螺栓连接结构的疲劳计算

螺栓连接结构的疲劳计算

引用

CSDN

1.

https://m.blog.csdn.net/m0_73816777/article/details/144827872

螺栓连接结构的疲劳计算是工程设计中的一个重要环节，特别是在机械、航空航天、汽车等行业的设计和制造中。本文详细介绍了疲劳设计的基本概念、S-N曲线的原理、螺栓疲劳计算的具体流程以及如何使用ANSYS软件中的疲劳工具条进行疲劳分析。

1. 常用的疲劳设计方法

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：当载荷的循环（重复）次数较高（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：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，解释了短疲劳寿命现象。一般认为应变疲劳（strain-based）应该用于低周疲劳计算。

疲劳是由于交变荷载引起：

• 当最大和最小的应力水平恒定时，称为恒定振幅载荷。
• 否则，则称为变化振幅或非恒定振幅载荷。

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，非比例载荷指各应力之间不存在确定的关系，典型情况包括：
• 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

考虑在最大最小应力值和作用下的比例载荷、恒定振幅的情况：

• 应力范围定义为
• 平均应力定义为
• 应力幅或交变应力是
• 应力比 R 是
• 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 = 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 = /2 , R = 0的情况。

疲劳模块（附加）允许用户进行：

• 基于应力-寿命的高周疲劳
• 基于应变-寿命的低周疲劳

以下情况可以用疲劳模块处理：

• 应力-寿命方法:
• 恒定振幅,比例载荷
• 变化振幅,比例载荷
• 恒定振幅,非比例载荷
• 应变-寿命方法:
• 恒定振幅, 比例加载

2. S-N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，其中一些需要注意：
• 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
• 设计仿真为用户提供了如何把S-N 曲线结果向多轴应力修正
• 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曲线的上下移动 (反映出在给定应力幅下的寿命长短)
• 对于不同的平均应力或应力比值，仿真允许输入多重S-N曲线(实验数据)
• 如果没有太多的多重S-N曲线(实验数据)，那么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，也可以在仿真中用一个修正因子加以考虑
• 在材料特性的工作列表中，可以定义下列输入类型的S-N曲线- 插入的图表可以是线性的（“Linear”） 、半对数的（“Semi-Log”即linear for stress, log for cycles）或双对数曲线（ “Log-Log”）
• 前面提到，S-N曲线与平均应力有关。如果S-N曲线用于不同的平均应力情况，需要输入多重S-N曲线
• 每个S-N曲线可以在不同平均应力下直接输入
• 每个S-N曲线也可以在不同应力比下输入
• 多重 S-N 曲线可以通过右键点击“Mean Value”栏添加，并指定相应的平均应力数值。
• 每个平均应力对应一个交变应力数表

3. 螺栓疲劳计算流程

本质上为静力分析，流程为：

• 建立几何模型
• 指定材料特性,包括S-N曲线
• 定义接触区域 (若采用的话)
• 定义网格控制 (可选的)
• 施加载荷和设置支撑
• (设定)需要的结果，包括Fatigue tool
• 求解模型
• 查看结果

4. 疲劳计算支持的接触、荷载和支撑类型

• 接触区域可以包括在疲劳分析中
• 注意，对于在恒定振幅-比例载荷情况下处理疲劳时，只能包含绑定（Bonded）和不分离（No-Separation）的线性接触
• 尽管无摩擦、有摩擦和粗糙的非线性接触也能够包括在内，但可能不再满足比例载荷的要求
• 例如，如果发生分离，载荷方向或大小的改变可能导致主应力轴向发生改变
• 如果有非线性接触发生，那么用户必须小心使用，并且仔细判断
• 对于非线性接触，若是在恒定幅值的情况下，则可以采用非比例载荷的方法代替计算疲劳寿命
• 能产生比例载荷的任何载荷和支撑都可能使用，但有些类型的载荷和支撑不能形成比例载荷:
• 螺栓载荷 对压缩圆柱表面一侧施加均布力，相反一侧的载荷将改变
• 预紧螺栓载荷 首先施加预紧载荷，然后是外载荷，所以这种载荷是分为两个载荷步作用的过程
• 压缩支撑（Compression Only Support）仅阻止压缩法线正方向的移动，但不会限制反方向的移动
• 像这些类型的载荷最好不要用于恒定振幅-比例载荷的疲劳计算

5. 疲劳工具条Fatigue Tool的设置

• 对于应力分析的任何类型结果，都可能需要用到：
• 应力、应变和变形
• 接触结果 (如果版本支持)
• 应力工具（Stress Tool）
• 另外，进行疲劳计算时，需要插入疲劳工具条（Fatigue Tool ）
• 在Solution子菜单下，从相关的工具条上添加“ Tools >Fatigue Tool”
• Fatigue Tool 的明细窗中将控制疲劳计算的求解选项
• 疲劳工具条（Fatigue Tool ）将出现在相应的位置中，并且也可添加相应的疲劳云图或结果曲线
• 这些是在分析中会被用到的疲劳结果，如寿命和损伤
• 在疲劳设置完成后，需要在Fatigue Tool分之下设定疲劳结果
• 云图结果包括：疲劳寿命、损伤、安全因子、双轴指示和等效交变应力
• 图标结果只涉及等幅值分析中的疲劳敏感度
• 上述结果会在后面陆续介绍
• 当Fatigue Tool在求解子菜单下插入以后，就可以在细节栏中进行疲劳设置
• 载荷类型可以在“Zero-Based” 、“Fully Reversed” 和给定“Ratio”之间定义
• 也可以输入一个比例因子，按比例缩放所有的应力结果
  
