阿陽的疲勞計算簡明教程，本系列博客僅用於個人學習，除此之外，無其他任何用途。

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因個人能力有限，該系列博客難免有所疏漏/錯誤，不妥之處還請各位批評指正。

一、概述

英國恩科(nCode)國際有限公司是國際著名的疲勞耐久性工程專業公司和技術領導者。自80年代公司成立至今，引導並推動了疲勞理論在工業領域中的應用及其發展。

高周疲勞（high-cycle fatigue）是指材料在低於其屈服強度的循環應力作用下，經 10000-100000 以上循環次數而產生的疲勞（大幾萬次不壞）。高周疲勞的特點是作用於零件或構件的應力水平較低。如彈簧、傳動軸等零件或構件的疲勞即屬此類。

本文以官方文檔中提供的算例爲例，介紹nCode高周疲勞分析的分析流程。在該算例中，使用 S-N 曲線計算山地自行車主框架在常幅荷載作用下的疲勞壽命。通常，S-N 方法將名義應力與最終失效聯繫起來，該方法主要適用於在高周次循環荷載作用下而產生的疲勞破壞，所謂的高周次是指斷裂前荷載的循環次數 n = 1000 ~ 10000 及以上。

在本算例中將完成如下工作：

1. 創建一個 DesignLife 分析流，從 Ansys .rst (mountain_bike.rst) 文件中讀取應力結果，本部分詳見本文 FEInput1 部分；

2. 設置分析選項以模擬常幅輸入信號，並進行應力疲勞壽命計算，這將有效地預測自行車框架使用期間內最易損區域以及在模擬荷載下的疲勞壽命，本部分詳見本文 SN Glyph 部分；

3. 使用 DesignLife 分析流對疲勞分析結果進行後處理，如雲圖繪製，生成表格等；

4. 爲 DesignLife 分析流添加熱點探測工具，以自動識別高應力區域或熱點。

本算例要用到的 Ansys .rst 文件即 mountain_bike.rst 文件位於 nCode 安裝目錄 …\demo\designlife\01_SimpleSNAnalysis\ 內。

山地車骨架Ansys模型主要由殼單元模擬，考慮到結構的對稱性，只創建了半模型，分析單位爲S.I. (mkg-s)。骨架主體採用厚度爲1mm的殼單元模擬(ANSYS Real Constant 2)，其餘部分採用厚度爲2mm的殼單元模擬(ANSYS Real Constant 3)，如下圖所示。

山地自行車及其骨架有限元模型

二、分析流程

結構的高周疲勞分析主要按如下圖所示的流程進行。

在 Loading History box 中，必須給定結構所承受的荷載。

在 Geometry box box 中，根據分析類型的不同，一些幾何參數須給定，這些參數包括疲勞強度折減係數(Kf)、屈服函數或者有限元分析結果等。

在 Material Data box 中，材料在動載作用下的響應也必須給定，如 S-N 曲線、應變-壽命曲線和應力-應變曲線或者 Paris relationship 等。

在隨後的 cycle-by-cycle analysis 中，以上三類輸入數據被各種組合，形成初步的分析結果。

上述分析結果之所以稱之爲初步結果，是因爲輸入數據受 statistical variation and manipulation 影響很大，爲了儘可能的消除這一影響，初始疲勞分析結果應進行進一步的處理，以確定由於輸入的微小和重大變化而導致的結果敏感性（離散性），類似於參數的敏感性分析。This helps engineers gain an understanding of how the fatigue performance of the structure under consideration can be modified by design changes, or what the range of expected fatigue life may be for a population of structures.

三、創建 Glyph Flow

爲了完成上述的分析流程，我們需要用到如下圖所示的 glyph。

3.1. Glyph 的拖入

按如下方式，將所有必須的 glyph 拖拽到 Analysis Workspace：

1. From the Input palette, drag an FE Input glyph onto the Analysis Workspace.

2. From the DesignLife palette, drag an SN CAE Fatigue glyph onto the Analysis Workspace (you will add a Hot Spot Detection glyph later)

3. From the Display palette, drag a Data Values Display and an FE Display glyph onto the Analysis Workspace.

3.2. Glyph 的連接

連接各種輸入/輸出通道，爲 glyph 設置屬性，以便後續分析的順利進行。

4. Connect the input/output pads as shown in the following fatigue.

3.3. 有限元模型的導入

5. From the Available Data window, drag the FE model mountain_bike.rst onto the FEInput1 glyph. Note that the glyph now displays the words 1 File(s).

6. Save the flow before using it. (This is not required, but it is highly recommended.) Use the File > Save Process… menu option. Note that for processes that have already been saved, the Save Process As… menu option is also available.

四、FEInput1

4.1. 顯示網格

1. On the FEInput1 glyph, check the Display box to display the FE model. Maximize the glyph by clicking its Maximize button .

2. Right click the display and select Properties to display the Properties dialog. Click the FE Display tab.

3. On the Model Parameters dialog, in the Plot Type area, click the Mesh radio button, and then click the Apply button. Now the default model view shows a superimposed mesh.

4.2. 設置網格顏色及透明度

4. On the FE Display > Groups dialog, under Group Type, check the Immediate Update box so that any changes are shown as they happen. Select Group Type=Property from the pulldown menu. Notice that there are two Group Names (for element thickness sets): SHELL_2 and SHELL_3.

5. This is because most of the frame shell elements have a thickness of 1 mm (SHELL_2), but the thickness is 2 mm in the areas around the headset, seat post and chain stay dropout (SHELL_3). Check and uncheck the SHELL_ boxes to display/hide the sets of elements.

