ANSYSWORKBENCH疲劳分析指南

ANSYSWORKBENCH疲劳分析指南

第一章 简介

1.1 疲劳概述

结构失效的一个常见原因是疲劳，其造成破坏与重复加载有关。疲劳通常分为两类：高周疲劳是当载荷的循环（重复）次数高(如1e4 -1e9)的情况下产生的。因此，应力通常比材料的极限强度低，应力疲劳（Stress-based）用于高周疲劳；低周疲劳是在循环次数相对较低时发生的。塑性变形常常伴随低周疲劳，其阐明了短疲劳寿命。一般认为应变疲劳（strain-based）应该用于低周疲劳计算。

在设计仿真中，疲劳模块拓展程序（Fatigue Module add-on）采用的是基于应力疲劳（stress-based）理论，它适用于高周疲劳。接下来，我们将对基于应力疲劳理论的处理方法进行讨论。

1.2 恒定振幅载荷

在前面曾提到，疲劳是由于重复加载引起：

当最大和最小的应力水平恒定时，称为恒定振幅载荷，我们将针对这种最简单的形式，首先进行讨论。

否则，则称为变化振幅或非恒定振幅载荷。 1.3 成比例载荷

载荷可以是比例载荷，也可以非比例载荷：

比例载荷，是指主应力的比例是恒定的，并且主应力的削减不随时间变化，这实质意味着由于载荷的增加或反作用的造成的响应很容易得到计算。

相反，非比例载荷没有隐含各应力之间相互的关系，典型情况包括： σ1/σ2=constant

在两个不同载荷工况间的交替变化； 交变载荷叠加在静载荷上； 非线性边界条件。 1.4 应力定义

考虑在最大最小应力值σmin和σmax作用下的比例载荷、恒定振幅的情况： 应力范围Δσ定义为(σmax-σmin) 平均应力σm定义为(σmax+σmin)/2 应力幅或交变应力σa是Δσ/2 应力比R是σmin/σmax

当施加的是大小相等且方向相反的载荷时，发生的是对称循环载荷。这就是σm=0，R=-1的情况。

当施加载荷后又撤除该载荷，将发生脉动循环载荷。这就是σm=σmax/2，R=0的情况。 1.5 应力-寿命曲线

载荷与疲劳失效的关系，采用的是应力-寿命曲线或S-N曲线来表示： （1）若某一部件在承受循环载荷, 经过一定的循环次数后,该部件裂纹或破坏将会发展，而且有可能导致失效；

（2）如果同个部件作用在更高的载荷下,导致失效的载荷循环次数将减少； （3）应力-寿命曲线或S-N曲线,展示出应力幅与失效循环次数的关系。

S-N曲线是通过对试件做疲劳测试得到的弯曲或轴向测试反映的是单轴的应力状态，影响S-N曲线的因素很多，其中的一些需要的注意，如下：

材料的延展性，材料的加工工艺，几何形状信息,包括表面光滑度、残余应力以及存在的应力集中，载荷环境，包括平均应力、温度和化学环境，例如，压缩平均应力比零平均应

力的疲劳寿命长，相反，拉伸平均应力比零平均应力的疲劳寿命短，对压缩和拉伸平均应力，平均应力将分别提高和降低S-N曲线。

因此，记住以下几点：一个部件通常经受多轴应力状态。如果疲劳数据(S-N 曲线)是从反映单轴应力状态的测试中得到的，那么在计算寿命时就要注意：（1）设计仿真为用户提供了如何把结果和S-N曲线相关联的选择，包括多轴应力的选择；（2）双轴应力结果有助于计算在给定位置的情况。

平均应力影响疲劳寿命，并且变换在S-N曲线的上方位置与下方位置(反映出在给定应力幅下的寿命长短)：（1）对于不同的平均应力或应力比值，设计仿真允许输入多重S-N曲线(实验数据)；（2）如果没有太多的多重S-N曲线(实验数据)，那么设计仿真也允许采用多种不同的平均应力修正理论。

早先曾提到影响疲劳寿命的其他因素，也可以在设计仿真中可以用一个修正因子来解释。

1.6 总结

疲劳模块允许用户采用基于应力理论的处理方法，来解决高周疲劳问题。 以下情况可以用疲劳模块来处理： 恒定振幅，比例载荷(参考第二章)； 变化振幅，比例载荷(参考第三章)； 恒定振幅，非比例载荷(参考第四章)。 需要输入的数据是材料的S-N曲线：

