我应该选择哪种疲劳模型?

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经过Mateusz Stec

2014年11月25日

关于疲劳模块,我们得到的最常见问题是“我在模拟中应该使用哪种疲劳模型?”这个问题没有直接的答案,因为疲劳不是基于确切的微分方程,而是基于导致不同物理模型的工程观察。每个模型的适用性取决于材料和加载类型等因素。今天,我将讨论疲劳模型选择的不同方法以及不同模型的适用性。

识别疲劳行为

可以以不同的方式选择疲劳模型。专业知识是一个很好的起点。可能是,在您的组织中,如果已经分析了类似的应用程序,那么在您的组织中,就该主题存在了先验知识。另外,您也可以通过文献搜索找到专家知识。由于大约90%的结构失败是由疲劳,很有可能另一个工程团队已经分析了与您的类似应用程序。

如果没有关于疲劳情况的知识,则可以根据有关加载条件和预期疲劳失败的一些问题提出合适的疲劳模型。在下图中,我总结了使用疲劳模块评估疲劳时应该提出的关键问题。

选择用于模拟的疲劳模型的图。
选择疲劳模型类型。

随机负载疲劳

首先,您需要确定外部负载是随机的还是您的应用程序经历恒定周期。并非真正随机的载荷,但具有非恒定负载周期的序列,也可能属于这一类。

随机载荷的应力历史记录在结构中引入了复杂的负载方案,该结构需要高级评估技术来量化应力响应。如果您的应用程序受到随机负载的影响,则可以使用累积损伤功能评估疲劳,其中随机负载转换为应力范围分布,而不是单个恒定应力周期 - 这是针对其他评估技术的假定。

您可以在我以前的博客文章中找到有关此计算方法的更多详细信息。随机负载疲劳“。

比例或非比例载荷

在恒定载荷循环下,结构受可重复的载荷序列的影响。在这种情况下,您需要确定加载是比例还是非比例。

在比例负载中,主应力和应变的方向在负载周期内不会变化。区分这两种情况的另一种方法是考虑外部负载的特征。有一个外部负载来源,结构响应由应力张量定义,所有组件都会改变在阶段。当以多个点施加外部负载或有行进载荷时,应力张量的组件可能会更改过时。这两种类型的负载周期需要不同的技术来进行疲劳评估。

比例负载

在比例负载中,控制疲劳的最大应力或应变的方向是明显的。这可能是您在疲劳上参加第一堂课时与之合作的应用程序类型。那时,负载始终是正弦和经典方法,例如S-N曲线,也称为Wöhler曲线。

在疲劳模块中压力生活应变生活模型可以在比例负载时评估疲劳。这些模型基于疲劳寿命曲线,该曲线提供了疲劳寿命与施加的应力或应变幅度之间的直接关系。

压力生活家族中的一种模型需要额外关注:近似S-N曲线(请参阅下图)。在模型中,您在S-N曲线上指定两个点。第一个是高周期和低周期疲劳之间的过渡,而第二个定义了耐力极限。该模型的优点是,它不需要对疲劳材料数据的任何实质性了解,因为这两个所需点可能与最终的拉伸强度有关。尽管这是一个粗略的近似值,但当您缺乏物质数据时,这是一个很好的起点。

S-N曲线模型的示意图。
近似S-N曲线模型。索引t表示过渡点,而索引E表示耐力极限点。

应力寿命模型适用于模拟高周期疲劳,而应变模型经常用于低效果状态。低循环和高周期疲劳之间的过渡各不相同,但通常在1,000至10,000个周期中。

非比例加载

非比例载荷的挑战是确定疲劳控制参数的范围。由于主应力和压力的方向发生了变化,因此参数的方向也会对疲劳寿命产生最大影响。

在疲劳模块中,可以通过使用此类应用来评估基于应变基于压力我在博客条目中讨论的模型“使用关键平面模型的疲劳预测“。这些被称为关键平面模型因为他们评估了空间中的许多方向,以寻找预计疲劳的关键平面。

基于应变的模型适用于低周期疲劳下的疲劳预测,而基于应力的模型经常用于预测高周期疲劳。大多数疲劳模型预测了循环的数量,直到失败为止。基于应力的模型预测了疲劳用法因子,这是所施加的应力与应力极限之间的比例。这表明用户是否已超出应力限制,预期的故障或该组件是否会适用于预期的疲劳寿命。您可以将疲劳用法因子视为安全系数的倒数。

基于能量的疲劳

在某些情况下,仅应力或应变不足以表征疲劳特性。然后您可以使用基于能量的楷模。这些结合了应力和应变成能量,在负载周期中释放或消散。

基于能量的模型经常用于低循环疲劳状态的非线性材料。由于可以以不同的方式计算能量,因此基于能量的模型可以按比例和非比例加载应用程序使用。

博客文章标题为“在非线性材料中建模热疲劳”演示了基于能量的模型的使用。

疲劳模型示例

我想分享一些示例,以说明如何使用不同的模型类型:

如果您对疲劳建模应用有任何疑问,请联系我们


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