詳解ANSYS nCode結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計方法

引言：我們?yōu)槭裁葱枰M(jìn)行疲勞設(shè)計？

1、避免疲勞失效

產(chǎn)品出現(xiàn)不應(yīng)當(dāng)發(fā)生的疲勞失效會使企業(yè)的信譽受損，經(jīng)濟損失更大！

2、避免過大余量的設(shè)計

過大余量設(shè)計使得產(chǎn)品的成本增加，市場競爭力下降！

3、考慮了時間變量，比強度計算獲得更加符合實際的結(jié)構(gòu)失效位置。

下面給大家介紹一下常用的疲勞設(shè)計方法：

一、無限壽命設(shè)計(Infinite-life design)

對于疲勞，應(yīng)力幅比構(gòu)件承受的最大應(yīng)力更重要。應(yīng)力幅越大，疲勞壽命越短；應(yīng)力幅小于某一極限值時，將不發(fā)生疲勞破壞。

對于無裂紋構(gòu)件，控制其應(yīng)力水平，使其小于疲勞極限強度，則不萌生疲勞裂紋。于是，無限壽命設(shè)計條件為：

S

材料的疲勞持久極限Sf由S-N曲線給出，如圖1所示，對于該圖的疲勞極限強度為86.2MPa。

圖1 材料的S-N數(shù)據(jù)列表

對于需要經(jīng)歷無限次循環(huán)（1e6 次）的零、構(gòu)件，如發(fā)動機氣缸閥門、頂桿、彈簧，長期頻繁運行的輪軸等，無限壽命設(shè)計至今仍是一種簡單而合理的方法。

對于存在初始裂紋構(gòu)件，控制應(yīng)力強度因子水平，使其小于一個門檻值，則雖有裂紋但不擴展，也可實現(xiàn)無限壽命設(shè)計。

二、安全壽命設(shè)計(Safe-life design)

無限壽命設(shè)計要求將構(gòu)件中的使用應(yīng)力控制在很低的水平，材料的潛力得不到充分發(fā)揮，對于并不需要經(jīng)受很多循環(huán)次數(shù)的構(gòu)件，無限壽命設(shè)計就很不經(jīng)濟。

使構(gòu)件在有限長設(shè)計壽命內(nèi)，不發(fā)生疲勞破壞的設(shè)計，稱為安全壽命設(shè)計或有限壽命設(shè)計。民用飛機，容器，管道，汽車等，大都采用安全壽命設(shè)計。

材料S-N曲線和Miner累積損傷理論，是安全壽命設(shè)計的基礎(chǔ)。當(dāng)然，考慮到疲勞破壞的分散性等不確定因素，安全壽命設(shè)計應(yīng)當(dāng)具有足夠的安全儲備。

三、損傷容限設(shè)計(Damage telerence design)

由于裂紋的存在，安全壽命設(shè)計并不能完全確保安全。疲勞裂紋擴展速率可以由應(yīng)力強度因子幅度ΔK 描述。使疲勞裂紋擴展壽命預(yù)測研究得到快速發(fā)展。

這種方法的設(shè)計思路是：假定構(gòu)件中存在著裂紋（依據(jù)無損探傷能力、使用經(jīng)驗等假定其初始尺寸），用斷裂力學(xué)分析、疲勞裂紋擴展分析和試驗驗證，證明在定期檢查肯定能發(fā)現(xiàn)之前，裂紋不會擴展到足以引起破壞。

斷裂判據(jù)和裂紋擴展速率方程是損傷容限設(shè)計的基礎(chǔ)。損傷容限設(shè)計希望在裂紋到達(dá)臨界尺寸ac前檢出裂紋。因此，要選用韌性較好、裂紋擴展緩慢的材料，以保證有足夠大的臨界裂紋尺寸ac和充分的時間，安排檢查并及時發(fā)現(xiàn)裂紋。

四、耐久性設(shè)計 (Durability design)

20世紀(jì)80年代起，以經(jīng)濟壽命控制為目標(biāo)的耐久性設(shè)計概念形成。耐久性是構(gòu)件和結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用條件下抗疲勞斷裂性能的一種定量度量。這種方法首先要定義疲勞破壞嚴(yán)重細(xì)節(jié)（如孔、槽、圓弧、臺階等處）處的初始疲勞質(zhì)量，描繪與材料、設(shè)計、制造質(zhì)量相關(guān)的初始疲勞損傷狀態(tài)，再用疲勞或疲勞裂紋擴展分析預(yù)測在不同使用時刻損傷狀態(tài)的變化，確定其經(jīng)濟壽命，制定使用、維修方案。

結(jié)構(gòu)使用到某一壽命時，發(fā)生了不能經(jīng)濟修理的廣布損傷，而不修理又可能引起結(jié)構(gòu)的功能問題，這一壽命就稱經(jīng)濟壽命。

耐久性設(shè)計由原來不考慮裂紋或僅考慮少數(shù)最嚴(yán)重的單個裂紋，發(fā)展到考慮全部可能出現(xiàn)的裂紋群；由僅考慮材料的疲勞抗力，發(fā)展到考慮細(xì)節(jié)設(shè)計及其制造質(zhì)量對疲勞抗力的影響；由僅考慮安全，發(fā)展到綜合考慮安全、功能及使用經(jīng)濟性；提供指導(dǎo)設(shè)計、制造、使用、維護的綜合信息。耐久性設(shè)計已經(jīng)開始應(yīng)用于一些飛機結(jié)構(gòu)及其它重要工程構(gòu)件中，是21世紀(jì)疲勞斷裂控制研究的一個主要發(fā)展方向。

圖2 疲勞耐久性設(shè)計流程圖

編輯：jq