式參數(shù)對正常應(yīng)力水平下Arrhenius公式參數(shù)得到，如下式所示：
式中：AF—加速因子；
Tuse—正常使用環(huán)境條件下的溫度；
Tstress—加速條件下的環(huán)境溫度（單位為熱力學(xué)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(jié)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(jù)不同種類的汽車線束和不同的使用環(huán)境要求進行特定的加速壽命試驗，研究方法供汽車行業(yè)在進行線束可靠性量化評價方面提供一定的借鑒和指導(dǎo)作用。
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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(chǎn)品發(fā)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(yīng)力水平下Arrhenius公式參數(shù)對正常應(yīng)力水平下Arrhenius公式參數(shù)得到，如下式所示：
式中：AF—加速因子；
Tuse—正常使用環(huán)境條件下的溫度；
Tstress—加速條件下的環(huán)境溫度（單位為熱力學(xué)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(jié)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(jù)不同種類的汽車線束和不同的使用環(huán)境要求進行特定的加速壽命試驗，研究方法供汽車行業(yè)在進行線束可靠性量化評價方面提供一定的借鑒和指導(dǎo)作用。
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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(tǒng)的可靠性研究還很不成熟，況且用可靠性設(shè)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(xué)
斷裂力學(xué)是基于確定性參數(shù)的估算方法。概率斷裂力學(xué)是將斷裂力學(xué)中裂紋尺寸、斷裂韌性、應(yīng)力強度因子、裂紋擴展速率等參數(shù)作為隨機變量，進行可靠性分析。這樣就提高了斷裂力學(xué)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(shù)目前主要采用正態(tài)分布、三參數(shù)威布爾分布來產(chǎn)生，顯然不足以完全反映實際情況；
二是試驗數(shù)據(jù)不足。
故這種方法在實際應(yīng)用中受到了一定的限制。
目前也有人利用模糊數(shù)學(xué)和統(tǒng)計模擬的方法對金屬結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀態(tài)進行綜合評價，并在此基礎(chǔ)上推算它的剩余壽命。這些方法是否可靠，不僅取決于數(shù)學(xué)方法，還取決于人的主觀因素。
H
金屬結(jié)構(gòu)疲勞壽命評估理論基礎(chǔ)
試驗上側(cè)重于研究選擇適合于工程的金屬結(jié)構(gòu)實際測量的方法，找到應(yīng)用于實際的判斷依據(jù)，從而正確地評價其壽命。利用計算機的虛擬技術(shù)，提高對實測數(shù)據(jù)的處理，建立金屬結(jié)構(gòu)件的專家系統(tǒng)，評定金屬結(jié)構(gòu)的疲勞剩余壽命和其余的技術(shù)指標(biāo)，進而研究金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制造和技術(shù)改造等的人工智能系統(tǒng)。
展開 零基礎(chǔ)如何通過仿真評估血管支架疲勞壽命 ￥19
醫(yī)療器械對產(chǎn)品的安全和穩(wěn)定性要求非常嚴(yán)格，依據(jù)《YY/T 0663.2-2016血管支架》耐久性是一項最重要的需要嚴(yán)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(shù)月。如果在研發(fā)初期引入有限元方法對支架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化分析，可以減少不必要的疲勞測試大大降低研發(fā)投入縮短產(chǎn)品驗證的周期。另外在疲勞測試時也不可能對所有規(guī)格全部進行疲勞測試，依據(jù)《YY/T 0808-2010血管支架體外脈動耐久性標(biāo)準(zhǔn)測試方法》5.2和5.4要求，在規(guī)格選擇上需要充分說明選擇的依據(jù)，而有限元方法是一種非常高效的理論分析依據(jù)。
假如你只是一個普通的研發(fā)工程師而公司又沒有仿真工程師，你對材料力學(xué)、彈性力學(xué)、有限元等學(xué)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(dǎo)。
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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(chǎn)品發(fā)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(yīng)力水平下Arrhenius公式參數(shù)對正常應(yīng)力水平下Arrhenius公式參數(shù)得到，如下式所示：
式中：AF—加速因子；
Tuse—正常使用環(huán)境條件下的溫度；
Tstress—加速條件下的環(huán)境溫度（單位為熱力學(xué)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(jié)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(jù)不同種類的汽車線束和不同的使用環(huán)境要求進行特定的加速壽命試驗，研究方法供汽車行業(yè)在進行線束可靠性量化評價方面提供一定的借鑒和指導(dǎo)作用。
