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本书主要讲述MSC Fatigue 2019 疲劳分析的软件操作技巧和要点。全书共分为9章，包括疲劳分析概述、MSC Fatigue 疲劳分析介绍、疲劳载荷谱的统计处理、应力疲劳分析、应变疲劳分析、裂纹扩展分析、振动疲劳分析、焊接疲劳分析、MSC Fatigue的其他模块与应用。全书由浅入深，循序渐进，从简单的应力疲劳分析逐渐深入，将理论联系实际，把枯燥的理论讲透、讲活。
本书既适合作为高等院校疲劳分析课程教材，也适合从事相关科学研究的读者自学使用。
书名：MSC Fatigue疲劳分析标准教程
ISBN：978-7-115-54900-6
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著 王国军 李 伟
责任编辑 颜景燕
人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路11号
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网址 http://www.ptpress.com.cn
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本书主要讲述MSC Fatigue 2019疲劳分析的软件操作技巧和要点。全书共分为9章，包括疲劳分析概述、MSC Fatigue 疲劳分析介绍、疲劳载荷谱的统计处理、应力疲劳分析、应变疲劳分析、裂纹扩展分析、振动疲劳分析、焊接疲劳分析、MSC Fatigue的其他模块与应用。
全书由浅入深，循序渐进，从简单的应力疲劳分析逐渐深入，将理论联系实际，把枯燥的理论讲透、讲活。本书既适合作为高等院校疲劳分析课程教材，也适合从事相关科学研究的读者自学使用。
疲劳理论的发展和有限元技术日益成熟，并出现了利用有限元分析结果进行疲劳分析的方法，在金属构件和零部件的疲劳分析中得到了广泛应用。
本书系统介绍目前应用较为成熟、广泛的疲劳分析方法，并结合疲劳分析软件MSC Fatigue 2019，通过大量实例，详细阐述如何结合有限元技术、振动分析以及测试技术进行疲劳分析，让读者在产品设计阶段就可以进行可靠性、疲劳寿命分析和评价。
本书共9章。第1章简要介绍疲劳分析的基本概念、基本步骤及疲劳分析方法。第2章介绍MSC Fatigue 2019的基本模块和基本操作方法。第3章结合软件介绍疲劳载荷谱的统计处理方法，包括载荷谱的导入、显示及计数方法等。第4章阐述应力疲劳分析的基本理论，并介绍利用有限元分析结果进行应力疲劳分析的实例。第5章对应变疲劳理论进行论述，给出简单的应变疲劳分析实例。第6章介绍裂纹扩展理论，并给出简单的带缺口平板的裂纹扩展寿命分析实例。第7章介绍如何通过振动分析结果进行疲劳寿命的计算。第8章结合车身结构的焊点疲劳分析等实例介绍焊接疲劳分析理论。第9章介绍MSC Fatigue的两个专用模块，包括旋转结构的疲劳分析模块和虚拟应变片模块。
本书为读者提供了丰富的配套电子资源，以便读者朋友快速学会并精通这门技术。
编者针对本书实例专门制作了配套教学视频，读者可以先看视频来学习本书内容，然后对照课本加以实践和练习，这样能大大提高学习效率。
本书附带讲解实例和练习实例的源文件。
诺世创（北京）技术服务有限公司MSC软件公司（北京总部）为本书提供技术顾问，并指定本书为官方培训指导教材。本书由陆军军事交通学院的王国军博士和MSC Software华南区技术经理李伟编著。另外，胡仁喜、解江坤、刘昌丽、康士廷等对本书的出版也提供了大量的帮助，在此表示感谢。
考虑到疲劳分析和工程设计的复杂性，书中的实例进行了一定的简化，尽量做到深入浅出。全书循序渐进，从简单的应力疲劳分析到裂纹扩展、焊接疲劳、振动疲劳，结合MSC Fatigue 2019工具，把枯燥的理论讲透、讲活。本书既适合作为各类院校疲劳分析的基本教材，也适合从事相关科学研究的读者自学使用。
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作者
