cae有限元分析,有限元分析,疲劳分析,CAE仿真云

疲劳分析是设计和优化需要高耐用性和可靠性的产品的关键步骤。疲劳失效分析有助于识别故障点，防止产品故障、召回甚至灾难性事件。通过仿真预期的零件载荷，工程师可以优化其设计的抗疲劳性、可靠性和性能。

什么是疲劳？

疲劳是材料中在承受循环载荷时发生的失效机制。在疲劳失效中，即使施加的应力低于屈服应力或单次施加载荷损坏材料所需的应力，在重复载荷下也会在材料中形成裂纹。

疲劳分析需要注意什么：

构件的疲劳是个复杂的过程，受多种因素的影响，要精确地预估构件的疲劳寿命，需要选择合适的模型，这就需要宏观力学方面的研究，包括疲劳裂纹发送、发展直至破坏的机理，还需要微观力学方面的研究包括位错理论等。此外，还涉及到金属材料科学、材料力学、振动力学、疲劳理论、断裂力学和计算方法多门学科。只有更深刻地认识了疲劳破坏的机理，将宏观和微观研究结合起来，才能更精确地预测寿命。

疲劳的类型

疲劳主要有两种类型：

低周疲劳 – 当材料由于应力幅度略小于材料的屈服应力而开裂和失效，并且循环次数相当低（少于 10，000 次循环）时
高周疲劳 – 当材料因应力振幅远小于材料的屈服应力而开裂和失效，并且循环次数相当高（大于 10，000 次循环）时

疲劳失效的三个阶段

疲劳失效是由于载荷的循环性质而发生的渐进过程。这会导致材料中的微观缺陷逐渐长成宏观裂缝。从那里开始，疲劳遵循三个连续的阶段，最终导致骨折：

裂纹萌生（裂纹形成）： 由于嵌入的颗粒、结构不连续性、高温甚至焊接缺陷，在材料表面应力集中点的动态载荷下会产生裂纹。裂纹萌生面积极小，原点周围不超过5粒。随着裂纹的形成，应力集中度显著增加，导致裂纹在反复加载下向材料中更深地传播。
裂纹扩展： 裂纹开始在材料中扩展并蔓延。根据应力强度因子（K）的测量，裂纹扩展可分为三个子阶段，该因子用于确定裂纹缺口处的应力：
- 小 K 值： 裂纹的扩展很难预测，因为它取决于材料的微观结构。在这里，裂缝可能根本不会增长。
- K 值增加：传播速率更多地依赖于材料而不是微观结构。这是大多数裂纹扩展发生的时候。
- 高 K 值：传播速度迅速加快，直到材料无法保持在一起，并发生断裂。
快速骨折：在这个阶段，材料在循环载荷下完全失效并急剧断裂。

疲劳分析方法

疲劳分析涉及几种方法，最突出的是：

应力寿命法
应变寿命法
线弹性断裂力学（LEFM）方法

应力-寿命法

应力寿命方法涉及根据失效周期数绘制施加的应力水平。当预期应力不超过材料的弹性极限（屈服点）时，应力-寿命法用于高周疲劳。

因此，应力寿命法可以通过线性材料模型有限元分析仿真来支持，以预测预期应力。

应变-寿命法

应变-寿命法绘制应变幅度与失效周期数的关系图。当某些应力超过材料的弹性极限（屈服点）时，它用于低周疲劳。

因此，应变-寿命方法需要非线性弹塑性材料模型有限元分析仿真来预测预期应力。

线弹性断裂力学（LEFM）方法

使用LEFM方法预测疲劳裂纹扩展长度。它精确计算脆性材料的断裂应力，其中裂纹缺口处的应力场是弹性的。但是，它没有考虑凹口处延展性材料中发生的塑性流动。它需要进一步修改以解释塑性区断裂。这被称为欧文的断裂理论，改编自格里菲斯准则，据说是弹塑性断裂力学的基础。

目前主流的疲劳分析软件：

目前市场上主流的仿真分析软件较多，可以实现疲劳分析的软件也较多，如SIMULIA的FE-Safe、ANSYS nCode DesignLife、MSC Fatigue、MSC Nastran及HyperLife、Simulation等，其中FE-Safe、ANSYS nCode DesignLife两款软件应用较为广泛。Fe-safe采用世界上最先进的疲劳分析技术，是一款拥有丰富疲劳损伤算法、拥有更全面的材料库，并且操作简便的耐久性疲劳分析软件。由于Fe-safe疲劳算法基于海量的工程实践，另外，客户的反馈也表明，Fe-safe可以给出准确的疲劳点和疲劳寿命预测。MSC Fatigue是一款功能较为全面的疲劳设计软件，在分析领域也广泛应用