我们经常收到关于疲劳模块的问题，其中最常见是“我应该在模拟中使用哪个疲劳模型？”这个问题没有直接的答案，因为疲劳不是基于精确的微分方程，而是基于产生不同物理现象的工程观察。每个模型的适用性可能取决于材料和载荷类型等因素。今天，我将讨论选择疲劳模型的不同方法和不同模型的适用性。
识别疲劳行为
疲劳模型可以通过不同的方式选择。专业知识是一个很好的起点。如果你的研究团队已经分析过类似的应用，那么可能会有关于这个主题的先验知识。另外，你也可以通过文献检索查找专业知识，因为大约 90% 的结构性失效是由疲劳引起的，所以很有可能另一个工程团队已经分析了与你类似的应用。
当没有关于疲劳案例的先验知识时，你可以基于加载条件和预期疲劳失效的相关问题提出合适的疲劳模型。在下图中，我总结了使用 COMSOL® 软件的疲劳模块评估疲劳时应提出的关键问题。
疲劳模型类型的选择。
随机载荷疲劳
首先，你需要确定外部载荷是不是随机的，或者你的应用承受恒定循环载荷。一个不是真正随机但具有非恒定载荷循环周期的载荷，也可能属于这一类。
随机载荷的应力历史在结构中引入了一个复杂的载荷场景，需要先进的评估技术来量化应力响应。如果你的应用受随机载荷影响，就可以使用累积损伤特征评估疲劳，在这个特征中，随机载荷被转换为应力范围分布，而不是其他评估技术中假设的单个恒定应力循环。
有关这种计算方法的更多详细信息，您可以在我之前的博客文章随机载荷疲劳中找到。
比例载荷或非比例载荷
在恒定载荷周期下，结构受到重复载荷的影响。在这种情况下，您需要确定载荷是比例的还是非比例的。
在比例载荷中，主应力和应变的方向在载荷周期内不会改变。区分这两种情况的另一种方法是考虑外部载荷的特性。对于外部载荷源，结构响应由应力张量定义，其中所有分量都发生相位变化。当在多个点施加外部载荷或如果包含移动载荷时，应力张量的分量可能会发生异相变化。这两种类型的载荷循环需要不同的疲劳评估技术。
比例载荷
在比例载荷中，控制疲劳的最大应力或应变的方向是明确的。这可能是你第一次学习疲劳的课堂中使用的应用类型。那时，载荷总是正弦曲线，并且是使用经典方法，例如S-N曲线，也称为 Wöhler 曲线。
在疲劳模块中，应力寿命和应变寿命模型可以评估比例载荷下的疲劳。这些模型基于疲劳寿命曲线，描述了疲劳寿命与施加的应力或应变幅值之间的直接关系。
应力寿命系列中的一个模型需要特别注意：逼近S-N曲线（见下图）。在这个模型中，你指定 S-N 曲线上的两个点。第一个是高周疲劳和低周疲劳之间的过渡点，而第二个点则定义了持久极限。该模型的优点是它不需要对疲劳材料数据有任何实质性的了解，因为所需的两个点可能与极限抗拉强度有关。虽然这是一个粗略的近似值，但当你缺少材料数据时，它是一个很好的起点。
近似S-N曲线模型。指数t表示过渡点，指数e表示持久极限点。
应力寿命模型适用于模拟高周疲劳，而应变寿命模型经常用于模拟低疲劳状态。低周疲劳和高周疲劳之间的过渡各不相同，但通常在 1000 到 10,000 次循环之间。
非比例载荷
模拟非比例载荷的挑战是确定疲劳控制参数的范围。由于主应力和应变的方向发生变化，因此对疲劳寿命影响最大的参数方向也会发生变化。
在疲劳模块中，可以使用我在使用临界面模型进行疲劳预测博文中讨论的基于应变和基于应力模型来评估这种类型的应用。这些模型被称为临界面模型，因为它们通过评估空间中的许多方向来寻找预计会发生疲劳的临界平面。
基于应变的模型适用于低周疲劳的疲劳预测，而基于应力的模型经常用于预测高周疲劳。大多数疲劳模型预测失效前的循环次数。基于应力的模型预测疲劳使用因子，即施加的应力和应力极限之间的分数。这个因子用于指示是否已超过应力极限并且预期会发生失效，或者组件是否将保持预期的疲劳寿命。你可以将疲劳使用因子视为安全系数的倒数。
基于能量的疲劳
在某些情况下，仅应力或应变不足以表征疲劳特性。你可以使用基于能量的模型。它们将应力和应变的影响结合成能量，在载荷周期释放或消散。
基于能量的模型经常用于低周疲劳状态下的非线性材料。由于可以以不同的方式计算能量，因此基于能量的模型可以用于比例载荷和非比例载荷的应用。
如果想了解更多关于基于能量的模型的使用，请查阅博客文章非线性材料中的热疲劳建模。
疲劳模型相关案例
下面分享几个应用案例，演示如何使用不同的疲劳模型：
- 随机非比例载荷的疲劳响应示例中，疲劳模型考虑了由 1000 个载荷事件组成的随机载荷。
- 经典S-N 曲线用于比例载荷下的支架疲劳评估。
- 圆柱形试样的高周疲劳分析示例模型中，预测了非比例载荷试样的疲劳。该模型还展示了如何从两种类型的疲劳测试中获取材料参数。
- 基于能量的疲劳标准用于表面贴片电阻的热疲劳模型中，其中黏塑性焊点中的耗散能量最终导致失效。
如果您对疲劳仿真应用有任何疑问，请联系我们。
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