疲劳分析的必要性

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疲劳分析背景

在日益严酷的市场竞争中，产品的寿命和可靠性成为人们越来越关注的焦点，每年因结构疲劳大量产品在其有效寿命期内报废，由于疲劳破坏而造成的恶性事故也时有出现。

据统计，每年早期断裂造成的损失达1190亿美元，其中95%是由于疲劳引起的断裂，应用疲劳耐久性技术，其中的50%是可以避免的。因此，许多企业将疲劳耐久性定为产品质量控制的重要指标。

在传统的设计过程中，机械产品的疲劳寿命通常是通过一定量物理样机的耐久试验得到，不但试验周期长、耗资巨大，而且许多相关参数与失效的定量关系也不可能在试验中得出，试验结论还可能受许多偶然因素的影响。

产品投放市场后，耐久性问题的出现造成许多新产品失去竞争力，给企业带来巨大的经济损失，同时又使企业形象蒙受巨大的负面影响。

在中国，疲劳耐久性与可靠性问题更是普遍存在，是国产产品缺乏国际竞争力的最重要因素之一。

随着计算机技术发展而诞生的现代设计技术，使企业以较低的成本设计出高耐久性产品成为可能。在产品设计阶段采用FE-SAFE，可在物理样机制造之前进行疲劳分析和优化设计，预测产品的寿命，真正实现等寿命周期设计，并可极大地降低制造物理样机和进行耐久性试验所带来的巨额研发费用。

疲劳的定义

当材料或结构受到多次重复变化的载荷作用后，应力值虽然始终没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏。这种在交变载荷作用下材料或结构的破坏现象，就叫做疲劳破坏。

疲劳破坏的特征：材料力学是根据静力试验来确定材料的机械性能（比如弹性极限、屈服极限、强度极限）的，这些机械性能没有充分反映材料在交变载荷作用下的特性。因此，在交变载荷作用下工作的零件和构件，如果还是按静载荷去设计，在使用过程中往往就会发生突如其来的破坏。

疲劳破坏与传统的静力破坏有着许多明显的本质区别：

  · 静力破坏是一次最大载荷作用下的破坏，疲劳破坏是多次反复载荷作下产生的破坏，它不是短期内发生的。

  · 当静应力小于屈服极限或强度极限时，不会发生静力破坏，而交变应力在远小于静强度极限，甚至小于屈服极限的情况下，疲劳破坏就可能发生。

  · 静力破坏通常有明显的塑性变形；产生疲劳破坏，通常没有外在宏观的显著塑性变形迹象，即便是塑性良好的金属也这样，就像脆性破坏一样，事先不易觉察出来，这表明疲劳破坏具有更大的危险性。

  · 在静力破坏的断口上，通常只呈现粗粒状或纤维状特征；而在疲劳破坏的断口上，总是呈现两个区域特征，一部分是平滑的，另一部分是粗粒状或纤维状。因为疲劳破坏时，首先在某一点产生微小的裂纹，其起点叫“疲劳源”裂纹从疲劳源开始，逐渐向四周扩展。由于反复变形，裂开的两个面时而挤紧，时而松开，这样反复摩擦，形成一个平滑区域。在交变载荷继续作用下，裂纹逐渐扩展，承载面积逐渐减少，当减少到材料或构件的静强度不足时，就会在某一载荷作用下突然断裂，其断裂面呈粗粒状或纤维状。

  · 静力破坏的抗力主要取决于材料本身，而疲劳破坏的抗力与材料的组成、构件的形状或尺寸、表面状况、使用条件以及外界环境都有关系。

结    论

因此，从产品的耐久可靠性和寿命方面考虑，综合成本因素，且随着计算机技术的发展，在产品设计阶段采用FE-SAFE，可在物理样机制造之前进行疲劳分析和优化设计，预测产品的寿命，真正实现等寿命周期设计，并可极大地降低制造物理样机和进行耐久性试验所带来的巨额研发费用。

来源：正脉科工 CAE微信公众号（ID：caejslm）。检索发现文章最早发布于豆丁网，由用户3757277574分享。