什么是疲勞仿真分析？
人累了需要休息來(lái)恢復(fù)，而我們研發(fā)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，如果使用頻率過(guò)高導(dǎo)致磨損等情況出現(xiàn)，就會(huì)出現(xiàn)一些潛在產(chǎn)品問(wèn)題。那么如何才能知道該產(chǎn)品的某些區(qū)域要達(dá)到什么臨界值下就會(huì)斷裂，這對(duì)于研發(fā)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的公司來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。這一篇文章，就能為我們很好的解答這樣的疑惑。
在工業(yè)制造領(lǐng)域，產(chǎn)品失效的案例中，疲勞破壞占比高達(dá)60%-70%。從汽車傳動(dòng)軸的突然斷裂，到飛機(jī)機(jī)翼的隱蔽裂紋，這些災(zāi)難性故障的根源往往并非材料強(qiáng)度不足，而是長(zhǎng)期承受交變載荷后引發(fā)的疲勞失效。疲勞仿真分析技術(shù)就能解決這樣的問(wèn)題，已成為航空航天、汽車、機(jī)械制造等行業(yè)不可或缺的工具。
疲勞的本質(zhì)是材料在低于極限強(qiáng)度的循環(huán)應(yīng)力作用下，經(jīng)過(guò)數(shù)萬(wàn)次甚至數(shù)百萬(wàn)次加載后發(fā)生的脆性斷裂。其典型特征包括：
局部性：裂紋通常從應(yīng)力集中處（如孔洞、焊縫、加工刀痕）或材料缺陷處萌生；
漸進(jìn)性：裂紋經(jīng)歷萌生-擴(kuò)展-失穩(wěn)斷裂三個(gè)階段，壽命取決于前兩階段；
隱蔽性：疲勞斷口呈現(xiàn)“海灘條紋”特征，斷裂前幾乎無(wú)塑性變形預(yù)警。
以汽車半軸為例，某型號(hào)鋼軸在1500N循環(huán)載荷下，高周疲勞（應(yīng)力主導(dǎo)）仿真顯示：在27000公里行駛里程時(shí)出現(xiàn)初始裂紋，41000公里時(shí)完全斷裂，與實(shí)車道路試驗(yàn)結(jié)果誤差不足5%。這種“數(shù)字預(yù)演”能力，正是疲勞仿真的核心價(jià)值。
疲勞仿真分析是一種通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，預(yù)測(cè)材料或結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期承受交變載荷作用下的疲勞壽命及失效風(fēng)險(xiǎn)的方法。它結(jié)合材料力學(xué)、有限元分析和疲勞損傷理論，為工程設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵依據(jù)。
核心原理
疲勞失效機(jī)制
材料在遠(yuǎn)低于其極限強(qiáng)度的交變載荷（如振動(dòng)、循環(huán)壓力）作用下，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生微裂紋并逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷裂，這種失效稱為疲勞破壞。占機(jī)械零件失效的60%-70%。
仿真技術(shù)基礎(chǔ)
有限元方法（FEM）：將復(fù)雜結(jié)構(gòu)離散為有限個(gè)單元，計(jì)算每個(gè)單元的應(yīng)力-應(yīng)變分布。
疲勞損傷累積理論：如線性累積損傷理論（Miner法則），假設(shè)每次應(yīng)力循環(huán)對(duì)材料的損傷可線性疊加，當(dāng)總損傷達(dá)到閾值時(shí)發(fā)生失效。
仿真流程
建模與網(wǎng)格劃分
使用CAD軟件建立幾何模型，并通過(guò)有限元前處理軟件劃分網(wǎng)格（需平衡計(jì)算精度與效率）。
材料與邊界條件定義
