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，可通过载荷历程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。

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、正应力和 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程，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。