解讀疲勞研究中的結果
下列主題描述您可以為疲勞研究定義的不同結果，並附帶一些解讀結果的指導：
雙軸指示
雙軸指示是無尺寸結果，用於顯示執行疲勞分析時某個位置處應力狀態的多軸本質。它可協助您瞭解疲勞損傷是由一個主導主應力，還是由兩個或多個具有相當量值的主應力所驅動。此結果有助於解讀其他疲勞結果，例如疲勞壽命、損傷或安全係數。
雙軸指示可量測較小主應力與較大主應力 (不包括最接近零的主應力) 的比率，來確定應力狀態的性質，有助於確定疲勞壽命預測 (假設單軸負載) 是否有效。
雙軸指示的值範圍介於 -1 到 1 之間，可解讀如下：
• -1 - 值 -1 表示純剪切。這在扭力負載中很常見。需要從等效應力 (von Mises) 切換到最大剪切應力，才能取得保守疲勞壽命。
• 0 - 值 0 代表單軸負載，且表示應力為純張力或壓縮。疲勞分析假設在此最為精確。
• 1 - 值 1 表示在兩個方向上具有相等張力或壓縮的純雙軸負載。
使用此結果可核對您的模型是否正在承受多軸負載。如果不是單軸 (0)，則可能需要使用多軸疲勞條件更仔細地評估疲勞壽命結果。
等效交變應力 (EAS)
這是一個單一應力值，表示負載對疲勞的「損傷程度」。它會將複雜的多軸及非零平均應力負載轉換為一個等效、完全反轉的應力振幅。這是用來從 S-N 曲線讀取疲勞壽命的應力值。
EAS 包括下列轉換：
• 多軸應力轉換 - 將來自不同方向的應力組合成一個等效應力。
• 平均應力校正 - 使用 Goodman、Gerber 或 Soderberg 等模型 (目前不可用，但將在未來發行版本中提供) 來調整伸展或壓縮平均應力。
• 最終標量賦值 - 直接與材料的 S-N 曲線進行比較。
下圖顯示了 S-N 曲線和 EAS。Y 軸顯示應力振幅 (S)，X 軸則提供失敗的循環 (N)。
具有等效交變應力的 S-N 曲線
圖形顯示下列值：
• 藍線：典型的 S-N 曲線 (應力振幅對循環)。
• 紅色虛線：等效交變應力 (EAS)。
• 綠色虛線 + 紅色點：EAS 與 S-N 曲線相交的預測壽命。
您可以依照下列方式讀取圖形：
• 從 EAS 水平移動到 S-N 曲線，然後向下移動到 N 軸。
• 該 N 值是目前負載的預測疲勞壽命 (循環)。
疲勞損傷 (邁納法則)
損傷 = 設計壽命 / 預測壽命。
損傷 > 1 表示在設計壽命之前失敗。
邁納法則損傷長條圖
損傷 D = 設計壽命/預測壽命
損傷長條圖顯示下列內容：
• 綠色區域：損傷< 1 - 設計壽命安全。
• 損傷 = 1 處的橘色虛線 - 臨界值。
• 紅色區域：損傷 >1 - 將在設計壽命之前失敗。
• 顯示的範例：D = 1.67 - 不安全 (耗用壽命的速度超過允許速度)。
您可以將損傷長條圖解讀為如下：
• 如果長條圖在臨界值線之前停止，則表示設計壽命正常。
• 如果超過該線，除非降低負載或重新設計，否則預期會在達到目標壽命之前失敗。
疲勞壽命
此結果是模型在指定負載之下可存活的預測循環數
這個結果可以解讀如下：
針對恆定振幅負載 - 疲勞壽命的值是失敗的循環數
針對可變或區塊負載 - 疲勞壽命值代表失敗之前的負載區塊 (或等效循環) 數。
較高的壽命意味著更佳的疲勞效能。
安全係數
這是在衡量元件距離疲勞失敗的程度。這意味著在發生疲勞失敗之前，負載還可以增加多少倍。
安全係數 = 允許疲勞強度 / 施加的循環應力
安全係數 SF
安全係數量測計顯示下列內容：
• 紅色：SF < 1 - 不安全。
• 黃色：1 ≤ SF < 2 - 臨界邊緣。
• 綠色：SF ≥ 2 - 充裕的安全餘裕。
• 藍色標記：範例 SF = 1.6 - 列入觀察名單；若要求為 ≥ 2，請考慮進行改進。
您可按照以下說明解讀安全係數量測計：
• SF < 1 - 增加強度或降低循環應力。
• SF ≈ 1：元件達到設計壽命目標，但餘裕極小。
• SF ≫ 1：較高的餘裕表示元件處於安全狀態。
 | Creo Ansys Simulation 將顯示的最大安全係數限制為 15 (非常安全)。 |
摘要 - 疲勞結果的快速參考
