詳解ANSYS nCode結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)方法

引言：我們?yōu)槭裁葱枰M(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)？

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(huì)使企業(yè)的信譽(yù)受損，經(jīng)濟(jì)損失更大！

2、避免過大余量的設(shè)計(jì)

過大余量設(shè)計(jì)使得產(chǎn)品的成本增加，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力下降！

3、考慮了時(shí)間變量，比強(qiáng)度計(jì)算獲得更加符合實(shí)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(jì)方法：

一、無限壽命設(shè)計(jì)(Infinite-life design)

對(duì)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(shí)，將不發(fā)生疲勞破壞。

對(duì)于無裂紋構(gòu)件，控制其應(yīng)力水平，使其小于疲勞極限強(qiáng)度，則不萌生疲勞裂紋。于是，無限壽命設(shè)計(jì)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(duì)于該圖的疲勞極限強(qiáng)度為86.2MPa。

圖1 材料的S-N數(shù)據(jù)列表

對(duì)于需要經(jīng)歷無限次循環(huán)（1e6 次）的零、構(gòu)件，如發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸閥門、頂桿、彈簧，長(zhǎng)期頻繁運(yùn)行的輪軸等，無限壽命設(shè)計(jì)至今仍是一種簡(jiǎn)單而合理的方法。

對(duì)于存在初始裂紋構(gòu)件，控制應(yīng)力強(qiáng)度因子水平，使其小于一個(gè)門檻值，則雖有裂紋但不擴(kuò)展，也可實(shí)現(xiàn)無限壽命設(shè)計(jì)。

二、安全壽命設(shè)計(jì)(Safe-life design)

無限壽命設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)就很不經(jīng)濟(jì)。

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

材料S-N曲線和Miner累積損傷理論，是安全壽命設(shè)計(jì)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(jì)應(yīng)當(dāng)具有足夠的安全儲(chǔ)備。

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

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

這種方法的設(shè)計(jì)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(yàn)等假定其初始尺寸），用斷裂力學(xué)分析、疲勞裂紋擴(kuò)展分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，證明在定期檢查肯定能發(fā)現(xiàn)之前，裂紋不會(huì)擴(kuò)展到足以引起破壞。

斷裂判據(jù)和裂紋擴(kuò)展速率方程是損傷容限設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。損傷容限設(shè)計(jì)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(kuò)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(shí)間，安排檢查并及時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋。

四、耐久性設(shè)計(jì) (Durability design)

20世紀(jì)80年代起，以經(jīng)濟(jì)壽命控制為目標(biāo)的耐久性設(shè)計(jì)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(tái)階等處）處的初始疲勞質(zhì)量，描繪與材料、設(shè)計(jì)、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(kuò)展分析預(yù)測(cè)在不同使用時(shí)刻損傷狀態(tài)的變化，確定其經(jīng)濟(jì)壽命，制定使用、維修方案。

結(jié)構(gòu)使用到某一壽命時(shí)，發(fā)生了不能經(jīng)濟(jì)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(jì)壽命。

耐久性設(shè)計(jì)由原來不考慮裂紋或僅考慮少數(shù)最嚴(yán)重的單個(gè)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(jì)及其制造質(zhì)量對(duì)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(jì)性；提供指導(dǎo)設(shè)計(jì)、制造、使用、維護(hù)的綜合信息。耐久性設(shè)計(jì)已經(jīng)開始應(yīng)用于一些飛機(jī)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(gè)主要發(fā)展方向。

圖2 疲勞耐久性設(shè)計(jì)流程圖

編輯：jq