• 前面曾提及，平均应力会影响S-N曲线，而“Analysis Type”说明了程序对平均应力的处理方法:
• “SN-None”：忽略平均应力的影响
• “SN-Mean Stress Curves” ：使用多重S-N曲线（如果定义的话）
• “SN-Goodman”、“SN-Soderberg” 和 “SN-Gerber” ：平均应力修正理论
• 如果有可用的试验数据，那么建议使用多重S-N曲线(SNMeanStress Curves)
• 但是，如果无法使用多重S-N曲线，那么可以从三个平均应力修正理论中选择。这里的方法在于将定义的单S-N曲线进行“移动”以考虑平均应力的影响：
  1. 对于给定的疲劳循环次数，随着平均应力的增加，应力幅将有所降低
  2. 随着应力幅趋近零，平均应力将趋近于极限（屈服）强度
  3. 尽管平均压缩应力通常能够提供很多的好处，如果不考虑的话，结果偏保守
• Goodman 理论适用于低韧性材料，对压缩平均应力不做修正.
• Soderberg 理论比Goodman理论更保守，并且在有些情况下可用于脆性材料.
• Gerber 理论能够对韧性材料的拉伸平均应力提供很好的拟合，但它不能正确地预测出压缩平均应力的有害影响，如左图所示
• 缺省的平均应力修正理论可以从“Tools > Control Panel: Fatigue >Analysis Type” 中进行设置
• 如果存在多重S-N曲线，但用户想要使用平均应力修正理论，那么将会用到在sm=0 或R=-1的S-N曲线。尽管如此，这种做法并不推荐。
• 除了平均应力的影响外，还有其它一些影响S-N曲线的因素
• 这些影响因素可以集中体现在疲劳强度(降低)因子Kf中，其值可以Fatigue Tool 的细节栏中输入。
• 这个值应小于1，以便说明实际部件和试件的差异。
• 所计算的交变应力将被这个修正因子Kf除，而平均应力却保持不变
• 疲劳试验通常测定的是单轴应力状态
• 必须采用一些转换方法将多轴应力转换成一个简单的标量值，以决定某一应力幅下(S-N曲线)的疲劳循环次数.
• Fatigue Tool细节栏中的应力分量( “Stress Component” )允许用户定义应力结果如何与疲劳曲线S-N进行比较
• 6个应力分量的任何一个或最大剪切应力、最大主应力或等效应力也都可能被使用到。signed equivalent stress采用绝对值最大的主应力的符号，以便考虑压缩平均应力。
• 疲劳计算将在应力分析实施完以后自动地进行。与应力分析计算相比，恒定幅值的疲劳计算通常会快得多。
• 如果一个应力分析已经完成，那么仅选择Solution 或Fatigue Tool 分支并点击Solve符号 ，便可开始疲劳计算。
• 在求解菜单中（solution branch）的工作表将没有输出显示。
• 疲劳计算在Workbench 中进行，ANSYS求解器不会执行分析中的疲劳部分.
• 疲劳模块没有使用 ANSYS/POST1 的疲劳命令 (FSxxxx, FTxxxx)
• 对于恒定振幅-比例载荷情况，有几种类型的疲劳结果供选择:
• Life（寿命）
• 云图显示由于疲劳作用直到失效的循环次数
• 如果交变应力比S-N曲线中定义的最低交变应力低，则使用该寿命（循环次数）
• (在本例中，S-N曲线失效的最大循环次数是1e6，于是那就是最大寿命
• Damage（损伤）
• 设计寿命与可用寿命的比值
• 设计寿命在细节栏（ Details view ）定义
• 设计寿命的缺省值可通过下面进行定义
• “Tools > Control Panel:Fatigue > Design Life”
• Safety Factor（安全系数）
• 安全系数云图显式在给定设计寿命下的失效
• 设计寿命值在细节栏（ Details view ）输入
• 给定最大安全系数SF值是15
• Biaxiality Indication（双轴指示）
• 双轴指示云图有助于确定局部的应力状态
• 双轴指示（Biaxiality indication）是较小与较大主应力的比值 (对于主应力接近0的被忽略)。因此，单轴应力局部区域为为0，纯剪切的为-1，双轴的为1
• 等效交变应力 (Equivalent AlternatingStress）：
• 云图绘出了部件的等效交变应力，它用于在确定应力类型，并考虑了载荷类型和平均应力影响后，查询S-N曲线。
• 疲劳敏感性 ( Fatigue Sensitivity ):
• 疲劳敏感性曲线显示出部件的寿命、损伤或安全系数在临界区域随载荷的变化情况
• 能够输入载荷变化的极限 (包括负比率)
• 曲线图的缺省选项“Tools > Control Panel: Fatigue > Sensitivity”
• 疲劳工具也可以与 求解组合 一起使用
• 在求解组合中，多个环境可能被组合，疲劳计算将基于不同环境的线性组合的结果。
• 疲劳分析步骤总结：