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展開 干貨 | ANSYS Ncode焊縫疲勞壽命評估方法簡介
ANSYS Ncode Designlife求解器中的焊縫疲勞壽命分析方法起源于沃爾沃汽車公司和查爾姆斯理工大學(xué)，該算法采用的是非常通用的應(yīng)力基疲勞壽命評估方法，特別適合于汽車零部件中1-3 mm厚度的薄鋼板件，對于更厚的實體結(jié)構(gòu)建模部件，也支持基于ASME鍋爐與壓力容器的規(guī)范的疲勞壽命計算。
這種方法基本上與標(biāo)準(zhǔn)的S-N方法相似，只是需要進行一些特殊的考慮去處理焊縫，詳細特點如下：
1. ANSYS Ncode Designlife起源于薄板焊縫結(jié)構(gòu)；
2. 算法根據(jù)有限元求解數(shù)據(jù)的網(wǎng)格點力去計算焊趾的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，相對標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)力推倒方式，該算法對網(wǎng)格剖分狀況不那么敏感。結(jié)構(gòu)應(yīng)力推導(dǎo)過程在SAE 982311中有詳細描述。為在Ncode中使用網(wǎng)格力方式，網(wǎng)格力數(shù)據(jù)必須被包含在有限元結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)中，并且設(shè)置Ncode軟件ANSYS Group properties中Entity Data Type為Force Moment選項。
3. 可選的，節(jié)點位移和轉(zhuǎn)動數(shù)據(jù)也可以用于確定焊縫周圍單元的應(yīng)力值，使用該方式，節(jié)點力和位移數(shù)據(jù)必須包含在有限元結(jié)構(gòu)文件中，并且設(shè)置Ncode軟件ANSYS Group properties中Entity Data Type為Displacement選項。
4. 網(wǎng)格剖分方面，對于薄板件殼模型，焊縫周圍的區(qū)域盡可能劃分為5 mm大小的規(guī)整網(wǎng)格，盡可能避免使用三角形網(wǎng)格。
5. 若采用了以上應(yīng)力或位移推導(dǎo)應(yīng)力方式，Ncode軟件將基于焊縫周邊單元數(shù)據(jù)，推導(dǎo)焊趾和焊根單元非平均的節(jié)點應(yīng)力值用于疲勞壽命評估。焊喉部位采用焊喉單元中心應(yīng)力值評估疲勞壽命。
展開 飛機結(jié)構(gòu)振動疲勞問題 附結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析姚衛(wèi)星下載
為結(jié)構(gòu)改進設(shè)計、規(guī)范操作及限定結(jié)構(gòu)使用環(huán)境提供參考依據(jù)。
下載地址：結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析姚衛(wèi)星
多軸隨機載荷下支撐構(gòu)件疲勞壽命評估
隨著國際標(biāo)準(zhǔn)在企業(yè)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(shù)，在產(chǎn)品設(shè)計階段就可預(yù)測產(chǎn)品壽命，并根據(jù)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(shè)計方案的優(yōu)劣，避免反復(fù)多次的試驗，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。本文將以某支撐構(gòu)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(yè)疲勞壽命專題線上培訓(xùn)，專題講座包含：隨機振動載荷下支撐構(gòu)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(nèi)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(yīng)力頻響函數(shù)，然后將應(yīng)力頻響函數(shù)和載荷的PSD曲線導(dǎo)入ANSYS Ncode軟件，定義材料的SN疲勞性能曲線，應(yīng)用其振動疲勞分析求解器計算出結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)的PSD，進而完成應(yīng)力循環(huán)計數(shù)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(yīng)力分布。在計算應(yīng)力頻響函數(shù)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(tǒng)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(shù)。
展開 疲勞壽命評估-三區(qū)間法（內(nèi)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(qū)間法又稱為三帶技術(shù)，是Steinberg通過整理與重新編排大量的試驗數(shù)據(jù)，提出的一種基于高斯分布與Miner準(zhǔn)則的簡化方法，可用于分析結(jié)構(gòu)在隨機振動環(huán)境下的疲勞壽命。它具有合理的準(zhǔn)確度與精度，可以滿足大多數(shù)工程要求。首先假設(shè)結(jié)構(gòu)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(yīng)力水平與振動頻次，再使用S-N曲線與Miner準(zhǔn)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(yīng)力水平所對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)。
