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疲勞分析是設計和優(yōu)化需要高耐用性和可靠性的產(chǎn)品的關鍵步驟。疲勞失效分析有助于識別故障點，防止產(chǎn)品故障、召回甚至災難性事件。通過仿真預期的零件載荷，工程師可以優(yōu)化其設計的抗疲勞性、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)生的失效機制。在疲勞失效中，即使施加的應力低于屈服應力或單次施加載荷損壞材料所需的應力，在重復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)件的疲勞是個復雜的過程，受多種因素的影響，要精確地預估構(gòu)件的疲勞壽命，需要選擇合適的模型，這就需要宏觀力學方面的研究，包括疲勞裂紋發(fā)送、發(fā)展直至破壞的機理，還需要微觀力學方面的研究包括位錯理論等。此外，還涉及到金屬材料科學、材料力學、振動力學、疲勞理論、斷裂力學和計算方法多門學科。只有更深刻地認識了疲勞破壞的機理，將宏觀和微觀研究結(jié)合起來，才能更精確地預測壽命。

疲勞的類型

疲勞主要有兩種類型：

低周疲勞 – 當材料由于應力幅度略小于材料的屈服應力而開裂和失效，并且循環(huán)次數(shù)相當?shù)停ㄉ儆?10，000 次循環(huán)）時
高周疲勞 – 當材料因應力振幅遠小于材料的屈服應力而開裂和失效，并且循環(huán)次數(shù)相當高（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)生的漸進過程。這會導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，在材料表面應力集中點的動態(tài)載荷下會產(chǎn)生裂紋。裂紋萌生面積極小，原點周圍不超過5粒。隨著裂紋的形成，應力集中度顯著增加，導致裂紋在反復加載下向材料中更深地傳播。
裂紋擴展： 裂紋開始在材料中擴展并蔓延。根據(jù)應力強度因子（K）的測量，裂紋擴展可分為三個子階段，該因子用于確定裂紋缺口處的應力：
- 小 K 值： 裂紋的擴展很難預測，因為它取決于材料的微觀結(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：

應力壽命法
應變壽命法
線彈性斷裂力學（LEFM）方法

應力-壽命法

應力壽命方法涉及根據(jù)失效周期數(shù)繪制施加的應力水平。當預期應力不超過材料的彈性極限（屈服點）時，應力-壽命法用于高周疲勞。

因此，應力壽命法可以通過線性材料模型有限元分析仿真來支持，以預測預期應力。

應變-壽命法

應變-壽命法繪制應變幅度與失效周期數(shù)的關系圖。當某些應力超過材料的彈性極限（屈服點）時，它用于低周疲勞。

因此，應變-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測預期應力。

應變-壽命曲線顯示應變幅度與導致失效的循環(huán)次數(shù)的函數(shù)關系

線彈性斷裂力學（LEFM）方法

使用LEFM方法預測疲勞裂紋擴展長度。它精確計算脆性材料的斷裂應力，其中裂紋缺口處的應力場是彈性的。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，改編自格里菲斯準則，據(jù)說是彈塑性斷裂力學的基礎。

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兩款軟件應用較為廣泛。Fe-safe采用世界上最先進的疲勞分析技術，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踐，另外，客戶的反饋也表明，F(xiàn)e-safe可以給出準確的疲勞點和疲勞壽命預測。MSC Fatigue是一款功能較為全面的疲勞設計軟件，在分析領域也廣泛應用

疲勞分析中的平均應力校正

平均應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。平均應力校正因子用于調(diào)整驅(qū)動力或 S-N 曲線，該曲線將應力幅度與失效周期數(shù)相關聯(lián)。

平均應力校正因子的準確性會顯著影響設計的疲勞壽命預測，因此使用可靠、準確的仿真和疲勞分析軟件非常重要。在許多情況下，用于設計的S-N曲線假設疲勞壽命的最壞情況，無需使用平均應力校正因子。

典型 S-N 曲線示例，該曲線將應力范圍與失效周期數(shù)相關聯(lián)

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分析至關重要。

為了使用這些方法中的任何一種準確預測組件的疲勞壽命，首先需要預測預期的最小應力、平均應力、最大應力、應力幅度、應力范圍和相關性。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期載荷，可以假設疲勞分析的應力應該是多少。您可以將馮米塞斯等效應力或主應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計，同時準確捕獲設計細節(jié)。
這使您能夠模擬真實的加載和邊界條件，并準確預測產(chǎn)品在負載下的行為。借助速石CAE云平臺，您可以輕松迭代和優(yōu)化產(chǎn)品設計，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)仿真獲得的平均應力值，可以使用諸如Gerber，Goodman和Soderberg之類的關系，這些關系將平均應力幅度與疲勞壽命相關聯(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)品設計和工程中的關鍵步驟，可以幫助您了解和預測由循環(huán)載荷引起的材料和結(jié)構(gòu)失效。通過使用應力-壽命和應變-壽命等方法，并考慮平均應力校正、耐久性極限、疲勞裂紋擴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，詳細了解它如何幫助您優(yōu)化產(chǎn)品設計。

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