如全寿命分析、应变寿命分析、振动疲劳分析、多轴疲劳分析等。MSC.FATIGUE需要的几何和有限元结果从MSC.PATRAN中可直接获得，载荷工况从MSC.ADAMS或物理试验中获得，材料信息从MSC.FATIGUE的标准库或MSC.MVISION材料数据库中获得。
MSC.FATIGUE可以真实的预测产品的疲劳寿命，降低产品重设计的成本，避免过于保守的设计，最大程度满足客户长寿命设计要求，大大缩减了测试成本[55,57]。
4.3疲劳寿命分析基础理论
4.3.1疲劳理论
金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫做疲劳。疲劳破坏是指结构在承受低于其极限载荷的反复作用下发生破裂的现象。
从微观上看，疲劳裂纹的萌生与发展都与局部微观塑性有关，但从宏观上看，在循环应力水平较低时，弹性变形占主要作用，此时疲劳寿命较长，称为应力疲劳或高周疲劳；在循环应力水平较高时，塑性应变起主导作用，此时疲劳寿命较短，称为应变疲劳或低周疲劳[58,59]。
4.3.2全寿命分析法
在制造质量良好、正常使用条件的情况下，S型弧面板弹簧的疲劳属于高周疲劳，因此，本文在运用MSC.FATIGUE软件对其进行有限元分析时，采用的是S-N总寿命分析法。它以零件的应力为基础，采用雨流循环计数法和Palmgren-Miner线性累积损伤理论(简称为Miner理论)进行全寿命分析。Miner理论认为损伤与应力循环数成线性关系，当总损伤度 时，材料即发生疲劳破坏。
全寿命分析过程中可以设置平均应力修正和置信参数等不同的分析参数，还可以指定表面抛光和热处理方法。
运用全寿命分析方法，通过计算机模拟仿真，从疲劳云图上得到结构的疲劳寿命分布，计算出结构的使用寿命，确定结构的允许使用周期。另外还可以为设计人员快速比较不同设计方案、疲劳性能的优劣或改进设计提供较直观、全面的依据。
4.3.4疲劳寿命分析步骤
疲劳分析一般在有限元分析结束之后进行。将MSC.FATIGUE界面启动，设置疲劳分析方法为S-N法，将应力结果的单位改成MPa。
在疲劳分析之前要设置三个方面的基本数据输入，包括：
（1）材料信息：描述材料和部件的循环疲劳特性，主要包括材料的静力学特性、材料的S-N曲线、以及表面处理等，由MSC.FATIGUE材料数据库管理器PFMAT生成。
（2）载荷信息：指的是构件承受随时间变化的交变载荷，包括对称循环载荷、脉动循环载荷以及随机载荷。疲劳载荷对于寿命分析的结果至关重要， MSC.FATIGUE是通过时间历程数据库管理器PTIME生成。
（3）几何信息：是指有限元模型以及应力应变计算结果。准确的应力应变结果是保证寿命分析正确的前提。
MSC.FATIGUE具体分析过程如图4-1所示：
图4-1疲劳寿命分析流程图
4.4疲劳寿命分析参数的设置
4.4.1循环载荷
在进行静强度分析时，所受载荷为常数。在实际的工作中，S型弧面板弹簧所受的载荷具有随机性，但从统计学的角度来看，依然具有某种循环特征，因此可以用循环载荷来代替。S弯板在工作时，接触橡胶皮带的一侧受到拉应力而另一侧受到压应力，当受载应力为零时退出工作，因此，循环载荷确定为脉动循环应力。假设载荷为弦周期函数变化，波形如图4-2所示。
图4-2循环载荷图
建立的循环载荷要与有限元载荷工况关联起来才能把载荷真正的施加在有限元模型上，从而才可正确进行求解，相应关联设置如图4-3所示。
图4-3载荷谱与相应工况关联
4.4.2材料的S-N曲线
4.4.2.1材料属性的介绍
S型弧面板弹簧选用的是631不锈钢(0Cr17Ni7Al不锈钢)材料，这是一种弥散强化不锈钢，其化学成分中有沉淀强化元素，其具有稳定的弹性、很高的抗拉强度、良好的耐腐蚀性能、较好的耐疲劳性。
631不锈钢的力学性能参数见表3-2，屈服强度为1600MPa，弹性模量为210000MPa。在第五章中，由实验确定了材料的抗拉强度为1800MPa。 4.4.2.2 S-N曲线的建立
本课题采用的是0Cr17Ni7Al不锈钢材料，材料库中没有相对应的材料信息，所以必须新建此材料的性能数据库。S型弧面板弹簧的疲劳特性参数如表4-1所示。根据表4-1的数据在材料数据库管理器PFMAT中添加材料的S-N曲线，具体形状如图4-4所示。