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(shè)PCB是單自由度系統(tǒng)，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(jù)Miner準(zhǔn)則和Basquin公式：
公式推理：
由上式可知1.953σ應(yīng)力水平作用T時間造成的疲勞損傷與1σ、2σ和3σ應(yīng)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(yīng)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(yù)計疲勞壽命。
展開 
疲勞分析基礎(chǔ)知識資料--結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析
分享一個疲勞分析理論方面的資料，《結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析》，是軟件疲勞分析的基礎(chǔ)知識，相信對疲勞分析的兄弟會有所幫助。
結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析.part08.rar
結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析.part01.rar
結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析.part02.rar
結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析.part03.rar
結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析.part04.rar
結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析.part05.rar
結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析.part06.rar
結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析.part07.rar
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(dāng)前仍然是困擾行業(yè)的難題。
Marc軟件在橡膠、密封行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，針對橡膠疲勞壽命的仿真，Marc有幾種方法可以實現(xiàn)：
? 通過Mullins效應(yīng)進行橡膠件的損傷分析，當(dāng)損傷到達1時，認(rèn)為橡膠出現(xiàn)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(tǒng)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(yīng)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(jù)彈性體疲勞理論，彈性體的壽命和其對數(shù)應(yīng)變和格林應(yīng)變存在對應(yīng)關(guān)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(huán)次數(shù)，為其對應(yīng)的最大對數(shù)應(yīng)變和格林應(yīng)變。A和n為需要擬合的參數(shù)。其曲線的擬合形式如下圖所示。
然后通過雨流計數(shù)法則進行變幅損傷累積疊加，如下表達式。當(dāng)D<1認(rèn)為彈性體沒有發(fā)生破壞，當(dāng)D≥1認(rèn)為彈性體發(fā)生破壞。
在實際的計算中，只需計算一個周期的載荷循環(huán)，就可以進行彈性體壽命的預(yù)測。下面將介紹如何在Marc中進行彈性體疲勞壽命的擬合。
展開 設(shè)計仿真 | 采用Marc進行橡膠件疲勞壽命分析
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(dāng)前仍然是困擾行業(yè)的難題。
Marc軟件在橡膠、密封行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，針對橡膠疲勞壽命的仿真，Marc有幾種方法可以實現(xiàn)：
? 通過Mullins效應(yīng)進行橡膠件的損傷分析，當(dāng)損傷到達1時，認(rèn)為橡膠出現(xiàn)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(tǒng)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(yīng)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。
展開 基于Battlle結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的Fe-safe(Verity)焊接結(jié)構(gòu)疲勞評估案例 ￥350
這是Battlle結(jié)構(gòu)應(yīng)力法Fe-safe(Verity)焊接結(jié)構(gòu)疲勞評估的一個成功案例，附件中有理論基礎(chǔ)資料、國內(nèi)外相關(guān)論文、從ABAQUS計算動態(tài)應(yīng)力導(dǎo)入Fe-safe的方法。更多資料可討論交流分享。
Battlle結(jié)構(gòu)應(yīng)力法Fe-safe(Verity)疲勞評估案例.jpg
改進結(jié)構(gòu)焊縫疲勞壽命計算結(jié)果.jpg
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