功率循环测试 — CAE术语解释

这是对实际行驶中发生在汽车发动机和驱动系统部件上的转矩变化在实验室中进行再现的试验。例如，发动机从怠速状态进行急加速时，施加形如

很好的观察点。功率循环主要针对低周疲劳（LCF）。每个循环中的应力振幅都足够大，足以产生塑性变形。一般而言，应力振幅超过材料屈服强度的50%的循环就可以考虑。例如，对于S45C钢，屈服强度约为350MPa，因此我们预计应力振幅为175MPa或更高的重复试验。另一方面，高周疲劳（HCF）是由发动机转速产生的振动等现象引起的，小应力重复数百万次，按不同的试验标准进行评估。

以实车测量的转矩和转速时间序列数据（实际运行数据）为起点，但直接使用会导致试验时间膨胀。因此，使用统计处理和雨流计数法提取对损伤有贡献的大负荷变化，创建试验用"代表块"。例如，从城市、山路、高速路等各路线数据中，分别提取损伤最大的几秒到几十秒的序列，然后连接起来。这成为一个试验循环，重复数千到数万次。

在大多数情况下，采用准静力分析方法。也就是说，对负荷历程中的几个特征"时间步长"进行静力分析，然后在后处理中连接所得的应力-应变结果。瞬态（动态）分析仅限于齿轮啮合时的冲击（晗音）等惯性效应不能忽视的现象。在Ansys Mechanical或Abaqus/Standard中，通常定义多个荷载工况，然后使用疲劳分析工具（nCode DesignLife或FE-SAFE）从每个工况的结果计算寿命。

仅最大和最小值是不够的。要评估材料的塑性和残余应力的影响，负荷路径（加载路径）很重要。例如，当转矩从正向最大→零→反向最大→零变化时，不是简单的往复运动，而是应力-应变曲线描绘迟滞回圈。要准确捕捉这一点，至少要在各极值点和路径的中间点添加几个额外的分析点。否则应变振幅

这是个很敏锐的问题。如果直接使用弹性分析的应力结果，在局部应力超过材料屈服强度的区域，会计算出实际上不可能发生的非常高的应力值。使用这个结果会导致寿命被低估（虽然是安全的，但过度设计）。低周疲劳的驱动因素是"应变振幅"，需要评估考虑塑性变形的"真实应变"。因此，使用Chaboche模型等非线性硬化规则的弹塑性分析成为必须。在Abaqus中，这类材料模型用*PLASTIC选项定义。

网格之前必须确认"边界条件和负荷施加方法"。在功率循环试验中，需要忠实再现试验机的夹具如何保持零件以及从何处施加转矩。例如，当法兰部分通过螺栓连接固定时，螺栓孔周围的接触条件和初始螺栓力的设置错误会大大改变整体刚度和应力分布。首先对单一静态荷载进行计算，将零件的变形模式和反力与试验机的载荷传感器值和位移计测量值进行比较，从FEM模型的基本行为验证（"模型相关性"）开始。

这是最重要的输入数据之一。理想情况是进行自有材料试验（应变控制疲劳试验）获取，但成本很高。在实际应用中，参考公开数据库或材料制造商的目录。例如，日本钢铁联盟的"钢铁材料疲劳设计数据表"或Ansys Fatigue和nCode DesignLife内置的材料库。这里需要注意的是数据是"光滑试样"的。实际零件有切口，因此需要在分析结果中考虑应力集中系数Kt，并进一步用表面粗糙度和加工硬化的影响系数进行修正。

需要系统地进行排查。第一是"负荷输入"：给CAE模型的力/转矩振幅是否与试验机的设定值一致？第二是"应力-应变结果"：试验中贴在零件上的应变计的测量值与对应FEM节点的应变值是否一致？第三是"材料数据"：使用的ε-N曲线是否反映了实际材料批次、热处理条件？第四是"损伤累积准则"：使用Miner准则等线性累积准则时，是否考虑了负荷顺序效应（大负荷之后的小负荷的损伤较小等），这也可能是误差源。

两者都是优秀的疲劳分析专用软件，但在集成环境和算法细节上有差异。nCode DesignLife与Ansys Workbench环境深度集成，Mechanical得到的应力/应变时间序列数据可以无缝传递。而MSC Fatigue原本与MSC Nastran联系密切，采用直接读取.op2结果文件的形式。在算法方面，nCode对Dang Van多轴疲劳准则的实现较强，MSC Fatigue以独有的"应变寿命后处理器"详细弹塑性修正选项著称。但基本的疲劳寿命预测精度如果使用得当，两者差异不大。

Abaqus/CAE Fatigue在希望在Abaqus环境内完成基本高周疲劳（应力基础）或低周疲劳（应变基础）评估时很方便。但功能的宽度和深度不及专用软件。例如，复杂实际运行负荷历程的处理能力、丰富的材料库、考虑表面处理或腐蚀环境影响的高级修正系数、试验数据相关性分析工具等方面，nCode或FE-SAFE更充实。当项目需要高级疲劳可靠性设计时，通常采用Abaqus计算应力/应变，然后用nCode等进行详细疲劳评估的联合方法。

结构分析（应力计算）是可以的，但完整的疲劳寿命评估过程很困难。CalculiX和Code_Aster是强大的非线性静力分析和瞬态响应分析求解器，如果模型建立得当，可以计算负荷循环中的应力-应变历程。问题在后续。这些软件标准配置中没有专用疲劳后处理器，输出的时间序列应力数据需要自己编写脚本（Python等）进行雨流计数法或Miner准则计算，得到寿命。对于研究目的或非常有限的零件评估可以进行，但实际应用中追求效率和可靠性，投资商用疲劳专用软件价值很高。

这是低周疲劳分析的典型问题。首先检查不收敛的时间步长附近，零件是否在某处发生"过度塑性变形"。当局部材料接近破断状态时，刚度矩阵变为奇异，计算不收敛。对策是：(1)缩小荷载增量（在Abaqus中调整*STATIC选项的INITIAL或MINIMUM），(2)对问题位置进行细化网格（为了捕捉塑性应变梯度），(3)检查材料模型的塑性硬化参数（特别是没有定义屈服后的软化行为）。另外，接触条件急剧变化时也可能是原因。

绝对不是。这意味着"计算的应力/应变振幅低于材料的疲劳极限（耐久极限）"。最常见的原因是直接使用弹性分析的应力。如前所述，应力集中部位的弹性计算值比实际值高，但由于没有考虑局部塑性应力再分配，平均应力被高估，结果应力振幅看起来很小。对策是进行弹塑性分析以获得真实应变振幅。或者，使用弹性分析结果时，必须始终应用"弹塑性修正"如Neuber法或线性化法。在nCode中，选择"Strain-Life (EN)"方法的修正选项可以实现这一点。

这正是低周疲劳分析的难点。寿命对应变振幅