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2013-06-04 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
三章 不穩(wěn)定振幅的疲勞
在前面一章中,考察了恒定振幅和比例載荷的情況,并涉及到最大和最小振幅在保持恒定的情況下的循環(huán)或重復載荷。在本章將針對不定振幅、比例載荷情況,盡管載荷仍是成比例的,但應力幅和平均應力卻是隨時間變化的。
3.1 不規(guī)律載荷的歷程和循環(huán)(History and Cycles)
對于不規(guī)律載荷歷程,需要進行特殊處理:
計算不規(guī)律載荷歷程的循環(huán)所使用的是“雨流”rainflow循環(huán)計算,“雨流”循環(huán)計算(Rainflowcycle counting)是用于把不規(guī)律應力歷程轉化為用于疲勞計算的循環(huán)的一種技術(如右面例子),先計算不同的“平均”應力和應力幅(“range”)的循環(huán),然后使用這組“雨流”循環(huán)完成疲勞計算。
損傷累加是通過Palmgren-Miner 法則完成的,Palmgren-Miner法則的基本思想是:在一個給定的平均應力和應力幅下,每次循環(huán)用到有效壽命占總和的百分之幾。對于在一個給定應力幅下的循環(huán)次數(shù)Ni,隨著循環(huán)次數(shù)達到失效次數(shù)Nfi時,壽命用盡,達到失效。
“雨流”循環(huán)計算和Palmgren-Miner損傷累加都用于不定振幅情況。
因此,任何任意載荷歷程都可以切分成一個不同的平均值和范圍值的循環(huán)陣列(“多個豎條”),右圖是“雨流”陣列,指出了在每個平均值和范圍值下所計算的循環(huán)次數(shù),較高值表示這些循環(huán)的將出現(xiàn)在載荷歷程中。
在一個疲勞分析完成以后,每個“豎條”(即“循環(huán)”)造成的損傷量將被繪出,對于“雨流”陣列中的每個“豎條”(bin),顯示的是對應的所用掉的壽命量的百分比。在這個例子中,即使大多數(shù)循環(huán)發(fā)生在低范圍/平均值,但高范圍(range)循環(huán)仍會造成主要的損傷。依據(jù)Per Miner法則,如果損傷累加到1(100%),那么將發(fā)生失效。
3.2 不定振幅程序
a 建立引領分析(線性,比載荷) b 定義疲勞材料特性(包括S-N曲線)
a 定義載荷歷程數(shù)據(jù),并以及平均應力的影響的處理 b 為“雨流”循環(huán)次數(shù)的計算定義bins的數(shù)量
e 求解并查看疲勞結果(例如,損傷matrix,損傷等值線圖,壽命等值線等)
對于建立基于不定振幅、比例載荷情況下疲勞分析的過程,與前面講過的第二章中介紹非常相似,但有兩個例外:載荷類型的定義不同,查看的疲勞結果中包括變化的“雨流”和損傷陣列。
3.3.定義
3.3.1 定義載荷類型
在Fatigue Tool的Details 欄中, 載荷類型“Type”指的是歷程數(shù)據(jù)“History Data”,既而,在“History Data Location”下定義一個外部文件. 這個文本文件將會包含一組循環(huán)(或周期)的載荷歷程點,由于歷程數(shù)據(jù)文本文件的數(shù)值表示的是載荷的倍數(shù),所以比例因子“Scale Factor”也能夠用于放大載荷。
3.3.2 定義無限壽命
恒定振幅載荷中,如果應力低于S-N曲線中最低限,曾提過的最后定義的循環(huán)次數(shù)將被使用。但在不定振幅載荷下,載荷歷程將被劃分成各種平均應力和應力幅的“豎條”(“bins”)。由于損傷是累積起來的,這些小應力可能造成相當大的影響,即當循環(huán)次數(shù)很高時。因此,如果應力幅比S-N曲線的最低點低,“無限壽命”值可以在Fatigue Tool 的Details欄中輸入,以定義所采用循環(huán)次數(shù)的值。
損傷的定義是循環(huán)次數(shù)與失效時次數(shù)的比值,因此對于沒有達到S-N曲線上的失效循次數(shù)的小應力,“無限壽命”就提供這個值。
通過對“無限壽命”設置較大值,小應力幅循環(huán)(“Range”)的影響造成的損傷將很小,因為損傷比率較小(damage ratio)。
3.3.3 定義bin size
“豎條尺寸”(“Bin Size”)也可以在Fatigue Tool 的Details欄中定義,rainflow陣列尺寸是bin_size x bin_size。Binsize越大,排列的陣列就越大,于是平均(mean)和范圍(range)可以考慮的更精確,否則將把更多的循環(huán)次數(shù)放在在給定的豎條中(看下圖),但是對于疲勞分析,豎條的尺寸越大,所需要的內存和CPU成本會越高。
3.3.4 定義豎條尺寸
另一方面請注意,我們可以看到單根鋸齒或正弦曲線的載荷歷程數(shù)據(jù)將產生與第二章中所講的恒定振幅相似的結果。注意,這樣的一個載荷歷程將產生一個與恒定振幅情況下同樣的平均應力和應力幅的計算。這個結果可能與恒定振幅情況有輕微差異取決于豎條的尺寸,因為range的均分方式可能與確切值不一致,所以,如果應用的話,推薦使用恒定振幅法。
前面的討論非常清楚地指出“bins”的數(shù)目影響求解精度。這是因為交互和平均應力在計算部分損傷前先被輸入到“bins”中。這就是“Quick Counting”技術。
默認方法(因為其效率高)“Quick RainflowCounting”可以在“Details view”中關閉,在這種情況下,部分損傷發(fā)現(xiàn)前數(shù)據(jù)不會被輸入到“bins”,因此“bins”的數(shù)目不會影響結果。
雖然這種方法很準確,但它會耗費更多的內存和計算時間。
3.4 查看疲勞結果
定義了需要的結果以后,不定振幅情況就可以采用恒定振幅情況相似的方式,與應力分析一起或在應力分析以后進行求解。由于求解的時間取決于載荷歷程和豎條尺寸,所在進行的求解可能要比恒定振幅情況的時間長,但它仍比常規(guī)FEM的求解快。
結果與恒定振幅情況相似:
代替疲勞循環(huán)次數(shù),壽命結果報告了直到失效的載荷‘塊’的數(shù)量。舉個例子,如果載荷歷程數(shù)據(jù)描述了一個給定的時間‘塊’(假設是一周的時間),以及指定的最小壽命是50,那么該部件的壽命就是50‘塊’或50周。
損傷和安全系數(shù)(Damageand Safety Factor)基于在Details欄中輸入的設計壽命(Design Life),但仍然是以‘塊’形式出現(xiàn),而不是循環(huán)。
BiaxialityIndication(雙軸指示)與恒定振幅情況一樣,對于不定振幅載荷均可用。
對于不定振幅情況,Equivalent Alternating Stress(等效交變應力),不能作為結果輸出。這是因為單個值不能用于決定失效的循環(huán)次數(shù),因而采用基于載荷歷程的多個值。
Fatigue Sensitivity(疲勞敏感性)對于壽命‘塊’也是可用的。
在不定振幅情況中也有一些自身獨特的結果:
Rainflow陣列,雖然不是真實的結果,對于輸出是有效的,在前面已經討論了,它提供了如何把交變和平均應力從載荷歷程劃分成豎條的信息。
損傷陣列顯示的是指定的實體(scoped entities)的評定位置的損傷。它反映了所生成的每個豎條損傷的大小。注意,結果是在指定的部件或表面的臨界位置上的結果。
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