PAT318 - MSC.Fatigue

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珊张廖
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1 第 17 章应变寿命 (EN) 理论 S17-1

2 S17-2

3 应变寿命 (EN) 理论 S17-3

4 应变寿命 (EN) 理论应变寿命方法是汽车工业中最普遍地预测方法. 它也叫局部应变法, 裂纹开始法, 和应变寿命法. S17-4

5 应变寿命 (EN) 理论实际上, 裂纹开始意味一个 1-2mm 的裂纹产生, 这个在部件寿命中产的比率高. 很多汽车部件设计成能够承受一定的塑性应变. ( 特别是卡车 ) E-N 方法处理这些情况比完全忽略塑性的 S- N 方法好. E-N 方法不是很适合连接结构, 如焊点结构等. S17-5

6 裂纹开始方法 (STRAIN - LIFE) 相似 e e The crack initiation life here..... is the same as it is here..... if both experience the same local strains S17-6

7 应变寿命方法 S17-7

8 应该寿命的试验通常, 抛光试件有 6-8mm 直径, 按照相关标准做试验, 平板的也可以用. 测试采用应变控制 ; 测试机器使用应变片 ( 回形 ) 输出提供反馈伺服控制. S17-8

9 应变控制的试验测试按照 ASTM E606 或者类似的标准高质量试件表面抛光精加工表面很小的残余应力应变追踪采用高质量回形应变片校准很重要 S17-9

10 E-N 分析输入应变时间历程也就是低周疲劳或者局部应变方法, 局部应变可以是弹性或者塑性, 因此适合低周疲劳 Plastic (Low Cycle Fatigue Line) Elastic (High Cycle Fatigue Line) N S17-10

11 材料描述 S17-11

12 应变控制 VS. 应力控制应变控制在伺服回路中实际用于一个形变测量仪. 应力控制实际用于载荷控制. 应变控制控制塑性应变, 参数直接控制疲劳损伤. 应力控制控制错误参数. 局部应力和应变是等效的, 也就是线性相关在纯弹性条件下也就是没有任何损伤. S17-12

循环软化 5E-3 strain(mm/mm) STRAIN.DAC SOFT.DAC stress MPa 0-5E-3 0 100 200 300 400 Secs. CONTROL PARAMETER stress(mpa) SOFT.

13 循环软化 5E-3 strain(mm/mm) STRAIN.DAC SOFT.DAC stress MPa 0-5E Secs. CONTROL PARAMETER stress(mpa) SOFT.DAC Time range : 0 secs to 435 secs Secs. RESPONSE PARAMETER E-3 0 5E S c re e n strain (mm/mm) Screen 1 注 : 在一定数量的循环后滞回环趋于稳定 S17-13

14 循环硬化 5E-3 strain(mm/mm) STRAIN.DAC HARD.DAC stress MPa 0-5E Secs. CONTROL PARAMETER Time range : 0 secs to 435 secs 7, stress(mpa) HARD.DAC Secs. RESPONSE PARAMETER Screen , E-3 0 5E strain (mm/mm) Screen 1 Note: Hysteresis loops normally stabilize after some number of cycles S17-14

15 循环应力 - 应变曲线取得相同试件在不同的应变大小作测试, 直到滞回曲线趋于稳定. 稳定的滞回曲线叠加, 连接循环应力应变曲线端点. 这种方法费时和消耗大量试件. 相同试件法 S17-15

16 Stress (MPa) 应力 - 应变关系单向 Cyclic Stress-Strain Plot s s = + E K 1 n 循环 s s a a = + E K' 1 n' Ramberg-Osgood 关系 ncode nsoft Strain (M/M) S17-16

17 循环应力应变行为 Masing 的假设 : 滞回曲线和循环应力 - 应变曲线形状相同, 但是在两个方向上加倍. S17-17

18 MASING 假设 ( 稳定滞回环 ) S17-18

19 MASING 假设 ( 稳定滞回环 ) S17-19

20 从一系列的 LCF 试验获得应变寿命 Basquin 指出高周疲劳, 疲劳寿命跟弹性应变之间符合幂关系. Coffin 和 Manson 对于低周疲劳和塑性应变得到同样的结果. 把两者加在一起, 你可以得到全应变和疲劳寿命的关系 ( 包括低周和高周疲劳 ). S17-20

