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2013-06-04 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
三章 不稳定振幅的疲劳
在前面一章中,考察了恒定振幅和比例载荷的情况,并涉及到最大和最小振幅在保持恒定的情况下的循环或重复载荷。在本章将针对不定振幅、比例载荷情况,尽管载荷仍是成比例的,但应力幅和平均应力却是随时间变化的。
3.1 不规律载荷的历程和循环(History and Cycles)
对于不规律载荷历程,需要进行特殊处理:
计算不规律载荷历程的循环所使用的是“雨流”rainflow循环计算,“雨流”循环计算(Rainflowcycle counting)是用于把不规律应力历程转化为用于疲劳计算的循环的一种技术(如右面例子),先计算不同的“平均”应力和应力幅(“range”)的循环,然后使用这组“雨流”循环完成疲劳计算。
损伤累加是通过Palmgren-Miner 法则完成的,Palmgren-Miner法则的基本思想是:在一个给定的平均应力和应力幅下,每次循环用到有效寿命占总和的百分之几。对于在一个给定应力幅下的循环次数Ni,随着循环次数达到失效次数Nfi时,寿命用尽,达到失效。
“雨流”循环计算和Palmgren-Miner损伤累加都用于不定振幅情况。
因此,任何任意载荷历程都可以切分成一个不同的平均值和范围值的循环阵列(“多个竖条”),右图是“雨流”阵列,指出了在每个平均值和范围值下所计算的循环次数,较高值表示这些循环的将出现在载荷历程中。
在一个疲劳分析完成以后,每个“竖条”(即“循环”)造成的损伤量将被绘出,对于“雨流”阵列中的每个“竖条”(bin),显示的是对应的所用掉的寿命量的百分比。在这个例子中,即使大多数循环发生在低范围/平均值,但高范围(range)循环仍会造成主要的损伤。依据Per Miner法则,如果损伤累加到1(100%),那么将发生失效。
3.2 不定振幅程序
a 建立引领分析(线性,比载荷) b 定义疲劳材料特性(包括S-N曲线)
a 定义载荷历程数据,并以及平均应力的影响的处理 b 为“雨流”循环次数的计算定义bins的数量
e 求解并查看疲劳结果(例如,损伤matrix,损伤等值线图,寿命等值线等)
对于建立基于不定振幅、比例载荷情况下疲劳分析的过程,与前面讲过的第二章中介绍非常相似,但有两个例外:载荷类型的定义不同,查看的疲劳结果中包括变化的“雨流”和损伤阵列。
3.3.定义
3.3.1 定义载荷类型
在Fatigue Tool的Details 栏中, 载荷类型“Type”指的是历程数据“History Data”,既而,在“History Data Location”下定义一个外部文件. 这个文本文件将会包含一组循环(或周期)的载荷历程点,由于历程数据文本文件的数值表示的是载荷的倍数,所以比例因子“Scale Factor”也能够用于放大载荷。
3.3.2 定义无限寿命
恒定振幅载荷中,如果应力低于S-N曲线中最低限,曾提过的最后定义的循环次数将被使用。但在不定振幅载荷下,载荷历程将被划分成各种平均应力和应力幅的“竖条”(“bins”)。由于损伤是累积起来的,这些小应力可能造成相当大的影响,即当循环次数很高时。因此,如果应力幅比S-N曲线的最低点低,“无限寿命”值可以在Fatigue Tool 的Details栏中输入,以定义所采用循环次数的值。
损伤的定义是循环次数与失效时次数的比值,因此对于没有达到S-N曲线上的失效循次数的小应力,“无限寿命”就提供这个值。
通过对“无限寿命”设置较大值,小应力幅循环(“Range”)的影响造成的损伤将很小,因为损伤比率较小(damage ratio)。
3.3.3 定义bin size
“竖条尺寸”(“Bin Size”)也可以在Fatigue Tool 的Details栏中定义,rainflow阵列尺寸是bin_size x bin_size。Binsize越大,排列的阵列就越大,于是平均(mean)和范围(range)可以考虑的更精确,否则将把更多的循环次数放在在给定的竖条中(看下图),但是对于疲劳分析,竖条的尺寸越大,所需要的内存和CPU成本会越高。
3.3.4 定义竖条尺寸
另一方面请注意,我们可以看到单根锯齿或正弦曲线的载荷历程数据将产生与第二章中所讲的恒定振幅相似的结果。注意,这样的一个载荷历程将产生一个与恒定振幅情况下同样的平均应力和应力幅的计算。这个结果可能与恒定振幅情况有轻微差异取决于竖条的尺寸,因为range的均分方式可能与确切值不一致,所以,如果应用的话,推荐使用恒定振幅法。
前面的讨论非常清楚地指出“bins”的数目影响求解精度。这是因为交互和平均应力在计算部分损伤前先被输入到“bins”中。这就是“Quick Counting”技术。
默认方法(因为其效率高)“Quick RainflowCounting”可以在“Details view”中关闭,在这种情况下,部分损伤发现前数据不会被输入到“bins”,因此“bins”的数目不会影响结果。
虽然这种方法很准确,但它会耗费更多的内存和计算时间。
3.4 查看疲劳结果
定义了需要的结果以后,不定振幅情况就可以采用恒定振幅情况相似的方式,与应力分析一起或在应力分析以后进行求解。由于求解的时间取决于载荷历程和竖条尺寸,所在进行的求解可能要比恒定振幅情况的时间长,但它仍比常规FEM的求解快。
结果与恒定振幅情况相似:
代替疲劳循环次数,寿命结果报告了直到失效的载荷‘块’的数量。举个例子,如果载荷历程数据描述了一个给定的时间‘块’(假设是一周的时间),以及指定的最小寿命是50,那么该部件的寿命就是50‘块’或50周。
损伤和安全系数(Damageand Safety Factor)基于在Details栏中输入的设计寿命(Design Life),但仍然是以‘块’形式出现,而不是循环。
BiaxialityIndication(双轴指示)与恒定振幅情况一样,对于不定振幅载荷均可用。
对于不定振幅情况,Equivalent Alternating Stress(等效交变应力),不能作为结果输出。这是因为单个值不能用于决定失效的循环次数,因而采用基于载荷历程的多个值。
Fatigue Sensitivity(疲劳敏感性)对于寿命‘块’也是可用的。
在不定振幅情况中也有一些自身独特的结果:
Rainflow阵列,虽然不是真实的结果,对于输出是有效的,在前面已经讨论了,它提供了如何把交变和平均应力从载荷历程划分成竖条的信息。
损伤阵列显示的是指定的实体(scoped entities)的评定位置的损伤。它反映了所生成的每个竖条损伤的大小。注意,结果是在指定的部件或表面的临界位置上的结果。
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