疲劳模块

基于应力和基于应变的高周和低周循环疲劳分析

疲劳模块

孔附近的塑性形变造成的低周循环疲劳,图中显示了以周期数表示的对数形式的使用寿命,以及最初几个载荷周期的应力-应变曲线。

许多不同结构和应用的疲劳分析

当结构反复地施加和卸除载荷时,由于疲劳,材料可能会在低于静态限制的载荷下发生破坏。可以利用 COMSOL Multiphysics 的疲劳分析模块(结构力学模块的附加模块)来执行虚拟的疲劳分析。通过基于应力和应变的临界面方法,您可以使用高周或低周循环疲劳方法计算。在处理可变载荷时,可以通过载荷历史和疲劳极限来计算累积损伤。可以在涉及热应力和形变的实体、板、壳、多体结构等应用,甚至压电器件上进行疲劳载荷循环仿真。

基于应力和基于应变的临界面模型

临界面模型会在发生疲劳的位置查找最有利于裂纹生成与发展的面。在疲劳分析模块中,这些临界面模型对于基于应力和基于应变的模型均可用。在高周循环疲劳求解域中,塑性是非常有限的,通常使用基于应力的模型。在疲劳分析模块中,它们通过 Findley、法向应力和 Matake 准则计算相对于疲劳极限的疲劳使用因子。

基于应变的模型在定义临界面时会计算应变,或同时计算应变与应力。确定临界面之后,它们会预测发生破坏的循环数。疲劳分析模块具有 Smith-Watson-Topper (SWT)、Fatemi-Socie 和 Wang-Brown 模型。这些模型通常用于大应变的低周循环疲劳分析。Neuber 法则和 Hoffmann-Seeger 方法可在快速线性弹性仿真中近似考虑塑性的影响。此外,在使用非线性力学模块时,还可以考虑全弹塑性疲劳循环分析。


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  • 使用临界面方法对非比例载荷进行高周循环疲劳分析。 使用临界面方法对非比例载荷进行高周循环疲劳分析。
  • 通过 Rainflow 计数算法计算的某一点的应力循环分布,使用矩阵直方图绘制。横轴显示平均应力,纵轴显示应力大小。 通过 Rainflow 计数算法计算的某一点的应力循环分布,使用矩阵直方图绘制。横轴显示平均应力,纵轴显示应力大小。
  • 具有中心切口的框架受到包含 1000 个载荷事件的随机载荷的作用。使用 Rainflow 计数算法计算应力分布,使用 Palmgren-Miner 线性破坏模型计算破坏。 具有中心切口的框架受到包含 1000 个载荷事件的随机载荷的作用。使用 Rainflow 计数算法计算应力分布,使用 Palmgren-Miner 线性破坏模型计算破坏。
  • Solder joint in a surface mount resistor. Life prediction based on
the dissipated creep energy in one thermal fatigue cycle. Solder joint in a surface mount resistor. Life prediction based on the dissipated creep energy in one thermal fatigue cycle.

热疲劳

温度改变产生的材料膨胀或收缩会引起应力集中和应变积累,导致破坏。疲劳模块提供了一系列进行热疲劳仿真的工具。热载荷循环可以使用热应力、焦耳热和热膨胀接口来模拟。热疲劳破坏可以使用几种疲劳模型来进行评估。对于非线性材料,包括Coffin-Manson模型和基于能量的Morrow 和 Darveaux关系式。除了非弹性应变或耗散能量的可用选项,用户还可以修改疲劳计算模型,在计算疲劳时评估应变或能量表达式。

累积损伤分析

随机载荷会在结构中施加一系列不同大小的应力。在疲劳分析模块中,累积损伤分析不仅可以识别应力历史中的全部变化趋势,而且还可以计算每个趋势的累积损伤。应力历史可以通过主应力或 von Mises 应力进行计算,其符号由主应力或流体静力学应力决定。然后,使用 Rainflow 计数算法处理载荷历史,并使用 Palmgren-Miner 线性破坏模型计算破坏。R 值的影响通过 S-N 曲线考虑。

当随机载荷分析中的载荷事件数量很大时,载荷循环仿真会很耗时。如果仿真中不存在非线性效应,则可以极大地节省时间。在这种情况下,可以通过叠加方式来描述应力周期,这项功能可以在累积损伤分析中选择。利用这种技术不仅可以节省计算时间,而且可以极大地减小疲劳模型所需的存储空间。

疲劳结果可视化

疲劳分析模块会计算发生破坏时的循环数以及疲劳使用因子。在累积损伤仿真中,所施加随机载荷的应力分布可以与相对使用因子一起显示。仿真会显示特定疲劳载荷对整体疲劳使用因子产生的作用,在这种情况下,它被视为破坏。应力分布以应力大小和平均应力的函数形式表示。

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