21 COFFIN-MANSON-BASQUIN 方程 tot el + pl Basquin Coffin Manson el ' s f E (2N f ) b pl ' f (2N f ) c a ' s f b f E (2N ' f ) + (2N f ) c S17-21

22 Stress(MPa) 从稳定滞回曲线上分开弹性和塑性应变 Cross Plot of Data : 10 Total strain range Plastic strain range Strain(uE) S17-22

23 LogStrain 从一系列 LCF 试验获得应变寿命结果 LifeCurveDisplay Total straincurvefit Elasticstraincurvefit Plasticstraincurvefit Total straindata Elasticstraindata Plasticstraindata 1E0 Sf': 670MPa 1E-1 1E-2 b : (X/Y) Ef': c :-0.54 E : 2.05E5MPa 1E-3 (X/Y) : Run-out pts 1E-4 1E0 1E1 1E2 1E3 1E4 1E5 1E6 1E7 1E8 LogLife(Reversals) S17-23

24 应变寿命曲线过渡寿命, 2N f 代表塑性和弹性曲线的交汇点. S17-24

25 应变寿命曲线在较短寿命处有更多的塑性, 环也宽. 在长的寿命处环窄, 表示塑性应变少 S17-25

26 S-N 和 E-N 寿命曲线低周区域 (EN 方法 ) 高周区域 (SN or EN 方法 ) 无限寿命 ' S-N 寿命曲线 E-N 寿命曲线 /S S-N & E-N 曲线在高周区域重合因为名义应力是线性的 E-N 可以用于低周疲劳区.S- N 不能因为线性应力应变关系无效 1000 Cycles 10 7 Cycles N S17-26

27 变幅载荷 - 计算循环 S17-27

28 雨流循环计数 S17-28

29 RAINFLOW CYCLE COUNTING The story goes Matsuishi and Endo got the idea for the method while watching rain water cascading down a pagoda roof. Basic rules: rain flows down from each turning point and continues until either: it is interrupted by flow from above, or it reaches a turning point which is larger that the one it started from and in the same sense Good way of representing cycles is Rainflow Cycle Count Matrix S17-29

30 RAINFLOW CYCLE COUNT MATRIX S17-30

31 RAINFLOW COUNTING AND STRESS/STRAIN SPACE S17-31

32 RAINFLOW COUNTING AND STRESS/STRAIN SPACE Materials under cyclic loading exhibit material memory effect (they remember the largest previously reached stress-strain state) What is stress-strain curve in monotonic loading is hysteresis loop in cyclic loading Rainflow counting identifies closed hysteresis loops as cycles Some cycles stand within the largest hysteresis loop and some hang; this depends on cycle sequence S17-32

33 平均应力修正 S17-33

34 平均应力修正两种主要方法用来修正平均应力 : Morrow 根据每一循环的平均应力来上下移动弹性寿命 Smith-WatsonTopper (SWT or STW) 用一个包含每一循环的最大应力损伤参数 S17-34

35 MORROW 修正 S17-35

36 SMITH WATSON TOPPER 修正 S17-36

37 SWT VS MORROW SWT 比 Morrow 修正更大 SWT 趋于保守 ( 受拉 ). SWT 趋于非保守 ( 受压 ) S17-37

38 弹 - 塑性修正和局部几何 S17-38

39 应变寿命模型局部应变要求切口根部局部应力和应变是塑性从而导致疲劳损伤. 这些可以从下面获得 : 用一个精确定位在关键区域的应变片来测量. 弹 - 塑性分析的有限元网格质量要非精细. 用一个经验法则, 通常用 NEUBER S 方法 ( 但是不总是如此 ) 从名义应变或者线性 FE 结果去评估弹 - 塑性应变. Neuber 工作在静力情况, 没有疲劳, 但是塑性应变和塑性应力的比试不同同的. S17-39

