什么是疲勞仿真分析？
人累了需要休息來恢復，而我們研發設計的產品，如果使用頻率過高導致磨損等情況出現，就會出現一些潛在產品問題。那么如何才能知道該產品的某些區域要達到什么臨界值下就會斷裂，這對于研發設計產品的公司來說是至關重要的。這一篇文章，就能為我們很好的解答這樣的疑惑。
在工業制造領域，產品失效的案例中，疲勞破壞占比高達60%-70%。從汽車傳動軸的突然斷裂，到飛機機翼的隱蔽裂紋，這些災難性故障的根源往往并非材料強度不足，而是長期承受交變載荷后引發的疲勞失效。疲勞仿真分析技術就能解決這樣的問題，已成為航空航天、汽車、機械制造等行業不可或缺的工具。
疲勞的本質是材料在低于極限強度的循環應力作用下，經過數萬次甚至數百萬次加載后發生的脆性斷裂。其典型特征包括：
局部性：裂紋通常從應力集中處（如孔洞、焊縫、加工刀痕）或材料缺陷處萌生；
漸進性：裂紋經歷萌生-擴展-失穩斷裂三個階段，壽命取決于前兩階段；
隱蔽性：疲勞斷口呈現“海灘條紋”特征，斷裂前幾乎無塑性變形預警。
以汽車半軸為例，某型號鋼軸在1500N循環載荷下，高周疲勞（應力主導）仿真顯示：在27000公里行駛里程時出現初始裂紋，41000公里時完全斷裂，與實車道路試驗結果誤差不足5%。這種“數字預演”能力，正是疲勞仿真的核心價值。
疲勞仿真分析是一種通過計算機模擬技術，預測材料或結構在長期承受交變載荷作用下的疲勞壽命及失效風險的方法。它結合材料力學、有限元分析和疲勞損傷理論，為工程設計提供關鍵依據。
核心原理
疲勞失效機制
材料在遠低于其極限強度的交變載荷（如振動、循環壓力）作用下，內部會產生微裂紋并逐漸擴展，最終導致斷裂，這種失效稱為疲勞破壞。占機械零件失效的60%-70%。
仿真技術基礎
有限元方法（FEM）：將復雜結構離散為有限個單元，計算每個單元的應力-應變分布。
疲勞損傷累積理論：如線性累積損傷理論（Miner法則），假設每次應力循環對材料的損傷可線性疊加，當總損傷達到閾值時發生失效。
仿真流程
建模與網格劃分
使用CAD軟件建立幾何模型，并通過有限元前處理軟件劃分網格（需平衡計算精度與效率）。
材料與邊界條件定義
輸入材料參數（如彈性模量、泊松比、S-N曲線）。設置約束條件（如固定端）和載荷（如交變扭矩、彎曲力）。
載荷施加與循環處理
施加實際工況下的循環載荷（如對稱循環、隨機振動）。通過雨流計數法將不規則載荷歷史轉換為等效的簡單應力循環塊，便于疲勞計算。
疲勞壽命預測
結合S-N曲線（應力-壽命曲線）或ε-N曲線（應變-壽命曲線），計算每個應力循環的損傷。
關鍵技術細節
高周疲勞與低周疲勞
高周疲勞（循環次數>10^4）：以彈性變形為主，使用S-N曲線預測。
低周疲勞（循環次數<10^4）：伴隨塑性變形，需用ε-N曲線或循環應力-應變曲線。
多軸應力狀態
實際工程中多為多軸應力（如拉壓、扭轉復合載荷），需通過臨界平面法確定裂紋擴展方向。
平均應力修正
非零平均應力會顯著影響壽命，需通過Goodman、Gerber等理論修正S-N曲線。
下面我們來看幾個行業應用，真正幫助企業解決產品實際問題，提升產品性能，做到在成本及風險管控等方面做到了比其他產品更優。
①汽車工業：某SUV后懸架控制臂疲勞優化
通過疲勞仿真分析發現：某SUV后懸架控制臂，原始設計在25萬公里時出現裂紋。
優化后：
焊接接頭處增加過渡圓角（R3→R5），局部應力集中系數從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%；最終設計通過50萬公里等效壽命驗證。
②能源裝備：風電齒輪箱行星輪系疲勞分析
通過對風電齒輪箱行星輪系進行疲勞仿真分析，其中涉及到幾個關鍵技術，如下：
考慮齒輪嚙合沖擊引起的瞬態高應力（峰值達材料屈服強度的70%）；采用局部應變法計算齒根彎曲疲勞壽命；通過熱-機耦合分析，考慮潤滑油溫升對材料疲勞性能的影響。
仿真結果：
預測行星輪太陽輪接觸疲勞壽命為8年，與現場運行數據完全吻合；優化齒輪修形參數后，壽命提升至12年。
疲勞仿真分析通過虛擬試驗揭示材料或結構的疲勞行為，為設計優化提供科學依據。當每一個應力循環、每一道焊縫、每一處倒角都在數字世界中被反復推演，工程師們得以在產品誕生之初就預見其全生命周期的疲勞表現。這不僅是技術的勝利，更是對“質量即生命”這一工業信條的深刻詮釋。
隨著計算力學和材料數據庫的發展，其分析精度將會不斷提升，CAE仿真分析將會成為現代工程中不可或缺的工具。
