摘要：人累了需要休息来恢复，而我们研发设计的产品，如果使用频率过高导致磨损等情况出现，就会出现一些潜在产品问题。那么如何才能知道该产品的某些区域要达到什么临界值下就会断裂，这对于研发设计产品的公司来说是至关重要的。这一篇文章，就能为我们很好的解答这样的疑惑。

人累了需要休息来恢复，而我们研发设计的产品，如果使用频率过高导致磨损等情况出现，就会出现一些潜在产品问题。那么如何才能知道该产品的某些区域要达到什么临界值下就会断裂，这对于研发设计产品的公司来说是至关重要的。这一篇文章，就能为我们很好的解答这样的疑惑。

在工业制造领域，产品失效的案例中，疲劳破坏占比高达60%-70%。从汽车传动轴的突然断裂，到飞机机翼的隐蔽裂纹，这些灾难性故障的根源往往并非材料强度不足，而是长期承受交变载荷后引发的疲劳失效。疲劳仿真分析技术就能解决这样的问题，已成为航空航天、汽车、机械制造等行业不可或缺的工具。

疲劳的本质是材料在低于极限强度的循环应力作用下，经过数万次甚至数百万次加载后发生的脆性断裂。其典型特征包括：

局部性：裂纹通常从应力集中处（如孔洞、焊缝、加工刀痕）或材料缺陷处萌生；

渐进性：裂纹经历萌生-扩展-失稳断裂三个阶段，寿命取决于前两阶段；

隐蔽性：疲劳断口呈现“海滩条纹”特征，断裂前几乎无塑性变形预警。

以汽车半轴为例，某型号钢轴在1500N循环载荷下，高周疲劳（应力主导）仿真显示：在27000公里行驶里程时出现初始裂纹，41000公里时完全断裂，与实车道路试验结果误差不足5%。这种“数字预演”能力，正是疲劳仿真的核心价值。

疲劳仿真分析是一种通过计算机模拟技术，预测材料或结构在长期承受交变载荷作用下的疲劳寿命及失效风险的方法。它结合材料力学、有限元分析和疲劳损伤理论，为工程设计提供关键依据。

核心原理

疲劳失效机制

材料在远低于其极限强度的交变载荷（如振动、循环压力）作用下，内部会产生微裂纹并逐渐扩展，最终导致断裂，这种失效称为疲劳破坏。占机械零件失效的60%-70%。

仿真技术基础

有限元方法（FEM）：将复杂结构离散为有限个单元，计算每个单元的应力-应变分布。

疲劳损伤累积理论：如线性累积损伤理论（Miner法则），假设每次应力循环对材料的损伤可线性叠加，当总损伤达到阈值时发生失效。

仿真流程

建模与网格划分

使用CAD软件建立几何模型，并通过有限元前处理软件划分网格（需平衡计算精度与效率）。

材料与边界条件定义

输入材料参数（如弹性模量、泊松比、S-N曲线）。设置约束条件（如固定端）和载荷（如交变扭矩、弯曲力）。

载荷施加与循环处理

施加实际工况下的循环载荷（如对称循环、随机振动）。通过雨流计数法将不规则载荷历史转换为等效的简单应力循环块，便于疲劳计算。

疲劳寿命预测

结合S-N曲线（应力-寿命曲线）或ε-N曲线（应变-寿命曲线），计算每个应力循环的损伤。

关键技术细节

高周疲劳与低周疲劳

高周疲劳（循环次数>10^4）：以弹性变形为主，使用S-N曲线预测。

低周疲劳（循环次数

多轴应力状态

实际工程中多为多轴应力（如拉压、扭转复合载荷），需通过临界平面法确定裂纹扩展方向。

平均应力修正

非零平均应力会显著影响寿命，需通过Goodman、Gerber等理论修正S-N曲线。

下面我们来看几个行业应用，真正帮助企业解决产品实际问题，提升产品性能，做到在成本及风险管控等方面做到了比其他产品更优。

①汽车工业：某SUV后悬架控制臂疲劳优化

通过疲劳仿真分析发现：某SUV后悬架控制臂，原始设计在25万公里时出现裂纹。

优化后：

焊接接头处增加过渡圆角（R3→R5），局部应力集中系数从2.8降至1.9；采用双相钢（DP600）替代普通碳钢，疲劳极限提升40%；最终设计通过50万公里等效寿命验证。

②能源装备：风电齿轮箱行星轮系疲劳分析

通过对风电齿轮箱行星轮系进行疲劳仿真分析，其中涉及到几个关键技术，如下：

考虑齿轮啮合冲击引起的瞬态高应力（峰值达材料屈服强度的70%）；采用局部应变法计算齿根弯曲疲劳寿命；通过热-机耦合分析，考虑润滑油温升对材料疲劳性能的影响。

仿真结果：

预测行星轮太阳轮接触疲劳寿命为8年，与现场运行数据完全吻合；优化齿轮修形参数后，寿命提升至12年。

疲劳仿真分析通过虚拟试验揭示材料或结构的疲劳行为，为设计优化提供科学依据。当每一个应力循环、每一道焊缝、每一处倒角都在数字世界中被反复推演，工程师们得以在产品诞生之初就预见其全生命周期的疲劳表现。这不仅是技术的胜利，更是对“质量即生命”这一工业信条的深刻诠释。

随着计算力学和材料数据库的发展，其分析精度将会不断提升，CAE仿真分析将会成为现代工程中不可或缺的工具。

来源：公大叔说健康