疲勞分析是設(shè)計(jì)和優(yōu)化需要高耐用性和可靠性的產(chǎn)品的關(guān)鍵步驟。疲勞失效分析有助于識別故障點(diǎn)，防止產(chǎn)品故障、召回甚至災(zāi)難性事件。通過仿真預(yù)期的零件載荷，工程師可以優(yōu)化其設(shè)計(jì)的抗疲勞性、可靠性和性能。
什么是疲勞？
疲勞是材料中在承受循環(huán)載荷時發(fā)生的失效機(jī)制。在疲勞失效中，即使施加的應(yīng)力低于屈服應(yīng)力或單次施加載荷損壞材料所需的應(yīng)力，在重復(fù)載荷下也會在材料中形成裂紋。
疲勞分析需要注意什么：
構(gòu)件的疲勞是個復(fù)雜的過程，受多種因素的影響，要精確地預(yù)估構(gòu)件的疲勞壽命，需要選擇合適的模型，這就需要宏觀力學(xué)方面的研究，包括疲勞裂紋發(fā)送、發(fā)展直至破壞的機(jī)理，還需要微觀力學(xué)方面的研究包括位錯理論等。此外，還涉及到金屬材料科學(xué)、材料力學(xué)、振動力學(xué)、疲勞理論、斷裂力學(xué)和計(jì)算方法多門學(xué)科。只有更深刻地認(rèn)識了疲勞破壞的機(jī)理，將宏觀和微觀研究結(jié)合起來，才能更精確地預(yù)測壽命。
疲勞的類型
疲勞主要有兩種類型：
- 低周疲勞 – 當(dāng)材料由于應(yīng)力幅度略小于材料的屈服應(yīng)力而開裂和失效，并且循環(huán)次數(shù)相當(dāng)?shù)停ㄉ儆?10，000 次循環(huán)）時
- 高周疲勞 – 當(dāng)材料因應(yīng)力振幅遠(yuǎn)小于材料的屈服應(yīng)力而開裂和失效，并且循環(huán)次數(shù)相當(dāng)高（大于 10，000 次循環(huán)）時
疲勞失效的三個階段
疲勞失效是由于載荷的循環(huán)性質(zhì)而發(fā)生的漸進(jìn)過程。這會導(dǎo)致材料中的微觀缺陷逐漸長成宏觀裂縫。從那里開始，疲勞遵循三個連續(xù)的階段，最終導(dǎo)致骨折：
- 裂紋萌生（裂紋形成）： 由于嵌入的顆粒、結(jié)構(gòu)不連續(xù)性、高溫甚至焊接缺陷，在材料表面應(yīng)力集中點(diǎn)的動態(tài)載荷下會產(chǎn)生裂紋。裂紋萌生面積極小，原點(diǎn)周圍不超過5粒。隨著裂紋的形成，應(yīng)力集中度顯著增加，導(dǎo)致裂紋在反復(fù)加載下向材料中更深地傳播。
- 裂紋擴(kuò)展： 裂紋開始在材料中擴(kuò)展并蔓延。根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度因子（K）的測量，裂紋擴(kuò)展可分為三個子階段，該因子用于確定裂紋缺口處的應(yīng)力：
- 小 K 值： 裂紋的擴(kuò)展很難預(yù)測，因?yàn)樗Q于材料的微觀結(jié)構(gòu)。在這里，裂縫可能根本不會增長。
- K 值增加：傳播速率更多地依賴于材料而不是微觀結(jié)構(gòu)。這是大多數(shù)裂紋擴(kuò)展發(fā)生的時候。
- 高 K 值：傳播速度迅速加快，直到材料無法保持在一起，并發(fā)生斷裂。
- 快速骨折：在這個階段，材料在循環(huán)載荷下完全失效并急劇斷裂。
疲勞分析方法
疲勞分析涉及幾種方法，最突出的是：
- 應(yīng)力壽命法
- 應(yīng)變壽命法
- 線彈性斷裂力學(xué)（LEFM）方法
應(yīng)力-壽命法
應(yīng)力壽命方法涉及根據(jù)失效周期數(shù)繪制施加的應(yīng)力水平。當(dāng)預(yù)期應(yīng)力不超過材料的彈性極限（屈服點(diǎn)）時，應(yīng)力-壽命法用于高周疲勞。
因此，應(yīng)力壽命法可以通過線性材料模型有限元分析仿真來支持，以預(yù)測預(yù)期應(yīng)力。
應(yīng)變-壽命法
應(yīng)變-壽命法繪制應(yīng)變幅度與失效周期數(shù)的關(guān)系圖。當(dāng)某些應(yīng)力超過材料的彈性極限（屈服點(diǎn)）時，它用于低周疲勞。
因此，應(yīng)變-壽命方法需要非線性彈塑性材料模型有限元分析仿真來預(yù)測預(yù)期應(yīng)力。
線彈性斷裂力學(xué)（LEFM）方法
