如何评估和预防高周疲劳失效

重复的加载周期不必是戏剧性的。它们通常是产品日常工作的一部分。但是，随着时间的推移，这些循环会在材料内部引起微裂纹。有时裂缝保持不变，有时会扩大。如果裂缝扩大，最终会大到足以导致灾难性的故障。

有些人可能会把这种现象称为材料疲劳，但这是一个更普遍的问题，可以扩展到复合材料的分层或纤维断裂等机制。传统的疲劳失效只考虑金属等材料中裂纹的增长。

疲劳的历史

然而，这些故障的实际机制仍然未知。几十年过去了，人们才认识到每个负载周期都会消耗组件的一部分寿命。该信息可用于估计失效前的负载数。

结果，零件被过度设计来处理大载荷，而这些载荷被证明永远不会导致疲劳故障。换句话说，产品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、更重的部件几乎没有创新，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，我们的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。

如何设计疲劳

目前，工程师可以记录组件将经历的实际负载历史。他们也有计算能力来计算所有的应力循环和负荷历史可能造成的破坏。

工程师们可以设计组件，使其能够承受历史上所有实际应力循环的累积损伤，而不是设计组件在其设计寿命内承受最大应力循环。

疲劳可以分为高周期和低周期。当一个载荷在失效前可以施加到零件上数千或数百万次时，这被认为是高循环。这些载荷产生的应力水平远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。

低周问题，然而，处理高负荷和金属塑性。这是解决和研究不同于高周疲劳塑性变形需要使用非线性应力分析．

然而，这两种情况都可以通过适当的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需要复杂的模拟，需要大量的计算能力，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设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是10年，工程师可以确定这段时间内的压力循环，并评估他们的设计是否可以持续。

工程师还将能够对安全关键部件给予适当的关注。

一个固定橱柜门的门闩不需要与固定汽车门的门闩相同的安全水平。设计汽车柜的工程师可以接受0.2%的故障率，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设计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。

有了现代负载采样设备，工程师可以更好地评估他们的设计所经历的条件。因此，疲劳分析可以帮助工程师根据他们每天实际经历的载荷来设计产品。这不仅改善了他们的高周期评估，还改善了任何其他使用负载假设进行的结构评估，这些负载假设不反映产品的实际占空比。

模拟如何影响疲劳测试

工程师们不再有时间和预算在数十万英里的范围内测试汽车的工作周期。相反，他们可以使用工具Ansys机械而且Ansys nCode设计生命．

工程师可以访问Ansys DesignLifeAnsys Workbench

这些工具使工程师能够确保他们的产品满足疲劳规格，通过运行多种载荷和设计变化，直到他们有信心，它将在保修期后生存。

例如，他们将能够判断设计中额外的法兰、钻孔、印章或任何其他细节是否有助于或妨碍产品的使用寿命。

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。

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