cae软件有限元分析疲劳破坏的一般规律

cae软件有限元分析疲劳破坏的一般规律

cae软件中的有限元分析在工程设计中扮演着重要角色，特别是在疲劳破坏的预测和分析方面。本文将详细介绍疲劳破坏的一般规律，包括其定义、变动载荷和应力、循环载荷表征、疲劳寿命、疲劳曲线、疲劳极限、疲劳累积损伤、疲劳破坏准则以及疲劳断口的宏观特征等内容。

疲劳的定义

材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。

变动载荷和变动应力

变动载荷：指大小或方向随着时间变化的载荷。
变动应力：变动载荷在单位面积上的平均值。分为规则周期变动应力和无规则随机变动应力。

循环载荷(应力)的表征

1. 最大循环应力：σmax
2. 最小循环应力：σmin
3. 平均应力：σm=(σmax +σmin)/2
4. 应力幅σa或应力范围Δσ:Δσ=σmax-σmin σa=Δσ/2=(σmax-σmin)/2
5. 应力比(或称循环应力特征系数)：r= σmin/σmax

循环应力分类：

• 对称循环：σm=(σmax + σmin)/2=0，r=-1（如大多数旋转轴类零件）
• 不对称循环：σm≠0（如发动机连杆、螺栓）

根据循环荷载的幅值和频率，疲劳可以分为等幅疲劳、变幅疲劳和随机疲劳；根据材料破坏前所经历的循环次数（即寿命）以及疲劳荷载的应力水平，疲劳又可以分为高周疲劳、低周疲劳和亚临界疲劳。按应力状态可分为：弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、接触疲劳、复合疲劳；按应力大小和断裂寿命可分为：N>105，б<бs高周疲劳→低应力疲劳；N=102~105，б≥бs低周疲劳→高应力疲劳。

疲劳破坏的表征—疲劳寿命

疲劳寿命：材料疲劳失效前的工作时间，即循环次数N。

疲劳曲线：应力б↑，N↓
疲劳极限：指定基数下的中值疲劳强度，对当循环基数为其他值时，称为该循环基数下的条件疲劳极限，有时简称为该循环基数下的疲劳强度。
疲劳累积损伤：谱荷载下疲劳损伤的积累。线性损伤时常用循环比的和表示，即D= ΣCi，其中Ci为第i级应力水平下的循环比。
疲劳破坏准则：疲劳破坏时应力空间或应变空间破坏包络面的数学表达式。可供工程中疲劳计算分析时使用，但它不解决对疲劳破坏的物理和力学机理的认识。

疲劳断口的宏观特征

典型疲劳断口具有3个特征区：疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬断区。

1. 疲劳源疲劳裂纹萌生区

• 多出现在零件表面，与加工刀痕、缺口、裂纹、蚀坑等相连。
• 特征：光亮，因为疲劳源区裂纹表面受反复挤压、摩擦次数多。
• 疲劳源可以是一个，也可以有多个（如单向弯曲只有一个疲劳源，双向弯曲可出现两个疲劳源）。

2. 疲劳裂纹扩展区(亚临界扩展区)

• 特征：断口较光滑并分布有贝纹线或裂纹扩展台阶。
• 贝纹线是疲劳区最典型的特征，是一簇以疲劳源为圆心的平行弧线,凹侧指向疲劳源，凸侧指向裂纹扩展方向，近疲劳源区贝纹线较细密(裂纹扩展较慢)，远疲劳源区贝纹线较稀疏、粗糙(裂纹扩展较快)。
• 贝纹线区的大小取决于过载程度及材料的韧性，高名义应力或材料韧性较差时，贝纹线区不明显；反之，低名义应力或高韧性材料，贝纹线粗且明显，范围大。

3. 瞬断区

• 裂纹失稳扩展形成的区域
• 断口特征：断口粗糙，脆性材料断口呈结晶状；韧性材料断口在心部平面应变区呈放射状或人字纹状；表面平面应力区则有剪切唇区存在。
• 瞬断区一般在疲劳源对侧
• 瞬断区大小与名义应力、材料性质有关。高名义应力或脆性材料，瞬断区大；反之，瞬断区小。