40 弹 - 塑性修正 s 1 弹性 FE 结果求解点 2 循环应力 - 应变曲线 Neuber 方程 DsDED e 2 D e S17-40

41 应变寿命模拟中应用 K f 在塑性屈服后, 应变集中系数, K = / e > K t 和应力集中系数, Ks = s / s < K t. 两者都不知道, 但是 Neuber 发现它们的几何平均等于 K t. 因此 Neuber s 方法可以简化为 : K. K s = ( K t ) 2 重新整理这个方法给出有用的方程 : ( K t ) 2 s.e = s. S17-41

42 应变寿命模拟中应用 K f (Contd.) 另外重新整理 : ( K t e ) 2 E = s. 这个可以用循环应力 - 应变曲线求解, 同时地得自于 s 和. Topper 简单用 K f 取代 K t, 使得 Neuber 应用在疲劳分析中, 跟踪局部应力应变. S17-42

43 包括 K f 的弹 - 塑性修正 2 3 CSSC s K f 求解点 Neuber 方程 s 1 e S17-43

44 NEUBER 方法的改进 Neuber 方法是一种近似方法, 适合有限 ( 也就是在切口处 ) 塑性应力, 应变情况的评估. 在局部没有适当地定义切口, 它可能低估应变. Seeger-Beste 和 Mertens-Dittmann 方法用一个形状因子或者塑性应变集中系数去修改已经评估的应力再次重新分配 S17-44

45 SEEGER-BESTE 方法和 MERTENS-DITTMAN 方法这些方法考虑塑性更加广泛, 通过移动 Neuber 用塑性集中因子来移动双曲线上的点 : Mertens-Dittmann 方程 : ( )( ) ( )( ) Seeger-Beste 方程 : 这里 : s s / a < e s -s - s -s - e < e < ( - ) ( - ) s s s s p e < e 和 / a < < = e p < < a p L L S17-45 p y

46 MERTENS-DITTMAN 方法图形表示 Mertens-Dittmann 方法 s e s s / a < e p s < a = e / p s < 新的原点在 ( < s <, ) < e S17-46

47 SEEGER-BESTE 方法图形表示的 Seeger-Beste 方法 s e s < s s / a e p s < s 新原点在 ( 0, ) < e S17-47

48 形状因子 ( 塑性应变集中系数 ) 假定完全弹性, 塑性载荷, 弯矩作用在一个方形截面梁上 : A s y M y 2 BA y 6 s B 塑性极限矩 : s y M p 2 BA y 4 s 形状因子 : a p = M p /M y = 1.5 S17-48

49 表面因素像 S-N 方法一样, 表面因素可以通过修改应变寿命曲线来考虑表面光加工等. 这些因素加到应变寿命曲线上的, 以改变耐久极限. 抛光, 无表面处理, 无应力被认为, Surface Factor = 1 ( 跟 LCF 试件一样 ). 下面情况需要额外因子 : 表面加工 ( 打磨, 机加工, 热辊, 铸造, 锻造, 腐蚀 ); 表面处理 ( 电镀, 喷丸, 冷轧 ): 载荷模式 ( 轴向, 弯曲, 扭转 ) 其它情况 ( 环境等.). S17-49

50 StrainAmplitude (M/M) K f 用于表面加工 StrainLifePlot EN24V Sf': 1282 b: Ef': c: en24mod Sf': 1282 b: Ef': c: E0 1E-1 1E-2 Polished 1E-3 Forged 1E-4 1E0 1E1 1E2 1E3 1E4 1E5 1E6 1E7 1E8 1E9 Life (Reversals) S17-50

51 应力应变跟踪, NEUBER 分析, 材料记忆和损伤计算 S17-51

52 Stress (MPa) STW Parameter (MPa) e(t) 应力 - 应变跟踪和损伤计算名义应力, 应变,s,e P CSSC SWT-Life Mild_Steel n': K': 816 E: 2E5 Cyclic Stress-Strain Plot Mild_Steel Sf': 757 b: Ef': c: ST W Life Plot 564 1E2 1E1 1E0 1E-1 P Strain (M/M) 1E-2 1E0 1E1 1E2 1E3 1E4 1E5 1E6 1E7 1E8 1E9 Life (Reversals) 局部应力, 应变 - s,e S17-52