結果量 | 代表什麼 | 如何解讀此結果 |
|---|---|---|
等效交變應力 (EAS) | 用於 S-N 曲線查閱的最終應力振幅； 包括多軸 + 平均應力效果 | 較高的 EAS - 較低的疲勞壽命 極高值 - 平均應力超過限制 |
疲勞損傷 | 耗用的壽命分數 | 損傷 > 1 - 將在設計壽命之前失敗 |
疲勞壽命 | 失敗前的預測循環 (或區塊) | 更高的壽命 = 更好的耐用性 |
安全係數 | 疲勞失敗餘裕 |
在疲勞設計中選擇正確的平均應力校正
當針對零或比率類型的負載定義疲勞行為時，您可以選擇要使用的平均應力理論。選取正確的平均-應力校正很關鍵，因為不同模型會產生不同的保守程度。本指南可協助您根據材料行為、風險接受度與應用類型挑選正確的平均應力理論。
包含安全與不安全區域的 Goodman + Gerber 圖表
下圖顯示 Goodman 與 Gerber 條件如何根據交變應力與平均應力的值套用平均應力修正。
圖表包含下列項目：
• 藍線代表 Goodman 線 (σₐ/Se + σₘ/Sut = 1)。
• 虛線拋物線：Gerber 線 σₐ = Se (1−(Sut / σₘ)2))
• 紅點：您所施加的應力狀態 (平均應力 σₘ，交變 σₐ)。
• 綠色箭頭 + σₘ=0 處的綠點：用於 S–N 查詢的等效完全反轉幅度 (σₐ, eq)
您可以將圖表解讀如下：
• 平均應力 (σₘ) 越高，允許的交變應力就會降低。
• 等效交變應力 (σₐ,eq) 是您與耐久性 S-N 曲線的比較依據。
下表顯示 Goodman 與 Gerber 平均應力理論之間的比較。
平均應力理論 | Goodman 準則 | Gerber 準則 |
|---|---|---|
關於 | 中度保守 工業界廣泛採用。 當您希望在安全與經濟之間取得平衡，且負載特性明確時 (常見於機械元素)，請使用 Goodman。 | 保守性最低。 最符合延性鋼材的行為。 當材料為延性鋼材、具備良好的品質控制，且您需要在顯著的伸展平均應力下實現更輕量、最佳化的設計時，請使用 Gerber。 |
方程 |  其中： σa 為交變應力 σm 為平均應力 Se 為耐久性極限 Sut 為最終抗拉強度 |  其中： σa 為交變應力 σm 為平均應力 Se 為耐久性極限 Sut 為最終抗拉強度 |
典型應用 | • 旋轉軸 • 齒輪刀齒 • 焊接元件 • 一般機器元素 • 汽車結構 | • 汽車重量最佳化元件 • 專為效能所設計的旋轉機械 • 具有強大可靠資料的鋼製零件 • 非安全性關鍵的消費者機械 |
優點 | 簡單 合理的保守性 適用於大多數金屬。 | 最符合延性鋼材的實驗疲勞曲線 裕量應力較符合現實狀況 常用於最佳化或輕量化設計 |
缺點 | 仍屬於線性逼近 (對於延性鋼材可能過於保守) 與延性鋼材的實際失敗行為契合度不如 Gerber | 不適用於脆性材料 當失敗後果嚴重時不建議使用 許多安全性關鍵的設計規範並不採納 |
快速決策表
情境 / 需求 | 最佳方法 | 為什麼？ |
|---|---|---|
高安全性 / 人身風險 | Soderberg | 防止屈服；非常保守 |
通用機械設計 | Goodman | 均衡且被廣泛接受 |
最佳化輕量金屬零件 | Gerber | 最符合延性鋼材的疲勞行為 |
負載高度不確定 | Soderberg | 誤差容許範圍較安全 |
已知存在伸展平均應力 | Gerber | 拋物線曲線符合鋼材行為 |
需要法規核准 | Goodman 或 Soderberg | 大多數標準中皆有定義 |
脆性材料 | Goodman | Gerber 不適用於脆性行為 |
| | 雖然目前尚未提供 Soderberg 平均應力理論，但該功能將於未來發行版本中推出，因此特此納入以供比較。 |
絕對禁忌規則
• 切勿將 Gerber 準則用於脆性材料 (如鑄鐵、陶瓷)。
• 切勿將 Soderberg 準則用於必須最佳化重量的元件 (這會導致過度條件約束設計)。
• 切勿假設所有準則的結果都相似；在高平均應力附近，各準則的預測結果可能存在顯著差異。