2021年4月
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让广大工程人员熟悉或了解疲劳知识是解决结构疲劳失效的重要手段。关于疲劳问题的研究已经有一百多年的历史了，然而由于疲劳分析本身的复杂性，大多数工程人员至今对疲劳的基本概念的认识还不够，甚至由于疲劳寿命对载荷过于敏感而怀疑进行疲劳分析的意义，抑或由于疲劳问题不易验证而怀疑其可靠性。本章主要介绍疲劳的基本概念，以提高读者对疲劳问题的认识。
/知识重点
疲劳分析简介
疲劳设计方法及相应的疲劳分析方法
疲劳分析的基本步骤
美国试验与材料协会（ASTM）在《疲劳试验及数据统计分析之有关术语的标准定义》（ASTM E206—72）中定义：在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动后形成裂纹或完全断裂的材料中发生的局部的、永久结构变化的发展过程，称为疲劳。
引起疲劳失效的循环载荷往往小于根据静强度分析的“安全”载荷，传统的静强度分析方法不能解决疲劳问题。
1.疲劳分析的意义
在结构的各种失效形式中，疲劳是结构失效的最主要原因之一，也是结构可靠性试验要考虑的最主要因素。
在许多情况下，疲劳破坏会给人们带来灾难性的后果。如1952年，第一架喷气式客机（英国的“彗星”号）在试飞300多小时后投入使用，于1954年在飞行中突然失事掉入地中海，经鉴定，事故是由压力舱的疲劳破坏造成的。因此，对结构进行疲劳分析具有重大意义。
2.疲劳分析的研究现状
100多年来，人们为认识和控制疲劳破坏进行了大量研究，在对疲劳现象的观察、对疲劳机理的分析，以及对疲劳寿命的预测和抗疲劳技术等方面积累了丰富的知识。在不断地探究材料与结构疲劳奥秘的实践中，人们对疲劳问题的认识也在不断深入，形成了一套相对比较完善的疲劳分析方法。目前人们迫切需要利用现有的这些成果解决实际工程中的疲劳问题。为此，各种疲劳分析软件应运而生，其中Patran软件中的MSC Fatigue工具和nCode公司的nSoft软件应用较为广泛。这些软件的产生及广泛应用大大方便了人们在实际工程中对结构进行疲劳分析。
从疲劳的基本概念可以看出，疲劳具有以下几个方面的特点。
（1）疲劳发生的外部原因是扰动应力。扰动应力是指随时间变化的应力，也可以将这一概念进行推广，称为扰动载荷。载荷可以是力、应力、应变、位移等。载荷随时间的变化可以是有规则的，也可以是不规则的，甚至是随机的，如图1-1所示。描述载荷-时间变化关系的图或表称为载荷时间历程，也称为载荷谱。规则的载荷谱可以看作是由一系列载荷循环构成的。最简单的载荷循环历程是恒幅载荷，如图1-1（a）所示。图1-2所示是正弦恒幅疲劳载荷循环。下面介绍载荷循环的几个重要概念。
图1-1 疲劳载荷形式分类
图1-2 正弦恒幅疲劳载荷循环
描述一个应力循环至少需要两个量，即循环最大应力σmax和循环最小应力σmin，这是描述载荷循环的基本参量。疲劳分析中，经常用到下述参量：
应力变程Δσ定义为Δσ=σmax-σmin；
应力幅σa定义为σa=Δσ/2；
平均应力σm定义为σm=(σmax+σmin)/2；
应力比R定义为R=σmin /σmax。
其中，应力比R反映了载荷的循环特征，如当σmax=-σmin时，R=-1，是对称循环；当σmax=σmin， R=1，σa=0时，是静载荷。
上述6个参量中，只需要知道其中任意两个，即可确定整个应力循环。为使用方便，在设计时，一般用最大应力和最小应力，这是由于二者比较直观，便于设计控制；在实验时，一般用平均应力和应力幅，便于施加载荷；在分析时，一般用应力幅和应力比，便于按载荷的循环特征分类研究。
（2）疲劳破坏产生于局部。零部件应力集中处常常是疲劳破坏的起源，局部性是疲劳失效的特征。疲劳分析要从整体出发，注意结构细节，尽可能减少应力集中。