53 应力 - 应变跟踪 e(t) B A B = e 1, B C = De 2 C D = De 3, D E = De 4 D A known K f C E S17-53

54 应力 - 应变跟踪第一次出发 e(t) B s K f.e 1. K f.s 1 = NP 1 e 1 A B s 1 = E. e 1 K f.s 1 CSSC = s / E + (s / k ) 1/n A e 1 s 1 1. s 1 = NP 1 plotting position is 1, s 1 K f.e 1 S17-54

55 应力 - 应变跟踪基本规则 : 重设原点和在正确方向开始! S17-55

56 第二次出发 De 2 B ( 1, s 1 ) e(t) B s Ds 2 C 2 x CSSC D = Ds / E + 2(Ds / 2k ) 1/n D 2. Ds 2 = NP 2 plotting position is 2 =( 1 - D 2 ), s 2 =(s 1 - Ds 2 ) A C ( 2, s 2 ) K f. De 2. K f. Ds 2 = NP 2 S17-56

57 第三次出发 B ( 1, s 1 ) e(t) D s D ( 3, s 3 ) C D 3. Ds 3 = NP 3 plotting position is 3 =( 2 + D 3 ), s 3 =(s 2 + Ds 3 ) A (0,0) C ( 2, s 2 ) S17-57

58 第四次出发材料记忆 B e(t) B D s D C E plotting position is NOT 4 =( 3 - D 4 ), s 4 =(s 3 - Ds 4 ) E A BUT 4 =( 2 - D 5 ), s 4 =(s 2 - Ds 5 ) Not E C S17-58

59 提取循环 s s max SWT = s max. D/2 D S17-59

60 STW Parameter (MPa) 提取循环的部分损伤 Mild_Steel Sf': 757 b: Ef': c: S T W Life P lot 1E2 1E1 1E0 SWT = s max. D/2 d = 1 / N f 1E-1 1E-2 1E0 1E1 1E2 1E3 1E4 1E5 1E6 1E7 1E8 1E9 2 N f Life (Reversals) S17-60

61 所以提取循环的损伤累计每一循环的损伤 : d i = 1 / N fi 重复一次损伤累积 D = S d i 一个重复的初裂纹寿命 N i = 1 / D S17-61

62 MSC.FATIGUE 实现对于一个节点和单元 : 真实应力 - 应变跟踪太花时间雨流循环计数计算弹性应变时间历程用 Neuber 修正每一塑性循环 ( 或者相似方法 ) 对于每一循环计算平均损伤, 在大的循环中考虑半循环和全循环计算半循环和全循环的损伤, 记录每一循环的平均损伤损伤求和得出总寿命 S17-62

63 MSC.FATIGUE 的初裂纹法特征 : e Strain 基于局部应变概念平均应力修正弹 - 塑性转换 Time 1/2cycle 1/2cycle 1cycle 统计置信参数 1cycle 1cycle Palmgren-Miner 线性损伤累计 1/2cycle s 用户定义寿命循环应力 - 应变模型表面条件 e 安全系数分析双轴指示 S17-63

64 例子 : 三角架的 E-N 分析执行一个简单三角架初裂纹分析单输入载荷. 建立一个新数据库和读进结果. S17-64

65 回顾应力云图 S17-65

66 FATIGUE 分析单载荷 (sine01) 建立新组提交作业 S17-66

67 显示寿命云图 S17-67

68 练习做快速开始手册第 5 章练习, A Simple E-N Analysis 做快速开始手册第 6 章练习, Residual Stress 如果你有任何问题, 请连续我们 S17-68

中国公路学报年

中国公路学报年第卷第期年月中国公路学报孟瑾朱平胡志刚根据耐久性试验中常用的整车台架试验方法通过多体动力学模型仿真模拟整车在四轮路面激励下的运动状态提取车身与底盘连接位置的载荷历程采用有限元法分析动载荷作用下的车身结构响应基于传统的应力寿命方法方法寻找车身薄弱环节辨识危险零件应力双轴性并选择多轴疲劳损伤参量预测车身疲劳寿命分析结果表明结合多体动力学与多轴疲劳的寿命