如何用有限元法进行疲劳分析

弗朗索瓦

　　一、有限元法疲劳分析的基本思路
　　用有限元法进行疲劳分析，其基本思路是：首先进行静或动强度分析，然后进入到后处理器取出相关的应力应变结果，在后处理器中再定义载荷事件，循环材料特性，接着根据所需要的疲劳准则对每一个载荷事件进行寿命计算，最后根据累计损伤理论判断是否开始破坏。由于结构受力状态往往是一复杂的应力状态，而在实验中测得的结构材料S-N曲线又常是在简单应力状态下获得的，因此常用最小能量屈服准则或其它等效准则，将所研究的疲劳点上的复杂应力用一个等效应力替代。对有限元法而言，这一过程很容易实现。等效替代以后，即可参照原始材料的S-N曲线进行疲劳寿命评估。上述方法称之为应力-寿命法或S-N法，该方法不严格区分裂纹产生和裂纹扩展，而是给出结构发生突然失效前的全寿命估计。当然，还可以采用更加现代化的局部应变法或初始裂纹法。因篇幅所限，下面结合I-Deas软件，仅讨论S-N法。

　　二、I-DEAS 疲劳分析
　　I-DEAS软件可以进行静态疲劳分析(Static Durability Analysis)、瞬态疲劳分析(Transient Durability Analysis)。
　　由于车辆结构的零部件属于低应力、高循环疲劳，故常使用Stress life准则，并使用修正Goodman图，此时，S-N曲线的经验公式修正为：

　　计算中需要的材料参数包括：弹性模量、疲劳强度系数、疲劳强度指数、强度极限。
　　其具体的分析过程是：

　　1. 建立物理模型(Physical Model)

　　对于疲劳分析来说，物理模型即包含结点、单元、物理特性和材料特性的有限元模型。

　　1. 建立数学模型(Mathematical Model)
　　数学模型也就是使用物理模型计算应力或应变。可通过 Model Solution或其它求解
　　器来建立。求解后，可从后处理器中获取相关的应力或应变。

　　2. 荷工况(Loading Conditions)
　　对于静态疲劳分析来说，可以用建立载荷函数的方式施加载荷。

　　3. 定义事件(Events)
　　在进行疲劳评估之前，必须先定义事件。它由物理模型、数学模型、载荷工况组成，如图14-7所示。

　　4. 评估(Evaluation)
　　一般来说，我们可进行下列估算：
　　事件损伤(Event Damage)
　　事件损伤方向(Event Damage Direction)
　　损伤累积(Accumulated Damage)
　　事件寿命估算(Event Life Estimate)

　　5. 后处理(Post Processing)

　　疲劳分析的后处理与静力学的后处理完全一致，此处不再重复。


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