S-N曲线是疲劳实验中获得，而且可能本质上是单轴的，但在实际的分析中，部件可能处于多轴应力状态。

S-N曲线的绘制取决于许多因素，包括平均应力，在不同平均应力值作用下的S-N曲线的应力值可以直接输入，或可以执行通过平均应力修正理论实现。

第二章 摩擦、自动时间步、控制

2.1 摩擦

1、两个接触体的剪切或滑动行为可以是无摩擦的或有摩擦的，无摩擦时允许物体没有阻力地相互滑动；有摩擦时，物体之间会产生剪切力。

2、摩擦消耗能量，并且是路径相关行为。为获得较高的精度，时间步长必须小。

3、ANSYS中，摩擦采用库仑模型，并有附加选项可处理复杂的粘着和剪切行为。库仑法则是宏观模型，表述物体间的等效剪力FT不能超过正压力FN的一部分：

FT<=μ×FN

式中：μ摩擦系数，一旦所受剪力超过FT，两物体将发生相对滑动。 4、弹性库仑摩擦模型：允许粘着和滑动。 2.2 自动时间步、控制

接触单元的Keyopt（7）选项控制时间步的预报。

0－无控制：不影响时间步尺寸。当自动时间步开关打开时，对于静态问题通常选此项。

1 自动缩减：如果接触状态改变较大，时间步二分。对于动态问题，自动缩减通常是充分的。

2 合理的：比自动缩减费用更昂贵的算法。为保持一个合理的时间载荷增量，需要在接触预测中选择此项。适用于静态分析和连续接触时瞬态分析。 3 最小值：该选项为下一子步、预报时间增量的最小值（计算费用十分昂贵，建议不用）。这个选项在碰撞和断续接触分析中是有用的。

接触分析中自动时间步的其它注意事项：与所有其它非线性分析一样，对接触问题，时间步长是非常有力的提高收敛性的工具。采用足够小的时间步长以获得收敛。对于瞬态分析，冲击时必须使用足够数量的计算步以描述表面间的动量转移。对于路径相关现象（如接触摩擦），相对较小的最大时间步长对计算精度是必须的。

第三章 面—面接触单元

3.1 概述

面－面接触单元，是模拟任意两个表面间接触的方法。表面可以具有任意形状。是ANSYS中最通用的接触单元。精度高、特性丰富还可使用接触向导建模方便。（其它接触单元目前尚不能用向导）。面－面接触单元在面的高斯点处传递压力，这种先进技术使面－面接触单元具有很多优点：与低阶单元和高阶单元都兼容，提供更好的接触结果（于后处理接触压力和摩擦应力），可考虑壳和梁的厚度，以及壳的厚度变化，半自动接触刚度计算，刚性表面由“控制节点”控制，热接触特性，众多的高级选项来处理复杂问题。

具有众多的高级选项（20个可用的实常数、2个材料属性和30个可用的单元选项）提供了丰富的特征库，能够用于模拟特殊的效果和处理困难的收敛情况。然而众多的选项的智能缺省选项可以有效求解许多接触问题而不需要用户介入太多。通常的做法是：开始使用高级选项之前，先试着采用缺省设置：只指定罚刚度，穿透容差和子步数，然后进行分析。只在采用缺省设置遇到困难时才采用高级选项。所有的高级选项也可以通过接触向导来控制。 3.2 面－面接触单元

使用面－面接触单元计算刚－柔、柔－柔接触分析。把一个面指定为目标面（Targe），另一个面指定为接触面（conta），合起来叫接触对。接触单元被约束不能侵入目标面，然而目标单元能侵入接触面。2D目标单元，TARGE169：

2D面－面接触单元：CONTA171 2D、2节点低阶单元，可用于二维实体、壳、梁单元的表面；CONTA172 2D、3节点高阶单元，可用于带中间节点的二维实体单元表面。3D目标单元，TARGE170：

3.3 面—面接触分析步骤、实例

Step1建立基体有限元模型，设置基体单元类型、实常数、材料特性，给基体分网： 命令：AMESH VMESH；

Step2指定接触面和目标面，对于刚—柔接触，目标面总是刚性面，对于柔－柔接触，目标面和接触面的不同选择会产生不同的穿透（图3-1），并且影响求解精度。

接触面和目标面确定准则：如凸面和平面或凹面接触，应指定平面或凹面为目标面；如一个面上的网格较粗而另一个面上的网格较细，应指定粗网格面为目标面；如一个面比另一个面的刚度大，应指定刚度大的面为目标面；如一个面为高阶单元而另一面为低阶单元，应指定低阶单元面为目标面；如一个面比另一个面大，应指定大的面为目标面。

