浅析ABAQUS疲劳寿命裂纹损伤分析用户最关心的3个核心问题

导读：在工程领域，疲劳分析是评估结构耐久性的核心环节。ABAQUS 作为全球领先的有限元仿真平台之一，其疲劳分析模块凭借强大的非线性求解能力和丰富的材料模型，已成为工程师预测产品寿命的重要工具之一。本文将针对 ABAQUS用户最关心的三个核心问题，结合理论与实践，系统解析疲劳分析的关键技术。

本文还将演示Abaqus凹口轴件的多轴疲劳分析，采用对延性金属材料比较适用的BrownMiller 疲劳算法进行寿命计算。更多案例实操请读者关注我在仿真秀官网原创的视频课程《Abaqus疲劳分析建模专题17讲：掌握疲劳寿命预测、裂纹扩展和疲劳损伤评估能力》，详见后文。

图1 疲劳结果图设计图

一、疲劳分析的基本流程与操作要点

我们知道，疲劳分析的核心在于模拟结构在循环载荷下的响应。ABAQUS 通过线性 / 非线性静力学分析→疲劳损伤计算→寿命预测的三级流程实现这一目标。具体操作需注意以下要点：

1、模型前处理的关键步骤

（1）材料定义：除常规弹性参数外，需输入 S-N 曲线（应力 - 寿命）或 E-N 曲线（应变 - 寿命）。对于金属材料，可通过实验数据或数据库（如 MatWeb）获取；橡胶等超弹性材料则需定义 Mooney-Rivlin 等本构模型。

（2）载荷设置：支持等幅载荷、随机载荷谱等复杂工况。例如，汽车零部件分析中，可通过Load→Amplitude导入实测载荷时间历程，结合Fatigue→Loading History定义循环特征（如应力比 R=σmin/σmax）。

（3）网格策略：疲劳裂纹易萌生区域（如倒角、焊缝）需局部加密。建议采用六面体单元（C3D8R），避免四面体单元因形状畸变导致应力集中计算偏差。

2、分析步与输出设置

（1）基础分析步：先执行静力学或动力学分析，获取应力 / 应变场。例如，发动机缸体疲劳模拟中，需先通过Step→Static, General计算爆发压力下的应力分布。

（2）疲劳分析步：通过Step→Fatigue调用损伤累积算法（如 Palmgren-Miner 法则），设置循环次数、平均应力修正方法（Goodman/Gerber）等参数。

（3）结果输出：重点关注Fatigue Life（寿命云图）、Damage Index（损伤指数）及Safety Factor（安全系数）。例如，橡胶悬置分析中，寿命云图可直观显示主簧下侧圆角处为高风险区域。

二、关键参数的物理意义与设置原则

我们知道，参数设置直接影响分析结果的可靠性。笔者从理论和实践角度解析核心参数：

1、S-N 曲线与 E-N 曲线的选择

（1）高周疲劳（HCF）：当循环次数＞10⁴次时，采用 S-N 曲线（σ-N）。例如，齿轮轴疲劳分析中，需输入材料在不同应力幅下的疲劳寿命数据。

（2）低周疲劳（LCF）：循环次数＜10⁴次时，需考虑塑性变形，使用 E-N 曲线（ε-N）。ABAQUS 通过Plastic→Cyclic Hardening定义材料的循环应力 - 应变响应。

（3）数据验证：建议通过实验（如旋转弯曲疲劳试验）校准曲线，避免直接使用通用数据库导致误差。

2、平均应力修正的工程应用

当载荷存在非对称循环（R≠-1）时，需修正 S-N 曲线。ABAQUS 支持多种修正方法：

（1）Goodman 准则：适用于脆性材料，公式为 σₐ/σₙ + σₘ/σᵤₜ = 1（σₐ为应力幅，σₘ为平均应力，σₙ为疲劳极限，σᵤₜ为抗拉强度）。

（2）Gerber 抛物线：适用于延性材料，公式为 (σₐ/σₙ)² + (σₘ/σᵤₜ)² = 1。

实践建议：优先通过实验确定修正参数，或参考行业标准（如 ASME-FFS-1）选择保守方法。

3、循环计数与损伤累积的算法逻辑

（1）雨流计数法：ABAQUS 默认采用该方法处理变幅载荷，通过提取载荷历程中的闭合滞回环计算等效循环次数。

（2）Miner 线性损伤理论：假设各应力水平下的损伤独立累加，公式为 D=Σ(n_i/N_i)。需注意该理论未考虑载荷顺序效应，可能高估寿命。

三、结果评估与工程验证的实用方法

疲劳分析的价值最终体现在对设计的指导。以下结合案例说明结果解读与验证策略：

1、寿命云图的深度解读

（1）危险区域定位：寿命云图中低寿命区域（如＜10⁶次）需重点优化。例如，汽车动力总成悬置分析中，主簧下侧圆角处寿命仅 27 万次，与试验失效位置一致。

（2）灵敏度分析：通过参数化建模（如改变倒角半径）评估结构优化效果。新结构悬置通过增大圆角半径，压缩载荷下应变降低 30%，寿命提升至 40 万次。

2、多物理场耦合的影响

实际工程中，疲劳常与温度、振动等因素耦合：

（1）热 - 机械疲劳：燃气轮机叶片分析中，需通过Step→Thermal计算温度场，再通过Coupled Field分析步耦合热应力与循环载荷。

（2）振动疲劳：风电叶片随机振动分析中，需导入功率谱密度（PSD）文件，通过Frequency Domain分析步计算响应谱，再结合 S-N 曲线预测寿命。

3、仿真与试验的协同验证

（1）对标试验：将仿真寿命与台架试验结果对比，误差控制在 ±30% 视为可信。例如，发动机缸体疲劳仿真通过修正边界条件（考虑活塞装配间隙导致的侧向力），使计算应力从 70MPa 提升至 300MPa，与试验开裂趋势一致。

