疲劳分析利器：nCode软件全解析

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疲劳带来的危害

95%的断裂都是由于疲劳引起的；

通过疲劳耐久性分析 ，50%是可以避免的；

疲劳损伤 定义

疲劳损伤：在交变载荷 作用下，裂纹的萌生或扩展的过程。

特点：

• 逐步损伤
  
• 多次循环加载后，结构累了，成为疲劳
  
• 几乎所有的结构部件都会收到交变载荷的作用。

疲劳的三个阶段：

裂纹的萌生，滑移带 产生，穿过两三个晶格的过程；

1. 裂纹稳定扩展，宏观裂纹阶段；
2. 快速断裂。我们只关注第一第二阶段。
   总的寿命=裂纹萌生 +裂纹扩展。

疲劳的几个核心特征量：

以下5个参数，任意两个量可以描述全部。对于疲劳分析使用最多的是应力比和应力范围（幅值）。

疲劳分析方法

• 耐久性研究方法主要有疲劳分析方法（分为应力疲劳 和应变疲劳 ）和断裂力学分析方法。

• 我们主要研究疲劳分析方法，其中应变疲劳比应力疲劳方法更有优势。

应力疲劳：使用弹性应力和SN曲线 ，（SN曲线横轴是次数，纵轴是应力幅或应力范围）

很多时候使用的SN曲线是平均应力为0的曲线，如果平均应力不为0的话，需要修正,或者做很多实验。

应变疲劳：使用弹塑性应变和曲线，试用低周和高周疲劳。采用总应变-寿命关系进行描述。

循环应力应变曲线，是弹性应变与寿命的关系与塑性应变与寿命的关系之和。

疲劳数值计算的5个要素

1. 有限元分析 结果

有限元分析结果（稳态问题）大部分不和时间有关，也可以是瞬态的。（一般对于应力计算结果，节点应力与单元应力值两者差距在5%以内是ok的）；

1. 材料----是疲劳计算的关键；
   
2. 载荷映射----载荷映射是将静态解转换为交变解的过程。

• 根据实际工况确定载荷的变换情况来映射载荷，也可以根据国标确定。
• 载荷映射的类型：时间序列--横幅载荷--时间步载荷--温度载荷--Hybird载荷--振动载荷--Duty Cycle；
  

疲劳分析一般步骤

基本流程（以SN分析为例）

载荷映射

时间序列载荷

• Time series --连接静力学模块。
• 通道的概念，不同通道对应不同时间序列载荷。1个载荷步就对应一个通道。线性问题才具有可叠加性。
• offset可以考虑残余应力。

恒定幅值载荷---输入最大值和最小值，点与点之间靠直线连接。

• 恒定幅值没有频率。寿命只代表循环，需要知道一个周期的时间。

时间步载荷（Time Step）

• 关联的是瞬态动力学，比如做齿轮接触，齿轮啮合一周的时间。
• 静力学设置的时间步 time 与疲劳计算结果没有关系。（已验证）

材料

材料组参数面板---双击默认材料组----一般不调

• 载荷可以在材料、载荷、分析三个地方调节缩放因子。

粗糙度的设置

知乎（表面粗糙度）

https://zhuanlan.zhihu.com/p/24954549

• 关于粗糙度的设置，基于德国FKM手册的方法，只对于下面表格中材料有效。其中材料编号对应的材料可在nCode的帮助文档中找到。

S-N生成自定义材料--疲劳属性的估计

• 估计疲劳属性参数----抗拉强度--方差（统计、离散度）方差一般设置为0.1（跟计算引擎中设置的存活率相关）。

疲劳参数估计提供了4种材料：有色金属、铝合金...

