产品：疲劳模块
产品：疲劳模块
使用疲劳模块分析基于应力和应变的高低循环疲劳
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
对结构反复施加和卸除载荷时，结构可能会由于材料疲劳而在低于静态极限的载荷下失效。在 COMSOL Multiphysics 环境中，可以使用“疲劳模块”（结构力学模块的插件）来执行虚拟疲劳分析，该模块包含疲劳模型的集合。每个模型的具体适用性取决于材料和载荷类型等因素。传统应力和应变寿命法将应力或应变幅值与疲劳寿命关联起来。结合使用基于应力和应变的临界平面法，可以计算高周疲劳和低周疲劳寿命。在涉及非线性材料的应用中，可以使用能量法或 Coffin-Manson 类型的模型来模拟热疲劳。在处理可变载荷时，可通过载荷历史记录和疲劳极限来计算累积损伤。疲劳载荷周期可以在实体、板、壳、多体、涉及热应力和变形的应用、甚至在压电器件中进行模拟。要在处理表面或表面下的初始疲劳时提高计算效率，可在域、边界、线和点上执行疲劳计算。
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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。
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。
对于经历热循环的表面贴片电阻，本例基于蠕变耗散能，预测其使用寿命。
疲劳曲线
使用经典方法进行疲劳分析时，通过疲劳曲线来描述应力或应变大小与疲劳寿命的关系。应力寿命与应变寿命模型提供了一系列方法来定义不同的疲劳曲线。模型适用于比例载荷，例如，单个载荷会在两个值之间振荡的情况。您可以通过包含经典 S-N 曲线、Basquin 模型及近似 S-N 曲线的应力寿命模型分析高周疲劳；还可以通过包含 E-N 曲线、Coffin-Manson 和组合 Basquin 和 Coffin-Manson 模型的应变寿命模型预测低周疲劳。
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可以计算应变，也可以同时计算应变与应力。一旦确定临界面，它们即可预测失效的循环次数。“疲劳模块”包含 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，在使用非线性结构材料模块时，还可以考虑全弹塑性疲劳周期。
疲劳计算可视化
“疲劳模块”可以计算失效时的循环次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和相对使用因子一同显示。仿真会显示特定疲劳载荷对整体疲劳使用因子所产生的作用，在这种情况下，它被视为损伤。应力分布以应力大小和平均应力的函数形式表示。
累积损伤分析
随机载荷会在结构中引入各种不同大小的应力。在“疲劳模块”中，“累积损伤”分析不仅可以识别应力历史中的总体变化趋势，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确定。随后，可以使用雨流计数算法处理载荷历史，并使用 Palmgren-Miner 线性损伤法则计算损伤。R 值的影响通过极限 S-N 曲线来体现。
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。
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。
振动疲劳
振动疲劳是一种基于频域分析的计算方法，其结果可用于许多频率。这一方法用于预测结构因频率不断增加而受到激励的一类常见实验的结果，有时称为正弦扫描分析。振动疲劳分析包含以下设置：
- 每一频率耗费的特定时间
- 每一频率耗费的特定周期数
- 频率呈线性增加
- 频率呈对数增加
疲劳模块
产品特征
- 疲劳曲线
- 累积损伤分析
- 高周疲劳
- 低周疲劳
- 应力-寿命模型
- 应变-寿命模型
- 基于应力的疲劳
- 基于应变的疲劳
- 基于能量的疲劳
- 热疲劳
- 振动疲劳
- 临界面方法
- S-N 曲线准则
- Basquin 准则
- 逼近 S-N 曲线准则
- E-N 曲线准则
- Coffin-Manson 准则
- Basquin 与 Coffin-Manson 组合准则
- Findley 准则
- Matake 准则
- 法向应力准则