輸入材料參數(shù)（如彈性模量、泊松比、S-N曲線）。設(shè)置約束條件（如固定端）和載荷（如交變扭矩、彎曲力）。
載荷施加與循環(huán)處理
施加實(shí)際工況下的循環(huán)載荷（如對(duì)稱循環(huán)、隨機(jī)振動(dòng)）。通過(guò)雨流計(jì)數(shù)法將不規(guī)則載荷歷史轉(zhuǎn)換為等效的簡(jiǎn)單應(yīng)力循環(huán)塊，便于疲勞計(jì)算。
疲勞壽命預(yù)測(cè)
結(jié)合S-N曲線（應(yīng)力-壽命曲線）或ε-N曲線（應(yīng)變-壽命曲線），計(jì)算每個(gè)應(yīng)力循環(huán)的損傷。
關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)
高周疲勞與低周疲勞
高周疲勞（循環(huán)次數(shù)>10^4）：以彈性變形為主，使用S-N曲線預(yù)測(cè)。
低周疲勞（循環(huán)次數(shù)<10^4）：伴隨塑性變形，需用ε-N曲線或循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
多軸應(yīng)力狀態(tài)
實(shí)際工程中多為多軸應(yīng)力（如拉壓、扭轉(zhuǎn)復(fù)合載荷），需通過(guò)臨界平面法確定裂紋擴(kuò)展方向。
平均應(yīng)力修正
非零平均應(yīng)力會(huì)顯著影響壽命，需通過(guò)Goodman、Gerber等理論修正S-N曲線。
下面我們來(lái)看幾個(gè)行業(yè)應(yīng)用，真正幫助企業(yè)解決產(chǎn)品實(shí)際問(wèn)題，提升產(chǎn)品性能，做到在成本及風(fēng)險(xiǎn)管控等方面做到了比其他產(chǎn)品更優(yōu)。
①汽車工業(yè)：某SUV后懸架控制臂疲勞優(yōu)化
通過(guò)疲勞仿真分析發(fā)現(xiàn)：某SUV后懸架控制臂，原始設(shè)計(jì)在25萬(wàn)公里時(shí)出現(xiàn)裂紋。
優(yōu)化后：
焊接接頭處增加過(guò)渡圓角（R3→R5），局部應(yīng)力集中系數(shù)從2.8降至1.9；采用雙相鋼（DP600）替代普通碳鋼，疲勞極限提升40%；最終設(shè)計(jì)通過(guò)50萬(wàn)公里等效壽命驗(yàn)證。
②能源裝備：風(fēng)電齒輪箱行星輪系疲勞分析
通過(guò)對(duì)風(fēng)電齒輪箱行星輪系進(jìn)行疲勞仿真分析，其中涉及到幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，如下：
考慮齒輪嚙合沖擊引起的瞬態(tài)高應(yīng)力（峰值達(dá)材料屈服強(qiáng)度的70%）；采用局部應(yīng)變法計(jì)算齒根彎曲疲勞壽命；通過(guò)熱-機(jī)耦合分析，考慮潤(rùn)滑油溫升對(duì)材料疲勞性能的影響。
仿真結(jié)果：
預(yù)測(cè)行星輪太陽(yáng)輪接觸疲勞壽命為8年，與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)完全吻合；優(yōu)化齒輪修形參數(shù)后，壽命提升至12年。
疲勞仿真分析通過(guò)虛擬試驗(yàn)揭示材料或結(jié)構(gòu)的疲勞行為，為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。當(dāng)每一個(gè)應(yīng)力循環(huán)、每一道焊縫、每一處倒角都在數(shù)字世界中被反復(fù)推演，工程師們得以在產(chǎn)品誕生之初就預(yù)見(jiàn)其全生命周期的疲勞表現(xiàn)。這不僅是技術(shù)的勝利，更是對(duì)“質(zhì)量即生命”這一工業(yè)信條的深刻詮釋。
隨著計(jì)算力學(xué)和材料數(shù)據(jù)庫(kù)的發(fā)展，其分析精度將會(huì)不斷提升，CAE仿真分析將會(huì)成為現(xiàn)代工程中不可或缺的工具。
