1.1 

疲劳概述

结构失效的一个常见原因是疲劳，其造成破坏与重复加载有关。疲劳通

常分为两类：高周疲劳是当载荷的循环（重复）次数高

(

如

1e4 -1e9)

的情况下

产生的。因此，应力通常比材料的极限强度低，应力疲劳（

Stress-based

）用于

高周疲劳；

低周疲劳是在循环次数相对较低时发生的。

塑性变形常常伴随低周疲

劳，其阐明了短疲劳寿命。一般认为应变疲劳（

strain-based

）应该用于低周疲

劳计算。

在设计仿真中，疲劳模块拓展程序（

Fatigue 

Module 

add-on

）采用的是

基于应力疲劳（

stress-based

）理论，它适用于高周疲劳。接下来，我们将对基

于应力疲劳理论的处理方法进行讨论。

1.2 

恒定振幅载荷

在前面曾提到，疲劳是由于重复加载引起：

当最大和最小的应力水平恒定时，称为恒定振幅载荷，我们将针对这种

最简单的形式，首先进行讨论。

否则，则称为变化振幅或非恒定振幅载荷。

1.3 

成比例载荷

载荷可以是比例载荷，也可以非比例载荷：

比例载荷，是指主应力的比例是恒定的，并且主应力的削减不随时间变

化，这实质意味着由于载荷的增加或反作用的造成的响应很容易得到计算。

相反，非比例载荷没有隐含各应力之间相互的关系，典型情况包括：

σ

1

/σ

2

=constant 

在两个不同载荷工况间的交替变化；

交变载荷叠加在静载荷上；

非线性边界条件。

1.4 

应力定义

考虑在最大最小应力值

σ

min

和

σ

max

作用下的比例载荷、恒定振幅的情况：

应力范围

Δσ

定义为

(

σ

max

-

σ

min

) 

平均应力

σ

m

定义为

(

σ

max

+

σ

min

)/2 

应力幅或交变应力

σa

是

Δσ/2

应力比

R

是

σ

min

/

σ

max

当施加的是大小相等且方向相反的载荷时，发生的是对称循环载荷。这

就是

σ

m

=0

，

R=-1

的情况。

当施加载荷后又撤除该载荷，将发生脉动循环载荷。这就是

σ

m

=

σ

max

/2

，

R=0

的情况。

1.5 

应力

-

寿命曲线

载荷与疲劳失效的关系，采用的是应力

-

寿命曲线或

S-N

曲线来表示：

（

1

）若某一部件在承受循环载荷

, 

经过一定的循环次数后

,

该部件裂纹

或破坏将会发展，而且有可能导致失效；

（

2

）如果同个部件作用在更高的载荷下

,

导致失效的载荷循环次数将减

少；

（

3

）应力

-

寿命曲线或

S-N

曲线

,

展示出应力幅与失效循环次数的关系。

 S-N

曲线是通过对试件做疲劳测试得到的弯曲或轴向测试反映的是单轴

的应力状态，影响

S-N

曲线的因素很多，其中的一些需要的注意，如下：