- Fatemi-Socie 准则
- Smith-Watson-Topper (SWT) 准则
- Wang-Brown 准则
- Morrow 平均应力修正
- Darveaux 准则
- Morrow 准则
- 雨流计数应力评估
- Palmgren-Miner 线性损伤法则
- 用于弹塑性材料疲劳计算的近似法
框架疲劳寿命
通过仿真来分析疲劳，而不是运行疲劳实验来进行分析，仿真分析可以更快地确定某个设计在重复装载和卸载后是否会发生故障。该 App 可用于计算带切口的框架的疲劳寿命，有助于理解疲劳的概念以及为自己的设计构建相对应的 App。 在该 App 中，您可以修改切口几何结构并测试不同的载荷类型和材料，可以从文本文件读取载荷历史和 S-N 曲线。 由于几何已被参数化，该 App 可用于确定几何参数灵敏度并获得最佳构型。
随机非比例载荷的疲劳响应
一个中心带切口的框架受到由 1000 个载荷事件组成的随机载荷作用，使用三个应变计记录的外部载荷通过三个单位载荷的叠加来模拟，采用雨流计数法获得切口周围的应力状态，利用 Palmgren-Miner 线性损伤法则计算损伤。
带孔圆柱的缺口近似低周疲劳分析
结构的承载组件受到多轴循环载荷的作用，在此期间，材料发生局部屈服。在模型中，基于 Smith-Watson-Topper (SWT) 模型对零件进行低周疲劳分析。 由于发生局部屈服，您可以使用两种方法来获得疲劳评估的应力和应变分布。第一种方法通过线性运动硬化进行弹塑性分析，第二种方法基于 Ramberg-Osgood 材料模型，通过对塑性进行 Neuber 修正，执行线弹性分析。示例探讨第二种方法。在“带孔圆柱的弹塑性低周疲劳分析”模型中，使用全弹塑性方法来求解同一问题。
带孔圆柱的弹塑性低周疲劳分析
结构的承载组件受到多轴循环载荷的作用，在此期间，材料发生局部屈服。在模型中，基于 Smith-Watson-Topper (SWT) 模型对零件进行低周疲劳分析。 由于发生局部屈服，您可以使用两种方法来获得疲劳评估的应力和应变分布。第一种方法通过运动硬化进行全弹塑性分析，第二种方法通过对塑性进行 Neuber 修正，执行线弹性分析。本例探讨第一种方法。在“带孔圆柱的缺口近似低周疲劳分析”模型中，用弹性方法求解同样的问题。
带倒角的非比例载荷轴的疲劳分析
长期接触疲劳
长期接触疲劳测试是用于测试次表层水位裂纹扩展的程序。在这种测试中，球形物体被压靠在试样材料上，受到循环作用的高压缩载荷和低压缩载荷，两个接触界面之间不发生相对平移运动。 一段时间后，可以在平面物体表面观察到表层裂纹，而对部件进行的进一步分析表明 ...
线性导轨中的滚动接触疲劳
当线性导轨上的负载超出制造商的规格极限时，要考虑的一个问题是接触载荷是否会引起疲劳剥落。该系统对整个导轨进行分析，确定了轨道导轨上发生的最具破坏性的接触载荷。由于剥落是由次表层的疲劳裂纹引发的，因此基于 Dang-Van 模型执行疲劳计算。 曲面上运动接触载荷的疲劳评估需要受控网格，网格单元大小必须足够小，才能正确解析表面上的接触压力，而且，在我们分析滚动接触时，接触压力沿表面动态变化，因此整个移动接触区域必须由小单元组成。此外，接触分析中的最大剪切应力出现在次表层，因此需要在模型整个深度范围使用细化的网格。 此模型演示了一种处理这种难题的技术。
表面贴片电阻的热疲劳
贴装在表面的电阻器会受到热循环的作用，不同材料热膨胀的差异将在结构中引入应力。连接电阻器与印刷电路板的焊料被视为装配中最薄弱的环节，它会对温度和时间的变化作出非线性响应。为确保组件结构的完整性，本案例中进行了两个疲劳分析：第一个是分析根据 Coffin-Manson 模型的非弹性应变预测寿命，第二个使用了疲劳公式中的耗散蠕变能。
球栅阵列中基于能量的热疲劳预测
微电子元件是冷却系统中的一个关键环节。由于反复接通和断开电源，微电子元件受到热循环的作用，焊点处会出现裂纹，断开了芯片与印刷电路板的连接，使微电子元件失去其操作功能。本例基于 Darveaux 能量模型预测了两个球栅装配中焊点的使用寿命 ...
疲劳分析中的循环计数 - 基准模型
本案例是一个采用雨流计数算法的验证模型，针对一个平面拉伸试样，提供 ASTM 与 COMSOL “疲劳模块”分析结果的比较数据。 模型根据 Palmgren-Miner 模型对累积损伤计算进行扩展，并提供计算结果与解析式的比较数据。
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