Step3设置单元选项和实常数，接触对由实常数号来定义，接触单元和目标单元必须具有相同的实常数。

Step4建立目标单元（网格），此步中所采用的方法依赖于目标面是刚性的还是柔性的。刚性目标面采用：直接生成(E命令)，自动划分(LMESH, AMEAH)；可变形目标面采用Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Elements>Surf/Contact>Surf to Surf(ESURF)对于直接生成刚性目标面，在建立目标单元之前需要要指定附加的单元属性TSHAP。

刚性目标面的自动划分不需要TSHAP。ANSYS能根据实体模型确定合适的目标单元形状。划分线(LMESH)：2－D刚性目标面；划分面(AMESH)：3－D刚性目标面；创建关键点(KMESH)－控制节点（Pilot）。

刚性目标面能与控制点联系起来，Pilot实际上是只有一个节点的单元，通过这个节点的运动可以控制整个目标面的运动。ANSYS只在Pilot节点上检查边界条件而忽略其它节点的约束。

对可变形体目标面建立目标单元的步骤是：1先选择可变形体表面上的节点；2然后在可变形体上建立单元

MainMenu >Preprocessor>Modeling>Create>Elements>Surf/Contact>Surf to Surf。

ANSYS将根据基体的网格确定目标单元形状和外法线方向。检查外法线方向（这在自动划分刚性目标面时非常重要）图3-3，打开单元坐标系标志并重绘单元/PSYMS,ESYS,1，目标单元外法线方向应该指向接触面。如果单元法向不指向接触面，用命令使之反转：ESURF,,REVE。

Step 6定义求解选项，点面接触分析中常用求解设置及注意事项：时间步长必须足够小，如果时间步长太大，接触力的光滑传递将被破坏。为确保结果的准确性，可以打开自动步长（Autots,on）GUI: Main Menu > Solution > Load Step Opts > Time/Frequency > Time > Time Step。

设置一个合适的平衡迭代次数：NEQIT, 25～75，GUI: Main Menu > Solution > Analysis Type > Solˊn Controls或Solution > Load Step Opts > Nonlinear > Equilibrium Iter打开时间步长预测（大转动分析除外）PRED, on：设置full Newton-Raphson选项，同时打开自适应下降；NROPT, full：许多接触分析不收敛是因为设置的接触刚度太大（实常数KN取值太大）造成的，这时需要减小接触刚度重新进行分析。 Step 7求解solve

Step 8后处理，接触分析的结果主要包括位移、应力、应变和接触信息。

接触信息包括：接触压力、单元的现在和过去状态：分开（没有接触）；接触粘合状态；接触滑动状态；粘合=1；滑动=2或-2；分开=3或4；两个表面间的距离，如果是正值，两表面是分开的（STAT=3或4），如果是负值代表穿透量（STAT=1或2）；法向力Fn；滑动力Fs；通过动画显示接触结果随时间的变化规律是接触分析有效的、常用的处理方法。点—接触单元接触结果后处理需要使用ETABLE。

第五章 点－点接触单元

5.1 概述

点—点接触单元是ANSYS早期开发的单元，但改进工作一直在进行。点—点接触单元是最简单也是最高效的接触单元。当模型可以使用此类单元时，它们可以高效地模拟广泛的接触问题。

1、常用的点—点接触单元

如果将Contac52和Contac178所有UZ自由度约束住，也可用于2D分析。三种点—点接触单元中CONTA178单元提供最强的功能：更多的接触算法，精确的接触约束协调性（“0”穿透），更多的接触行为选项，定义接触法向更灵活

2、点—点接触单元可以模拟面—面接触问题，如果：相对滑动变形量可以忽略，两个面的偏移（转动）保持很小

3、点—点接触单元在节点处传递力，此特性限制它们只能用低能单元（角节点），因为带中间节点的单元节点上约束反力不均匀。 5.2 点—点接触单元的生成方法 有三种方法生成点—点接触单元： 1、直接生成；