SN计算设置

SN引擎（前4种常用）

1. 标准--计算引擎和材料类型要匹配；一般都是自己估计的材料才是标准曲线的。选用标准的SN求解器材料一定要选择标准的SN曲线。
2. 多平均应力曲线--材料多平均应力材料
3. 多应力比曲线--材料用多应力比材料
4. Haigh图-等寿命曲线
5. 多温度曲线
6. 非线性--蠕变

数据决定了使用什么求解器

应力组合方法

推荐使用前四种，Criticalplane（临界面）最常用。

平均应力修正：进行等寿命转换

推荐使用FKM方法，700材料，没有相关参数，用goodman偏保守。

多轴评估方法

正常使用Auto就可以了，自动话程度比较高，如果平均应力组合使用“危险面（临界面）”的话，建议使用Standard。

存活率

疲劳实验给的数据为存活率为50%（N50）的SN曲线。

x = μ +uσ

这里的μ对应的为50%存活率下的值，u对应的是设置的存活率的值，σ对应的方差，输入曲线时方差设置为0和存活率设置为50%得到的效果是一样的。但是由于置信度的存在，实际软件计算的值要更保守，由于样本已经考虑了置信度，此时标准差设置为0，比较准确。

小循环修正--可以使用BS7608 过了NC1之后才有用

事件处理：只有载荷是占空比才有意义

应力梯度修正：算应力集中系数。采用Auto就好了。

对于表中材料有用。

插值限制，一般使用外推

只对多应力比曲线和平均应力曲线有效。

反演单轴计算--算安全系数

EN计算设置

稳态环是用于计算平均应力修正E-N曲线

应变组合方法--推荐 临界面

平均应力修正--

多轴评估建议使用Auto

弹塑性修正 HoffmannSeeger

塑性极限载荷修正Seeger-Heulaer

振动疲劳计算设置

振动疲劳主要是基于有限元频响分析的结果，功率谱密度作为载荷映射计算得到的统计值。

对于某些软件如Hyperlife，可以直接根据随机振动结果计算振动疲劳，另外，CAEfatiage在振动疲劳上比较有优势。

总结

疲劳分析的基本步骤：

1. 疲劳试验
   
2. 获得S-N（EN）曲线
   
3. 调整S-N曲线 缺口 粗糙度
   
4. 对应力历程数据进行雨流计数---查SN曲线
   
5. 对循环计算疲劳损伤 线性累加

• 疲劳计算就是一个数据查表整理的过程，在查表的过程中可能查的不是最初给的曲线，而是软件修正后的曲线，因为实际疲劳计算的模型和试件之间的差异，所以需要修正。对于表面粗糙度、加工方式等修正方法和数据是根据实验和小部分是根据理论来的。
• 在进行结构疲劳分析的时候，SN 曲线/EN曲线是必须要用到的，初学者很容易犯概念错误：误以为 SN曲线中的S指的应力，以为SN曲线是应力和寿命的对应关系，这样做了有限元计算之后，知道了各个点的应力值，然后根据SN曲线中的应力-寿命关系，直接得到各个点的寿命，这是典型的概念理解错误。SN曲线中的 S不是指应力，而是指载荷谱（常幅载荷谱）的应力幅(Stress Amplitude)或者应力范围(stress range)。有的软件计算的时候，使用应力幅，有的使用应力范围，应力幅度是应力范围的1/2。不管应力幅还是应力范围，都是一个差值，反映的是常幅载荷谱的应力变化值的大小，跟应力本身没有直接的关系，只有在平均应力为0的时候，应力幅恰好等于常幅载荷谱的最大应力。

在疲劳计算中，有几个关键问题：

(1)如何在材料的S-N曲线中的应力与有限元计算的应力进行等效对比，这个在Ncode中称为应力组合；

(2)如果受条件限制，只能做一组疲劳数据，而模型的实际工况可能比较复杂，因此就需要引入平均应力修正方法

(3)由于疲劳试验时，试棒的表面是光滑的，而实际的模型可能表面是粗糙，也可能存在应力集中，因此需要对S-N曲线进行修正。

参考教程

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