ANSYS的疲劳分析-基于S-N曲线的疲劳计算

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　　1 概述
　　疲劳是指结构在低于静态极限强度载荷的重复载荷作用下，出现断裂破坏的现象。绝大多数的结构都存在疲劳的问题，比如一台定时开启运行的设备，比如桥梁，除了载荷导致的疲劳破坏，还有温度或者其他场载荷都能导致疲劳的产生。关系到疲劳强度的主要因素使应力幅值、循环次数、平均应力等。
　　疲劳的危害是导致结构在未超过许用强度的状态下发生破坏，例如一根能够承受 300 KN 拉力作用的钢杆，在 200 KN 循环载荷作用下，经历 1,000,000 次循环后亦会破坏。

　　2 关键词
　　事件：每种结构经历的循环过程可能不一样，甚至有的经历多个事件，事件是指在特定的应力循环中不同时刻的一系列的应力状态。这么说好像很难理解的样子。
　　其实简单点：举个例子，一根梁，每隔半个小时施加一个弯矩，让其弯曲，隔一个小时施加一个拉力，让其受拉。很明显这里有两个循环事件，这两个事件导致的循环过程不一样。
　　载荷：载荷是时间的一部分，每一个事件是有很多个载荷来完成的。
　　应力幅：两个载荷之间的应力状态之差，如图1，上下应力峰值之差即应力幅值。

　　图1 应力循环

　　位置：即需要计算疲劳强度的结构位置。

　　3 建模求解
　　这部分内容根据结构实际状态，建立模型，设定载荷步，加载计算。

　　本次还是以一个小例子，具体求解过程不再赘述。

1. 　　/prep7
   
2. 
   
3. 　　et,1,plane42
   
4. 
   
5. 　　MPTEMP,1,0
   
6. 
   
7. 　　mpdata,ex,1,,2e8
   
8. 
   
9. 　　mpdata,prxy,1,,0.3
   
10. 
    
11. 　　rectng,0,200,0,100,
    
12. 
    
13. 　　cyl4,100,50,25
    
14. 
    
15. 　　asba,1,2
    
16. 
    
17. 　　smrtsize,3
    
18. 
    
19. 　　amesh,all
    
20. 
    
21. 　　finish
    
22. 
    
23. 　　/solv
    
24. 
    
25. 　　nsel,s,loc,x,0
    
26. 
    
27. 　　d,all,,,,,,ux
    
28. 
    
29. 　　d,1,,,,,,uy
    
30. 
    
31. 　　sfl,2,pres,0,31
    
32. 
    
33. 　　allsel,all
    
34. 
    
35. 　　solve
    
36. 
    
37. 　　finish
    

复制代码

　　4 S-N曲线
　　疲劳分析是在计算结果之上进行再次计算，其实这个过程也可以人为计算而不需要在软件里面实现。直接查询校核点的应力，算出应力幅值，再根据材料的S-N曲线，插值即可得到需用的循环次数，通过与实际循环次数对比，便能计算疲劳使用系数，也即累计损伤系数。
　　本次通过软件，通过赋予材料S-N疲劳属性，指定各种参数，直接得出累计损伤系数。
　　ANSYS在定义这些参数的过程中，有几个关键命令：FP，FL，FS，FSNODE，FE，FTCALC。

　　查询ANSYS帮助文档，如下。

　　图2 FP

　　根据疲劳曲线输入S-N数据
　　STITM： ANSYS可以定义62个，取值1~20为循环次数，21~40为对应的应力幅度，41~50为温度，51~60为平均应力，61和62为弹塑性材料参数。

　　C1~C6：每次可以定义6个值


　　图3 FL

　　定义疲劳分析参数
　　NLOC：参考系数，自己定义，从1开始就行
　　NODE：节点号
　　SCFX，SCFY，SCFZ：集中系数

　　TITLE：标题

　　图4 FSNODE

　　计算并存储疲劳分析节点的各应力分量
　　NODE：节点号
　　NEV：事件代号

　　NLOD：载荷代号

　　图5 FS

　　储存节点应力
　　NODE：节点号
　　NEV：事件代号
　　NLOD：载荷代号

　　STITM：太长不解释，如图4。(很明显，可以通过这个命令修改应力)

　　图6FE

　　设定事件循环次数及载荷比例系数
　　NEV：不解释
　　CYCLE：循环次数
　　FACT：比例系数

　　TITLE：不解释

　　图7 FTCALC

　　进行疲劳评定
　　本次例子中S-N曲线定义如下：
　　/post1
　　plnsol,s,eqv,0,1
　　FP,1,100,200,500,1e3,1500,2e3
　　FP,7,1e4,1e5,1e6,2e6,3e6,5e6
　　FP,13,6e6,7e6,8e6,9e6,10e6,11e6
　　FP,19,12e6,15e6
　　FP,21,150,120,110,100,95,90
　　FP,27,85,80,75,70,65,60
　　FP,33,55,50,45,40,35,30
　　FP,39,29,25
　　定义40个循环次数对应的应力幅度。

　　5 评定
　　提取需要评定的节点号
　　*set,n_num,node(100,75,0)
　　fl,1,n_num
　　fsnode,n_num,1,1,
　　fs,n_num,1,2,1,
　　fe,1,10000,2,evel
　　ftcalc,1

　　分别定义以上参数。

　　图8 应力结果


　　图9 疲劳评定结果

　　疲劳评定结果如图8，最终使用系数为0.38045，小于1，所以疲劳强度合格。

　　说明：这个例子的事件只有一个，载荷很简单，工况很简单，没用用到工况的相减运算，仅是示例，当遇到复杂问题时，还有各种细节需要注意，但终归属于那几个命令。


转自：http://mp.weixin.qq.com/s?__biz= ... 1Iu0ul90cejgHlxl#rd

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