6. You can also double click on a cell in the Colour column and open Select color to change a cell’s color. For example, set SHELL_3 to yellow by clicking its color box and selecting from the palette. This will increase its color contrast with SHELL_2.

4.3. 顯示應力結果

You can also superimpose stress results from the FE solver (in this case ANSYS) results cases on the display:

7. Select FE Display > Results Legend, and select Result Case=Load Case - 1:Bike Analysis:Displacement: Time 1 - displacements (node) from the scrollable list.

Verify that the Smooth Contours box is not checked.
Verify that Result Type=Translation Magnitude. This will display the flexing of the frame that was captured from the ANSYS FE results (the top tube was displaced by up to 2 mm).
On Model Parameters, select Plot Type=Contour.

平動位移幅值雲圖

4.4. 單個結點的應力顯示

Now look at another type of results display:

9. On the FE Input glyph, open the Properties form and select FE Displal > Results Legend. From the scrollable list select ***Result Case=Load Case - 1:Bike Analysis:Stress: Time 1 - stresses (node on element)***.

10. Verify that the Result Type=Von Mises. This will highlight the maximum Von Mises stress on the top shell surface of 4.335 e8 Pascals (433.5 MPa) at node 92 (which is on the Chain Stay). Click OK.

Von Mises應力雲圖

4.5. 視圖

平移：Ctrl + 拖拽鼠標右鍵

旋轉：Ctrl + 拖拽鼠標左鍵

Zoom：Ctrl + 單擊鼠標中鍵

縮放：滾動鼠標中鍵

五、SN Glyph

5.1 設置求解器屬性

在屬性設置裏，可以對輸入輸出等參數進行設置，也可以設置某些求解的修正係數。

在 SN Analysis glyph 上，單擊鼠標右鍵 >> Properties，打開 Properties 對話框，設置如下參數：

AveragedNodeOnElement is the default results location that is used by DesignLife and is consistent with the most common way of post-processing FEA results. However, be aware that using averaged nodal results will smooth stresses across elements and therefore can hide the effects of a poor mesh, resulting in misleading fatigue life predictions. In an actual analysis, you should perform some mesh convergence studies on stresses and fatigue predictions using unaveraged nodal or element centroid results.

設置完成後，單擊 Ok 以關閉 Analysis Properties 對話框。

5.2 設置材料疲勞曲線

按如下方式給定材料的S-N曲線：

1. 在 SN glyph SNAnalysis1 上單擊鼠標右鍵，選擇 Edit Material Mapping ；

2. 彈出 The Run Flow? 對話框，click No.（後續補充），彈出 Edit Material Map 窗口；

3. 在 Select material to assign 窗口的滾動菜單內，選中 SAE Steel Grade 4130 Al_Rc46，按如下圖步驟繼續操作；

4. 單擊 OK，關閉對話框。至此材料的疲勞屬性完成指定。

5.3 設置循環荷載特性

右擊 SN glyph SNAnalysis1.

1. 選擇 Edit Load Mapping，彈出 Run Flow? 對話框，單擊 Yes，彈出 Edit Load Map 對話框

2. 在 load mapping 對話框中按如下圖所示設置參數：

3. 單擊 Ok 按鈕，以關閉 Edit Load Mapping 對話框。

以上步驟完成了加載時程的配置，值得注意的是荷載爲什麼設置成在 0 到 3g 間變化？這可能是對山地車沿山間小路下坡速降的真實近似。3 g 荷載表示山地車高度擊地，任何小於 1 g 的荷載表示騎手處於騰空狀態。

5.4 運行分析流

單擊 Run 按鈕，運行疲勞分析流。

六、FE Display Glyph / Data Values Display Glyph

Note how the FE Display glyph identifies the most damaging node at 4104 (damage=2.27E-7). You may need to enlarge the FE Display glyph to show this data plus the range and spectrum.

The Data Values Display glyph gives a detailed listing of the results of the analysis for all nodes or elements. Clicking in any of the column headings will sort the table according to that column. Clicking in a heading twice will swap the sort order and toggle between descending and ascending sorts. Note that by default the results out of the SN Analysis glyph are sorted with the most damaged location at the top.

It is also possible to identify only the 10 most damaged regions or areas of the model, and to display them using the DesignLife Hot Spot Detection glyph, shown next. This is an important feature because in practice you may not be interested in parts of a design that meet the design criteria, but may be very interested in those parts that are most likely to fail, or which are the weakest parts of a design.

七、Hot Spot Detection Glyph

Hot Spot Detection glyph 可以識別出結構的疲勞敏感區域，例如10處損傷最大的區域，the exact number displayed is set in the glyph’s MaxNumHotSpots property.

設置MaxNumHotSpots

按上圖方式連接後，重新運行分析流，然後按下圖所示步驟繼續操作，彈出 Feature List 對話框。

八、尾聲

以上，便是 Standard SN Analysis 的簡單介紹，如有疑問歡迎郵件來詢。

僅以此文爲我nCode高周疲勞分析做一個備忘，同時也爲有需要的人提供多一點參考。

胸藏文墨懷若谷，腹有詩書氣自華，希望各位都能在知識的pāo子裏快樂徜徉。

因個人水平有限，文中難免有所疏漏，還請各位大神不吝批評指正。

最後，祝各位攻城獅們，珍愛生命，保護髮際線！

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九、參考文獻

[1]. DesignLife Worked Examples

nCodeDL 高周疲勞 分析實例

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