表4-1 631不锈钢材料的特性参数
图4-4 材料的S-N曲线
传统的S-N曲线理论认为，低于疲劳极限的应力循环将不影响疲劳寿命。但试验己证明，一旦在结构或部件中萌生了裂纹，低于疲劳极限的应力循环也能导致裂纹扩展，并产生疲劳损伤，从而使寿命大大降低。同时低于疲劳极限的应力循环在载荷谱中所占的百分比较高，对疲劳寿命肯定时有影响的。因此，在计算疲劳寿命时必须将S-N曲线进行修正，修正后的S-N曲线及相应的关联设置如图4-5和图4-6所示。
图4-5修正后的S-N曲线
图4-6材料属性与相应工况关联
在建立S-N曲线过程中会出现一系列材料断裂力学特性参数，具体如图4-7所示。图中表明了在两种不同环境下，起筋板弹簧的裂纹拓展性能参数。根据此参数可以在研究发生裂纹后利用疲劳裂纹扩展数据对疲劳裂纹进行分析，推导出裂纹扩展寿命的分布规律。 a)大气环境下 b)水环境下
图4-7裂纹拓展参数图
4.4.3平均应力
在有限元计算结果中，由于所有节点处应力的整体分布都能够得到，并可以直接提供给MSC.FATIGUE进行疲劳分析，所以应力集中系数取为1。
多数疲劳数据是根据试验方法采集到的，而实验室条件是包含平均应力的影响。本次的有限元分析采用理想的条件，不考虑平均应力，同时结构无表面抛光和热处理情况，平均应力修正和应力组合方式的设置如图4-8所示。
图4-8平均应力修正
4.5疲劳寿命分析结果
4.5.1未减薄的结果分析
通常，疲劳损伤首先发生在最大局部应力节点上，由于循环载荷的作用，疲劳裂纹也产生于此处，裂纹扩展最终导致板料疲劳失效。因此，对应力最大位置进行疲劳分析是重要的。
第三章已经给出材料在静载荷作用下的应力云图，从图3-5中可以看出，S弯板的最大弯曲应力发生在承力部位与下端弧面连接过渡区域，因此，该过渡区域被认为是疲劳分析的研究对象。
经过疲劳寿命分析之后，得到该模型的疲劳计算结果，图4-9为该模型的疲劳寿命云图，单位为循环周数。
图4-9疲劳寿命云图
从图4-9中可以看出：该S型弧面板弹簧结构的最小寿命为3.58E8次循环，出现在承力部位与下端弧面连接过渡处，出现在应力最大部位，在正常的工作环境下可以工作将近7.5年，下端弧面过渡处为薄弱环节。该S型弧面板弹簧除下端弧面过渡处以外的结构在载荷作用下为都具有无限寿命。
4.5.2减薄后的结果分析
当厚度依次减薄到0.6mm、0.5mm、0.4mm、0.3mm时，该结构的疲劳寿命分布云图如图4-10、图4-11、图4-12、图4-13所示。
图4-10 厚度为0.6mm时疲劳寿命云图
图4-11厚度为0.5mm时疲劳寿命云图
图4-12厚度为0.4mm时疲劳寿命云图
图4-13厚度为0.3mm时疲劳寿命云图
从图4-10至图4-13中可以看出：S型弧面板弹簧的薄弱环节均为承力部位与下端弧面连接过渡处，随着厚度的减薄，其受损情况越来越严重。同时还可以观察到疲劳寿命的大致区域与静力分析中较大应力的分布相类似。
根据累积疲劳准则，不同厚度的S板的弯曲疲劳寿命如图4-14所示。从图4-14中可以看出，开始随着厚度的增加寿命会有一个较大的上升的趋势，而最终将趋于平缓。
图4-14疲劳寿命趋势图
4.6本章小结
在介绍有限元疲劳分析软件MSC.FATIGUE的基础上，利用该软件对不同厚度下的S型弧面板弹簧进行了指定循环载荷历程下的疲劳分析。通过分析，得出该结构的疲劳寿命分布云图，直观显示出各个部分的疲劳寿命，为结构设计改进和完善以及疲劳研究提供了直观的理论依据。
第5章 拉伸试验
5.1引言
MSC.Fatigue材料数据管理库中没有0Cr17Ni7A1不锈钢材料的疲劳寿命曲线，因此，在模拟寿命过程中需建立该材料的性能参数。而在建立疲劳寿命曲线过程中需要用到材料相关的一些数据，其中最主要的是强度极限（UTS），该参数通过单向拉伸试验方可得到。
常温、静载下的拉伸试验是金属材料力学性能最基本、应用最广泛的试验，也是了解材料力学性能最全面、最方便的试验。通过拉伸试验，可以比较全面地测定材料的力学性能，如弹性、塑性、强度、断裂等力学性能指标。这些性能指