前幾期我們介紹了OptiStruct的幾何非線性，材料非線性以及接觸非線性。非線性的內容就暫告一段落啦，接下來我們將介紹OptiStruct的疲勞分析功能。
什麼是疲勞失效？
美國試驗與材料協會（ASTM）在“疲勞試驗及資料統計分析之有關術語的標準定義”（ASTM E206-72）中規定：在某點或某些點承受交變應力且在足夠多的迴圈擾動作用之後形成裂紋或完全斷裂的材料中發生的局部的永久結構變化的發展過程，稱為疲勞。
疲勞失效的特點
1
只有在承受交變應力作用的條件下，疲勞才會發生。
2
疲勞破壞起源于高應力或高應變的，在局部產生大量塑性應變，一般是幾何形狀變化或材料缺陷等引起應力集中。
3
疲勞是一個發展的過程， 疲勞失效是一個累積損傷的過程。
疲勞研究的目的
1
疲勞壽命
從結構開始使用到裂紋萌生，擴展並最後斷裂，這個過程所經歷的時間或交變載荷作用次數，稱為“壽命”。 它取決於載荷水準作用次數或時間及原材料抵抗疲勞破壞的能力。
2
損傷量
將損傷量D定義為
D=1/life；
一般認為D=1則破壞，OptiStruct支持計算得到D>1
影響疲勞壽命的因素
材料的疲勞壽命隨載入形式的不同而不同，在同等的應力水準下，疲勞壽命有如下趨勢
N ( 彎）< N ( 拉）< N( 扭）
大尺寸構件的疲勞抵抗力低於小尺寸試件，這是由於體積越大，存在缺陷或薄弱處的可能就越大，在相同的應力分佈下，試件尺寸越大，高應力區域材料體積就越大，構件的疲勞壽命就越低。
疲勞裂紋的萌生總是從表面開始，若試件表面粗糙，將使局部應力集中的程度加大，裂紋萌生壽命縮短。表面加工時的劃痕、碰傷可能就是潛在的裂紋源。
疲勞裂紋總是起源於表面。為了提高疲勞性能，除了改善光潔度以外，常常採用各種方法在構件的高應力表面引入壓縮殘餘應力，以達到提高疲勞壽命的目的。
➡ 表面滲碳或滲氮可使鋼材疲勞極限提高一倍
➡ 熱軋或鍛造會使材料表面脫碳，強度下降並在材料表面引入拉伸殘餘應力，可使材料疲勞極限降低50%。
疲勞破壞是裂紋萌生擴展的過程。
➡ 在受壓平均應力作用下，裂紋處於閉合狀態，抑制了裂紋擴展
➡ 在受拉平均應力作用下，裂紋處於張開狀態，裂紋尖端存在應力集中，促進了裂紋擴展
我們已經講完了有關疲勞的基礎的知識，接下來就是進入重頭戲了，OptiStruct中究竟能做哪些疲勞分析，它又能給我們帶來哪些好處呢？接下來我們就來看看吧~
OptiStruct中疲勞失效的分類
按壽命分
1）在迴圈應力水準較低時，彈性應變起主導作用，此時疲勞壽命較長，稱為應力疲勞或高周疲勞；S-N
2）在迴圈加力水準較高時，塑性應變起主導作用，此時疲勞壽命較短，稱為應變疲勞或低周疲勞；E-N
3）載荷迴圈數遠超108，必須以無限壽命方式設計。以航空發動機葉片為例，如果以3000rpm連續運行21天即可達到1E8次迴圈，發動機的壽命遠不止21天，葉片必須按無限壽命設計。
按應力主軸分
1） 單軸疲勞
2） 多軸疲勞
按單元分
1) 焊點
2) 焊縫
3) 殼
4) 實體
按工況分
1） 基於靜態工況的疲勞
2） 基於瞬態工況的疲勞
3） 振動疲勞
OptiStruct中如何進行疲勞分析呢？
疲勞失效的基本思路和流程
我們以高周疲勞為例,分析OptiStruct疲勞失效的思路和流程卡片。
從上圖可以看到，OptiStruct疲勞分析主要是三塊內容
1） 疲勞分析單元以及材料SN/EN曲線（FATDEF）
2） 載荷譜的定義(FATSEQ)
3） OptiStruct中疲勞分析控制參數(FATPARM)
讓我們來詳細講講這三款內容 ⬇
疲勞分析單元以及材料SN/EN曲線（FATDEF）
這裡主要有兩塊內容，一個是 — 哪些我們認為是可能發生疲勞斷裂的單元？對於這些單元，是否需要考慮一些表面處理等對疲勞的影響(PFAT)。此外，就是材料的SN/EN曲線(MATFAT)如何在OptiStruct中進行定義。
