如何评估和预防高周疲劳失效

重复的加载周期并不一定是戏剧性的。它们通常是产品典型日常流程的一部分。但是，随着时间的推移，这些循环会导致材料内部出现微裂纹。有时裂缝保持不变，有时裂缝扩大。如果裂缝扩大，最终它们会变得足够大，导致灾难性的失败。

有些人可能把这种现象称为材料疲劳，但这是一个更普遍的问题，扩展到复合材料的分层或纤维断裂等机制。传统的疲劳失效只关注金属等材料裂纹的扩展。

疲劳的历史

然而，这些失败的实际机制仍然是未知的。几十年后，人们才认识到，每个负载周期都消耗了组件寿命的一部分。此信息可用于估计故障前的负载数量。

结果，零件被过度设计以承受大载荷，而这些载荷被证明永远不会导致疲劳失效。换句话说，产品的耐用性传统上是通过限制组件的应力水平来解决的。这意味着更大、更重的零件几乎没有创新，碳足迹高，材料浪费大。

现在的消费者想要更好、更轻、更环保的产品。因此，目标是评估设计的耐久性，以便工程师能够满足保修要求、重量、材料使用、碳足迹等。

如何进行疲劳设计

目前，工程师可以记录组件将经历的实际负载历史。它们也有计算能力来计算所有的应力循环和载荷历史会造成的损伤。

工程师们不再设计构件以承受其设计寿命的最大应力循环，而是将其设计为承受其历史上所有实际应力循环造成的累积损伤。

疲劳可分为高周期和低周期。当一个负载可以在失效前对零件施加数千或数百万次时，这被认为是高周期的。这些载荷产生的应力水平远低于静态强度失效所需的应力水平。简单的线弹性分析可以用来预测损伤。

然而，低周期问题涉及高载荷和金属塑性。这与高周疲劳的解决和研究不同，因为塑性变形需要使用非线性应力分析．

然而，这两种情况都可以用适当的S-N曲线和逐周期损伤计算来解决。

疲劳设计的挑战

研究这些负载的影响将需要复杂的模拟和大量的计算能力，因为这些传感器将产生大量的数据。

疲劳分析的好处

研究疲劳失效使工程师能够制定有意义的设计目标。例如，如果一个自行车车架的设计寿命为10年，工程师可以确定这段时间内的应力循环，并评估他们的设计是否能持续使用。

工程师也将能够对安全关键部件给予适当的关注。

一个锁住橱柜门的门闩不需要和一个锁住汽车门的门闩一样的安全级别。设计这个柜子的工程师可能对0.2%的故障率感到满意，而汽车工程师则必须严格遵守公司和政府规定的故障率。无论哪种方式，分析都将确保这些部件具有适当的使用寿命。

这意味着工程师现在可以在进行验证和原型制作之前预测产品的寿命。这有助于在开发周期的早期改进设计，减少预算并刺激创新。

使用现代负载采样设备，工程师可以更好地评估其设计所经历的条件。因此，疲劳分析可以帮助工程师根据他们每天实际承受的载荷来设计产品。这不仅改善了他们的高周期评估，而且改善了使用负载假设完成的任何其他结构评估，这些负载假设不反映产品的实际占空比。

模拟如何影响疲劳试验

工程师们不再有时间和预算来测试汽车在数十万英里内的占空比。相反，他们可以使用像Ansys机械和Ansys nCode DesignLife．

工程师可以在ANSYS Workbench中访问ANSYS DesignLife

这些工具使工程师能够通过运行各种负载和设计来确保他们的产品符合疲劳规格，直到他们确信产品在保修期后仍然有效。

例如，他们将能够判断额外的法兰，钻孔，印章或设计中的任何其他细节是否有助于或阻碍产品的使用寿命。

更好的是，这些模拟和优化可以在产品构建之前执行，确保在开发周期的早期进行设计改进。优化算法甚至可以用来简化这个设计过程。

要了解更多信息，访问Ansys nCode DesignLife的产品页面．