解释疲劳研究中的结果
以下主题介绍可在疲劳研究定义的不同结果，并提供一些有关如何解释结果的指导：
双轴指示
双轴指示是一个无量纲结果，在执行疲劳分析时，显示某个位置处应力状态的多轴特性。它可帮助您了解疲劳损伤是由一个起主导作用的主应力驱动，还是由两个或多个大小相当的主应力驱动。此结果有助于解释其他疲劳结果，如疲劳寿命、损伤或安全系数。
双轴指示测量较小主应力与较大主应力 (不包括最接近零的主应力) 的比率，以确定应力状态的性质，从而帮助确定疲劳寿命预测 (假设单轴载荷) 是否有效。
双轴指示的值范围介于 -1 到 1 之间，且可解释如下：
• -1 - 值为 -1 表示纯剪应力。这在扭转载荷中很常见。需要从等效应力 (von Mises) 切换到最大剪应力，以获得保守的疲劳寿命。
• 0 - 值为 0 表示单轴载荷，表示应力为纯拉伸或压缩。此处的疲劳分析假设最精确。
• 1 - 值为 1 表示在两个方向上具有相等拉伸或压缩的纯双轴载荷。
使用该结果可验证模型是否施加了多轴载荷。如果不是单轴 (0)，则可能需要使用多轴疲劳准则更详细地评估疲劳寿命结果。
等效交替应力 (EAS)
这是一个单一应力值，表示载荷对疲劳的“损伤程度”。它将复杂的多轴非零平均应力载荷转换为一个等效的、完全反向的应力振幅。这是用于从 S-N 曲线读取疲劳寿命的应力值。
EAS 包括以下转换：
• 多轴应力转换 - 将来自不同方向的应力组合成一个等效应力。
• 平均应力校正 - 使用 Goodman、Gerber 或 Soderberg 等模型 (当前不可用，将在未来版本中提供) 来调整拉伸或压缩平均应力。
• 最终标量值 - 直接与材料的 S-N 曲线进行比较。
下图显示了 S-N 曲线和 EAS。Y 轴显示应力振幅 (S)，X 轴给出失效循环次数 (N)。
具有等效交替应力的 S-N 曲线
该图显示以下各值：
• 蓝色直线：典型的 S-N 曲线 (应力振幅与循环次数)。
• 红色虚线：等效交替应力 (EAS)。
• 绿色虚线 + 红点：预测寿命，即 EAS 与 S-N 曲线的交点。
可按如下方式读图：
• 从 EAS 水平移动至 S-N 曲线，然后向下移动至 N 轴。
• 该 N 值即为当前载荷的预测疲劳寿命 (循环次数)。
疲劳损伤 (迈因纳法则)
损伤 = 设计寿命/预测寿命。
损伤 > 1 意味着在设计寿命前失效。
迈因纳法则损伤条形图
损伤 D = 设计寿命/预测寿命
损伤条形图显示以下内容：
• 绿色区域：损伤 < 1 - 设计寿命安全。
• 橙色虚线：损伤 = 1 - 阈值。
• 红色区域：损坏 > 1 - 将在设计寿命前失效。
• 示例显示：D = 1.67 - 不安全 (寿命消耗速度超过允许值)。
损伤条形图解释如下：
• 如果条形图在阈值线之前停止，则设计寿命正常。
• 如果超出界限，除非减少载荷或重新设计，否则预期会在目标寿命之前疲劳。
疲劳寿命
此结果为模型在给定载荷下能够承受的预测循环次数。
此结果可解释如下：
对于恒定振幅载荷 - 疲劳寿命的值为失效前的循环次数
对于可变载荷或块载荷 - 疲劳寿命值表示失效前的载荷块数 (或等效循环次数)。
寿命越长，疲劳性能越好。
安全系数
安全系数是用于测量元件接近疲劳失效的指标。它表示发生疲劳失效前可对载荷使用的乘数。
安全系数 = 允许的疲劳强度/施加的循环应力
安全系数 SF
安全系数表显示以下内容：
• 红色：SF < 1 - 不安全。
• 黄色：1 ≤ SF < 2 - 临界。
• 绿色：SF ≥ 2 - 裕量充分。
• 蓝色标记：示例 SF = 1.6 - 需要关注；≥ 2 时，则需考虑改进。
安全系数表解释如下：
• SF < 1 - 需提高强度或降低循环应力。
• SF ≈ 1 - 元件达到设计寿命目标，但裕量很小。
• SF ≫ 1 - 裕量较高，表明元件安全。
 | Creo Ansys Simulation 将显示的最大安全系数限制为 15 (非常安全)。 |
摘要 - 疲劳结果快速参考