➡ 首先是第一點，就是如何在OptiStruct中定義用於疲勞分析的單元，包括單元類型。這個是由FATDEF給出。
目前OptiStruct支援的單元類型可以是實體，殼，weld單元，梁單元。
➡ OptiStruct中也支持定義對疲勞壽命產生影響的因素。比如，材料的各種表面處理方法；以及不同表面光潔度的影響
➡ 一般材料的SN/EN曲線是由試驗得到的
在OptiStruct中用雙log圖下的（雙）折線來近似試驗SN/EN曲線。這裡用到的是MATFAT卡片。在（雙）折線的定義中我們可以用兩點/斜率截距來定義，如下：
在無法獲取試驗SN曲線時，OptiStruct也提供了常用材料的SN曲線：
載荷譜
為了得到在危險部位的名義應力應變譜,我們需要進行以下幾步的設定
1) 定義施加單位力的工況
2) 定義交變的載荷譜
3) 計算危險部位的名義應力應變譜
4) 多個應力應變譜的疊加
5) 多個疊加的應力應變譜的序列
載荷譜可以是隨機/變幅值/恒幅值的,前面隨機幅值的情況,我們可以通過計數法轉化為若干個變幅值載荷迴圈
在OptiStruct中定義載荷譜時，我們會用到哪些卡片？他們有什麼關係和區別？
TABFAT卡片
首先最底層的是TABFAT卡片，他定義的是載荷歷程，也就是一條曲線，是無量綱的。
FATLOAD卡片
上面也提到了，載荷歷程曲線和實際（單位）載荷下相乘後施加在結構上才能計算得到後續的交變應力。所以下一步就是完成載荷歷程曲線和實際（單位）載荷下相乘。對應這一步的是卡片FATLOAD。在這一步中，OptiStruct還引入了一些載荷曲線的放縮和平移，具體公式如下：
FATEVENT卡片
FATLOAD只是一個工況下的應力應變歷程，在OptiStruct中可以支援若干個工況下，應力應變歷程的疊加。這個用到的卡片是FATEVENT。
FATSEQ卡片
最後,對於一次疲勞分析，可以是先施加的是一系列應力應變歷程的序列，所以FATSEQ卡片用於定義載荷序列。
至此为止，我们就得到了危险部位的应力应变谱。
控制參數
控制參數中主要分為幾類
1） 疲勞分析類型參數
TYPE:SN/EN、FOS、MDMDML等。對應不同選擇低周疲勞/高周疲勞/無限壽命疲勞的方法，單軸/多軸疲勞
2） SN曲線的修正參數
SN曲線中存活率的選取，考慮平均應力影響時，平均應力修正方法
存活率
試驗中，在一定平均應力下的壽命，存在離散分佈的情況，一 般情況下，我們認為其分佈滿足高斯分佈。
當取為-3𝜎時，置信度為99.87%，即在同一平均應力的多組試驗中，99.87%的試驗次數的壽命都大於等於對應壽命。即存活率為99.87%。
平均應力影響
當壽命給定時，平均應力Sm越大，相應的應力幅Sa就越小；但無論如何，平均應力Sm都不可能大於材料的極限強Su。
基礎的SN曲線是認為平均應力為0的情況，那麼在平均應力不為0時，我們就需要對原有的SN曲線進行修正，在OptiStruct中，有3種應力修正方法，Goodman，改進的Goodman以及Gerber修正。
Goodman修正
• 拉平均應力都會縮短疲勞壽命
• 壓平均應力會延長疲勞壽命
改進的Goodman修正
• 只有受拉平均應力會縮短疲勞壽命
Gerber修正
• 拉、壓平均應力都會縮短疲勞壽命
3） 不同等下應力的選擇參數。
在用載荷歷程計算名義應力譜時，我們得到的其實是應力張量，而我們在計算平均應力時，需要計算等效應力。我們支持以下等效應力 ⬇
通常對於脆性材料的疲勞破壞，多採用帶絕對值的最大主應力準則；對於延性材料，多採用帶符號的Mises應力準則。
這些參數都在FATPARM中定義。我們今天只能介紹一小部分參數，在後面幾期中，我們將繼續介紹疲勞分析。
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