2、在重合节点（或接近重合）上生成单元Step 1.在表面上选择节点，Step 2.为点—点接触单元设置单元属性，Step 3生成单元Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Elements > Auto Numbered > At Coincid Nd；

3、在偏移节点上生成单元：对非重合节点很方便Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Elements > Auto Numbered > offset Nodes。

注意：此特性要求面间的分离必须小于重合容差，且必须小于每个面上节点间的距离。

5.3 点—点接触单元选项

1 接触协调性，CONTA178提供不同的接触算法：K2：纯拉格朗日乘子法，几乎0穿透和滑移，不需要接触刚度，更多的自由度出现震颤问题，用PCG求解器时不要使用，修正的拉格朗日方法，需要FKN和TOLN，纯罚函数方法，法向拉格朗日乘子法和切向罚函数法，CONTAC12和ConTAC52只限于罚函数法，指定接触刚度，单位：力/长度。

2 摩擦和接触行为，三种单元都支持摩擦，可为MU指定非0值，Conta178支持与面—面接触单元同样类型的接触行为：

标准－粗糙－不分离（滑动）－绑定－不分离（永远）－绑定接触（永远）－绑定接触（初始接触），Contac12和Contac52只限于标准摩擦行为。 3 初始穿透，Conta178允许渐近化初始穿透，Contac12和Contac52支持初始间隙或初始穿透，但不能是渐进化的。

4 后处理，这些单元接触结果后处理需要采用ETABLE操作。 5.4 以下接触分析用GUI与命令流做

Step 1.恢复数据库文件Utility Menu > File > Resume from，Node-to-node.db Step 2.添加3D点—点接触单元/prep7 et,3,conta178

Step 3.为接触单元定义实常数，Main Menu > preprocessor > Add/ Edit/Delete Step 4. 设置单元属性Type,3 ! Conta178 Mat,1 Real,1

Step 5. 在重合节点建立点-点接触单元Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Elements > Auto Numbered > At Coincid Nd Tolerance of Coincidence = 0.0001 Nodal number Ordering = “Low to high”【OK】【pick all】或命令: EINTF, 0.0001

Step 6. 求解接触分析/Solu solve

注意：如果Conta178节点重合，则必须通过实常数NX,NY,NZ（间隙方向矢量的全局笛卡尔坐标X,Y,Z的分量）指定间隙方向。对本模型、接触方向平行于Y轴，因此矢量坐标为= <0,1,0 >。

Step 7指定接触法向方向矢量GUI: Main Menu > Preprocessor > Real Constants > Add/Edit/Delete→选 set 1→【Edit】→Type 3 CONTA 178→【OK】→Defined gap normal_X comp. NX = 0→Defined gap normal_Y comp. NY = 1→Defined gap normal_Z comp. NZ = 0或命令: RMODIF, 1, 6, 0, 1, 0。

Step 8求解小位移接触分析（注意：conta178单元不支持大变形）无论小变形还是大变形分析中单元保持其初始方向。/Solu solve。

Step 9.后处理Esel,s,Ename,,solid185→/POST1→PLNSOL,S,EQV→或 Main Menu > General Postproc > Plot Results > Contour Plot > Nodal Solu→Stress Von Mises SEQV→【OK】。 Step 10.选择接触单元进行后处理，Utility Menu > Select > Entities→Elements→By Elem NameElement NAME = Conta178→或命令: ESEL, S, Ename,, Conta178。

Step 11为接触法向力（FN）和间隙尺寸（USEP）定义单元表（ETABLE）→Conta178单元输出定义表→命令：ETABLE,FN,SMISC,1；ETABLE,GAP,NMISC,3。 Step 12选择附于单元上的全部节点Utility Menu > Select >

Entities→Nodes→Attached to →Elements→选 From Full→【Apply】 plot (画节点) →或命令：NSLE→NPLOT。

Step 13打开数值等值线标识Utility Menu> PlotCtrls > Numbering→SVAL numeric Contour Values=on→【OK】→或命令：/pnum, sval, 1

Step 14.画接触法向力Main Menu > General Postproc > Element Table > Plot Elem Table→Item to plotted = FN→Average at common nodes = yes-average→【OK】→或命令：PLETAB,FN,AVG。

Step 15.列表显示接触法向力和间隙尺寸Main Menu > General Postproc > Element Table > List Elem Table选：FN→GAP→【OK】

注意：检查GAP的极限值，负值表示干涉和闭合的间隙，此处最大穿透值为0。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/hp0r.html