基于Abaqus和Fe-Safe凹口轴件的多轴疲劳分析

本文为一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。

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

2.1 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。

2.2 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                                   

step2 扭转载荷结果

 2.2.1 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。

2.2.2 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：

2.2.3 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。

2.2.4 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。

2.2.5 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：

2.2.6 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。

备注：本文未考虑Coupling约束施加载荷会影响局部的应力求解的准确性（在后处理时可以移除载荷施加位置的部分单元后再进行分析。）