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疲勞分析是設計和優化需要高耐用性和可靠性的產品的關鍵步驟。疲勞失效分析有助于識別故障點，防止產品故障、召回甚至災難性事件。通過仿真預期的零件載荷，工程師可以優化其設計的抗疲勞性、可靠性和性能。

什么是疲勞？

疲勞是材料中在承受循環載荷時發生的失效機制。在疲勞失效中，即使施加的應力低于屈服應力或單次施加載荷損壞材料所需的應力，在重復載荷下也會在材料中形成裂紋。

疲勞分析需要注意什么：

構件的疲勞是個復雜的過程，受多種因素的影響，要精確地預估構件的疲勞壽命，需要選擇合適的模型，這就需要宏觀力學方面的研究，包括疲勞裂紋發送、發展直至破壞的機理，還需要微觀力學方面的研究包括位錯理論等。此外，還涉及到金屬材料科學、材料力學、振動力學、疲勞理論、斷裂力學和計算方法多門學科。只有更深刻地認識了疲勞破壞的機理，將宏觀和微觀研究結合起來，才能更精確地預測壽命。

疲勞的類型

疲勞主要有兩種類型：

低周疲勞 – 當材料由于應力幅度略小于材料的屈服應力而開裂和失效，并且循環次數相當低（少于 10，000 次循環）時
高周疲勞 – 當材料因應力振幅遠小于材料的屈服應力而開裂和失效，并且循環次數相當高（大于 10，000 次循環）時

疲勞失效的三個階段

疲勞失效是由于載荷的循環性質而發生的漸進過程。這會導致材料中的微觀缺陷逐漸長成宏觀裂縫。從那里開始，疲勞遵循三個連續的階段，最終導致骨折：

裂紋萌生（裂紋形成）： 由于嵌入的顆粒、結構不連續性、高溫甚至焊接缺陷，在材料表面應力集中點的動態載荷下會產生裂紋。裂紋萌生面積極小，原點周圍不超過5粒。隨著裂紋的形成，應力集中度顯著增加，導致裂紋在反復加載下向材料中更深地傳播。
裂紋擴展： 裂紋開始在材料中擴展并蔓延。根據應力強度因子（K）的測量，裂紋擴展可分為三個子階段，該因子用于確定裂紋缺口處的應力：
- 小 K 值： 裂紋的擴展很難預測，因為它取決于材料的微觀結構。在這里，裂縫可能根本不會增長。
- K 值增加：傳播速率更多地依賴于材料而不是微觀結構。這是大多數裂紋擴展發生的時候。
- 高 K 值：傳播速度迅速加快，直到材料無法保持在一起，并發生斷裂。
快速骨折：在這個階段，材料在循環載荷下完全失效并急劇斷裂。

疲勞分析方法

疲勞分析涉及幾種方法，最突出的是：

應力壽命法
應變壽命法
線彈性斷裂力學（LEFM）方法

應力-壽命法

應力壽命方法涉及根據失效周期數繪制施加的應力水平。當預期應力不超過材料的彈性極限（屈服點）時，應力-壽命法用于高周疲勞。

因此，應力壽命法可以通過線性材料模型有限元分析仿真來支持，以預測預期應力。

應變-壽命法

應變-壽命法繪制應變幅度與失效周期數的關系圖。當某些應力超過材料的彈性極限（屈服點）時，它用于低周疲勞。

因此，應變-壽命方法需要非線性彈塑性材料模型有限元分析仿真來預測預期應力。

線彈性斷裂力學（LEFM）方法

使用LEFM方法預測疲勞裂紋擴展長度。它精確計算脆性材料的斷裂應力，其中裂紋缺口處的應力場是彈性的。但是，它沒有考慮凹口處延展性材料中發生的塑性流動。它需要進一步修改以解釋塑性區斷裂。這被稱為歐文的斷裂理論，改編自格里菲斯準則，據說是彈塑性斷裂力學的基礎。

目前主流的疲勞分析軟件：

目前市場上主流的仿真分析軟件較多，可以實現疲勞分析的軟件也較多，如SIMULIA的FE-Safe、ANSYS nCode DesignLife、MSC Fatigue、MSC Nastran及HyperLife、Simulation等，其中FE-Safe、ANSYS nCode DesignLife兩款軟件應用較為廣泛。Fe-safe采用世界上最先進的疲勞分析技術，是一款擁有豐富疲勞損傷算法、擁有更全面的材料庫，并且操作簡便的耐久性疲勞分析軟件。由于Fe-safe疲勞算法基于海量的工程實踐，另外，客戶的反饋也表明，Fe-safe可以給出準確的疲勞點和疲勞壽命預測。MSC Fatigue是一款功能較為全面的疲勞設計軟件，在分析領域也廣泛應用