（3）疲劳是一个发展的过程。从疲劳裂纹的形成到裂纹扩展，以致最后断裂，是疲劳损伤逐渐累积的过程。这一过程中结构经历的时间或载荷循环次数称为疲劳寿命。它不仅取决于载荷水平，还与结构的抗疲劳能力有关。需要引起注意的是，一般疲劳分析的最高目标不是预测寿命，而是解决疲劳问题，使结构在使用过程中不发生疲劳失效。疲劳破坏一般分为3个发展阶段，包括裂纹萌生、裂纹扩展和失稳断裂。由于失稳断裂是一个很快的过程，对疲劳寿命影响很小，因此在疲劳分析中一般不予考虑。一般只考虑裂纹萌生和裂纹扩展两部分的寿命，即
Ntotal=Ninitiation+Npropagation
在进行裂纹萌生寿命分析时，一般采用应变疲劳分析方法；在进行裂纹扩展寿命分析时，一般采用断裂力学方法。当疲劳载荷相对较小且不会使材料产生宏观塑性变形时，一般直接采用应力疲劳分析方法。应力疲劳分析的结果是两个阶段疲劳寿命之和。
不同设计对象结构由于使用要求不同、重要性不同、使用条件不同，采用的疲劳设计方法也不同，对应采用的疲劳分析方法也不同。现有的疲劳设计方法有无限寿命设计方法、有限寿命设计方法、损伤容限设计方法和耐久性设计方法。下面就对常用的疲劳设计方法的基本思想及其相应的疲劳分析方法进行介绍。
对于极其重要的零件（要求零件上裂纹很小且很少），如发动机的气缸盖、曲轴等，一般控制其应力水平，使其小于疲劳极限，这时应该采用应力疲劳分析方法解决无限寿命的设计问题。
无限寿命设计的目的是要求零件在设计应力下能长期安全地使用，这就要求构件中的应力控制在很低的范围，这样往往导致材料的潜力得不到充分发挥，并且对于并不需要经受很多循环的构件，无限寿命的设计会提高成本，不经济。在实际生产中，需要根据使用要求使构件在有限长的使用寿命内，不发生疲劳破坏的设计，称为安全寿命设计或有限寿命设计。容器、管道、汽车大都采用安全寿命设计。
基于结构疲劳应力的特点，有限寿命疲劳分析可以采用应力疲劳分析或应变疲劳分析方法。如果结构疲劳应力落在低周疲劳区，一般采用应变疲劳分析方法；如果结构疲劳应力落在高周疲劳区，一般采用应力疲劳分析方法。
对于初始疲劳裂纹不能忽略的零件，有限寿命设计方法并不能完全保证其安全，因此一般采用损伤容限设计方法解决这类问题。损伤容限设计方法用应力强度因子的幅度ΔK来描述裂纹扩展速率，进而对裂纹扩展寿命进行预测。断裂判据和裂纹扩展速率是损伤容限设计方法的基础。这时采用的疲劳分析方法为损伤容限分析方法，这种方法在航空领域应用较为广泛。
耐久性是在符合要求使用的条件下度量构件或结构抗疲劳断裂的性能，更注重构件或结构的经济实用性，以经济寿命为控制目标。在产品设计、使用和维护上综合考虑安全性、功能性和经济性，该方法考虑全面，要综合运用应力、应变、损伤容限多种疲劳分析方法。
进行疲劳分析之前，要掌握疲劳分析的基本步骤。疲劳分析主要包括疲劳载荷谱的确定、材料或零部件疲劳特性的确定，然后根据具体的设计要求确定疲劳分析方法，最终预测疲劳寿命。
疲劳分析的基本步骤如图1-3所示（这是简化了的，事实上疲劳分析的步骤要复杂得多）。
图1-3 疲劳分析的基本步骤
本节主要对疲劳分析的基本步骤进行介绍，为进一步学习疲劳分析做好必要的准备。
载荷谱一般要通过实际测试得到。近年来，计算机技术的发展使得通过仿真计算获取载荷谱成为可能，但仿真的方法要经过试验验证才可信。在实际测试载荷谱前，要根据研究对象的使用情况来确定要测试的工况，测试得到载荷时间历程后要进行统计处理，最后才能得到目标载荷谱。
材料的疲劳特性需要在疲劳试验机上完成，另外，不同的疲劳分析方法需要确定的材料疲劳特性也不尽相同，如采用应力疲劳分析方法需要已知材料的S-N曲线，采用应变疲劳分析方法需要已知材料的E-N曲线。MSC Fatigue 2019提供了大量的材料疲劳特性。对于国产材料来说，我国已经积累了大量的数据，读者在使用过程中可以查阅相关资料或图书。
疲劳分析方法要根据设计目的、载荷谱及材料的疲劳特性综合考虑与权衡才能确定。例如，对于极其重要的零件，要求其具有无限寿命，只需要已知材料无限寿命条件下的疲劳极限，使结构的等效最大应力幅小于材料无限寿命条件下的疲劳极限就可以了；对于有限寿命设计要求的结构，可以采用应力疲劳分析方法或应变疲劳分析方法。如果允许结构的应力落在低周疲劳区，应该考虑采用应变疲劳分析方法；而对于一些重要的零件，要使其应力落在高周疲劳区，应该采用应力疲劳分析方法。