（2）不确定性量化：通过蒙特卡洛模拟评估材料参数（如弹性模量、S-N 曲线斜率）的分散性对寿命的影响，输出概率化安全系数。

除了以上3个问题，在 ABAQUS 疲劳分析过程中，用户还可能遇到以下问题，我们可通过针对性技 巧提升效率并解决典型问题。例如：

计算效率优化问题，子模型技术通过对整体模型进行粗网格分析后提取危险区域边界条件，再对局部精细模型计算疲劳寿命，能减少 90% 以上计算量；并行计算则借助 ABAQUS/Standard 的 Job→Parallelization 功能实现多核求解，尤其适用于超 100 万单元的大规模网格分析。

复杂材料处理问题，针对橡胶材料需采用 Hyperelastic 本构模型，通过 Fatigue→Damage Evolution 定义应变能释放率阈值并结合 Paris 法则等裂纹扩展理论预测寿命；复合材料分析则需通过 Umat 子程序嵌入三维 Hashin 失效准则，以考虑纤维与基体界面的损伤累积。

收敛性问题，可利用 Mesh→Quality Check 工具确保网格质量（单元 Aspect Ratio＜10、Jacobian Ratio＞0.6），针对过盈配合等非线性接触场景，通过 Contact→Tangential Behavior 设置罚函数摩擦，避免接触刚度突变导致的迭代发散问题，保障计算稳定性。

四、凹口轴件的多轴疲劳分析案例实操

1、问题描述  

一凹口轴件（如下图所示），左端固定，承受的载荷可视为 2 个工况：  

工况 1：等效的 1000 牛*米的弯矩

工况 2：1000 牛*米的扭矩

2、分析过程  

（1）有限元计算  

利用Abaqus对模型进行线弹性有限元分析，计算为 2个静力学分析步，分别对应前述 2 个工况。具体计算文件参看：notched_shaft_elas.inp。  

（2）疲劳计算  

经 Abaqus 计算，得到结果文件 notched_shaft_elas.odb。  

step1 弯曲载荷结果如下图

 step2 扭转载荷结果如下图

① 打开有限元分析结果  

从主菜单选择 File-Clear Data and Settings…，清除之前项目的设置和数据；  

从主菜单选择 File-FEA Solutions-Open Finite Element Model...，选中前面 Abaqus计算的结果文件notched_shaft_elas.odb，在弹出的 Pre-Scan File 对话框里，点击 Yes 确定预览结果文件。 在接着弹出的 Select Datasets to Read 对话框里，在 Quick select 区域下，勾选 Stresses和 Last increment only，然后点击 Apply to Dataset List 按钮，确认每个 step 的最后一个增量步被选中： 

点击 OK 按钮，读入模型。在弹出的 Loaded FEA Models Properties 对话框中，选择 Stress Units 为 MPa 后，点击 OK 按钮，在弹出的 Edit Group List 对话框中，选择 No；  

读入有限元计算结果文件后，在软件的 Current FE Models 窗口中，会显示读入的模型信息的总结。

② 载荷定义  

在 Fatigue from FEA 窗口，选择 Loading Settings 选项卡，右键点击 Settings，选择 Clear all loadings，清除可能遗留的载荷定义，最终载荷的定义如下图所示：  

③ FOS计算设定  

选择 Fatigue from FEA 窗口的 Analysis Settings 选项卡，点击 Factor of Strength…按钮，在 弹出的对话框里定义 User-defined design life 为 3000。  

④ 选择材料和疲劳算法  

设定材料为SAE-1045，该材料自动关联缺省的 BrownMiller 疲劳算法。  

⑤ 执行计算  

点击 Fatigue from FEA 窗口最下面的 Analyse 按钮，将弹出一个计算设置总结的对话框， 点击上面的 Continue 按钮即开始疲劳计算。  

计算完成后，会显示一个计算结果的简单报告：  

⑥ 后处理  

用 Abaqus 打开 safe 计算得到的 odb 文件，即可显示疲劳寿命和安全系数云图，取消Average element output at nodes。

由上图可知，构件的疲劳寿命为 10^2.744 约 554.62 次载荷循环，与疲劳分析报告中的554.74几乎相同。  

从图中可以看出，单元编号微47356的第2个节点（编号为3760）的FOS最低，且为0.6125，最低的FOS值和位置均与疲劳分析报告中相同。

五、Abaqus疲劳分析建模专题17讲

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