结果物理量 | 它表示什么 | 如何解释此结果 |
|---|---|---|
等效交替应力 (EAS) | 用于 S-N 曲线查找的最终应力振幅； 包括多轴 + 平均应力效应 | EAS 较高 - 疲劳寿命较短 值极高 - 平均应力超出限制 |
疲劳损伤 | 寿命消耗比例 | 损伤 > 1 - 将在设计寿命前失效 |
疲劳寿命 | 预测的失效前循环次数 (或块数) | 寿命较高 = 耐久性更好 |
安全系数 | 抗疲劳失效裕量 |
在疲劳设计中选取适当的平均应力修正
为“零”或“比率”类型的载荷定义疲劳行为时，可选取要使用的平均应力理论。选择适当的平均应力修正至关重要，因为不同模型的保守程度不同。本指南可帮助您根据材料行为、风险接受度和应用类型选择适当的平均应力理论。
包含安全和不安全区域的 Goodman + Gerber 图
下图显示了 Goodman 和 Gerber 标准如何根据交替应力和平均应力值来应用平均应力修正。
图中包含以下内容：
• 蓝色线表示 Goodman 线 (σₐ/Se + σₘ/Sut = 1)。
• 虚线形式的抛物线表示 σₐ = Se (1−(Sut / σₘ)2))
• 红点：施加的应力状态 (平均应力 σm，交替应力 σₐ)。
• 绿色箭头 + 绿点 (σm=0 时)：用于 S–N 查找的等效完全反转振幅 (σₐ, eq)
可按如下方式解释该图表：
• 平均应力 (σm) 提高时。允许的交替应力将会降低。
• 等效交替应力 (σₐ,eq) 即与持久 S-N 曲线相比较的应力。
下表显示 Goodman 与 Gerber 平均应力理论之间的比较。
平均应力理论 | Goodman 准则 | Gerber 准则 |
|---|---|---|
关于 | 保守性适中 在行业中广泛应用。 需要在安全性与经济性之间取得平衡，且载荷特性明确时，请使用 Goodman 准则 (常用于机械零件)。 | 保守性最低 最适合球墨钢行为。 如果材料是质量控制良好的球墨钢，并且需要在显著拉伸平均应力下进行更轻、更优化的设计，请使用 Gerber 准则。 |
方程 |  其中： σa 为交替应力 σm 为平均应力 Se 为持久极限 Sut 为极限抗拉强度 |  其中： σa 为交替应力 σm 为平均应力 Se 为持久极限 Sut 为极限抗拉强度 |
典型应用 | • 旋转轴 • 齿轮轮齿 • 焊接元件 • 通用机械零件 • 汽车结构 | • 汽车轻量化元件 • 以性能为目标的旋转机械 • 具有强可靠性数据的钢制零件 • 非安全关键型消费类机械 |
优点 | 简单 相当保守 适用于大多数金属。 | 最适合球墨钢实验疲劳曲线 更符合实际允许应力 常用于优化/轻量化设计 |
缺点 | 仍为线性近似值 (对于球墨钢而言可能过于保守) 与球墨钢和 Gerber 的实际失效行为不相符 | 不适用于易碎材料 不适用于失效后果严重的情况 在许多安全关键型设计规范中不被接受 |
快速决策表格
场景/需求 | 最佳方法 | 原因 |
|---|---|---|
高安全性/人员风险 | Soderberg | 防止屈服；非常保守 |
通用机械设计 | Goodman | 平衡，被广泛接受 |
优化的轻量化金属零件 | Gerber | 球墨钢疲劳行为的最佳拟合 |
载荷高度不确定 | Soderberg | 误差幅度更安全 |
已知的拉伸平均应力 | Gerber | 抛物线与钢材行为相符 |
需要监管部门批准 | Goodman 或 Soderberg | 在大多数标准中定义 |
易碎材料 | Goodman | Gerber 不适用于脆性材料行为 |
| | Soderberg 平均应力理论目前尚不可用，但将在未来版本中提供，因此，现在将其纳入以进行比较。 |
绝对禁止规则
• 对于易碎材料 (铸铁、陶瓷)，不要使用 Gerber。
• 对于必须优化重量的元件，不要使用 Soderberg (它会过度约束设计)。
• 不能认为所有准则会得出相似结果；接近高平均应力时，它们可能存在显著差异。