使用LEFM方法預(yù)測疲勞裂紋擴(kuò)展長度。它精確計(jì)算脆性材料的斷裂應(yīng)力，其中裂紋缺口處的應(yīng)力場是彈性的。但是，它沒有考慮凹口處延展性材料中發(fā)生的塑性流動。它需要進(jìn)一步修改以解釋塑性區(qū)斷裂。這被稱為歐文的斷裂理論，改編自格里菲斯準(zhǔn)則，據(jù)說是彈塑性斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)。
目前主流的疲勞分析軟件：
目前市場上主流的仿真分析軟件較多，可以實(shí)現(xiàn)疲勞分析的軟件也較多，如SIMULIA的FE-Safe、ANSYS nCode DesignLife、MSC Fatigue、MSC Nastran及HyperLife、Simulation等，其中FE-Safe、ANSYS nCode DesignLife兩款軟件應(yīng)用較為廣泛。Fe-safe采用世界上最先進(jìn)的疲勞分析技術(shù)，是一款擁有豐富疲勞損傷算法、擁有更全面的材料庫，并且操作簡便的耐久性疲勞分析軟件。由于Fe-safe疲勞算法基于海量的工程實(shí)踐，另外，客戶的反饋也表明，F(xiàn)e-safe可以給出準(zhǔn)確的疲勞點(diǎn)和疲勞壽命預(yù)測。MSC Fatigue是一款功能較為全面的疲勞設(shè)計(jì)軟件，在分析領(lǐng)域也廣泛應(yīng)用
疲勞分析中的平均應(yīng)力校正
平均應(yīng)力校正是影響疲勞分析的另一個因素。它考慮了可變載荷條件對材料疲勞的影響。平均應(yīng)力校正因子用于調(diào)整驅(qū)動力或 S-N 曲線，該曲線將應(yīng)力幅度與失效周期數(shù)相關(guān)聯(lián)。
平均應(yīng)力校正因子的準(zhǔn)確性會顯著影響設(shè)計(jì)的疲勞壽命預(yù)測，因此使用可靠、準(zhǔn)確的仿真和疲勞分析軟件非常重要。在許多情況下，用于設(shè)計(jì)的S-N曲線假設(shè)疲勞壽命的最壞情況，無需使用平均應(yīng)力校正因子。
疲勞測試
疲勞測試是疲勞分析的重要組成部分。它涉及對材料或結(jié)構(gòu)進(jìn)行循環(huán)載荷并測量由此產(chǎn)生的疲勞損傷。了解材料和結(jié)構(gòu)疲勞特性和行為對于剩余壽命評估和斷裂力學(xué)分析至關(guān)重要。
為了使用這些方法中的任何一種準(zhǔn)確預(yù)測組件的疲勞壽命，首先需要預(yù)測預(yù)期的最小應(yīng)力、平均應(yīng)力、最大應(yīng)力、應(yīng)力幅度、應(yīng)力范圍和相關(guān)性。這就是仿真，特別是FEA結(jié)構(gòu)仿真可以提供幫助的地方。
通過模擬具有正確材料屬性的組件的預(yù)期載荷，可以假設(shè)疲勞分析的應(yīng)力應(yīng)該是多少。您可以將馮米塞斯等效應(yīng)力或主應(yīng)力作為疲勞分析的輸入。
速石的疲勞分析
速石CAE仿真平臺的主要優(yōu)勢之一是能夠快速輕松地仿真您的設(shè)計(jì)，同時準(zhǔn)確捕獲設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。
這使您能夠模擬真實(shí)的加載和邊界條件，并準(zhǔn)確預(yù)測產(chǎn)品在負(fù)載下的行為。借助 速石CAE云平臺，您可以輕松迭代和優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以提高其耐用性、可靠性和整體性能，而無需專業(yè)硬件或昂貴的軟件。
根據(jù)仿真獲得的平均應(yīng)力值，可以使用諸如Gerber，Goodman和Soderberg之類的關(guān)系，這些關(guān)系將平均應(yīng)力幅度與疲勞壽命相關(guān)聯(lián)，也稱為恒定壽命圖。下圖提供了恒定壽命圖的示例。
總之，疲勞分析和仿真是產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工程中的關(guān)鍵步驟，可以幫助您了解和預(yù)測由循環(huán)載荷引起的材料和結(jié)構(gòu)失效。通過使用應(yīng)力-壽命和應(yīng)變-壽命等方法，并考慮平均應(yīng)力校正、耐久性極限、疲勞裂紋擴(kuò)展和概率疲勞分析等因素，您可以確保產(chǎn)品的耐用性和可靠性。立即聯(lián)系速石科技，詳細(xì)了解它如何幫助您優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
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