疲勞理論計算的結果真的沒有意義么？

01-06

剛加入汽車行業做CAE分析，每次想要校核結構的疲勞時候，蠻多工程師（包括設計，管理和CAE）都告訴我你覺得 Interesting 可以去算算，但是沒啥用，最多參考，這東西只有做實驗。
是否真的是這樣？疲勞理論的計算結果在實際工程中真的沒有價值？如果是，原因出在哪，是 N-S 曲線還是出在疲勞理論本身？

你的同事說的既對也不對。

你的同事們這麼說，是因為他們不理解疲勞耐久與可靠性開發的知識，不理解疲勞耐久的開發體系，也不知道如何判斷疲勞耐久的分析是否正確。而疲勞耐久的開發是需要一整個體系的，沒有這個體系的支撐，單純做模擬分析是沒啥用處的。

疲勞耐久的開發是一個從道路到試驗室再到計算機的過程（Road-Lab-Math），首先是要通過大量的測試對客戶實際使用進行統計，確定疲勞耐久試驗驗證的方法和強度等；其次是對試車場的道路載荷進行簡化和加速以用於試驗室試驗及模擬計算，最後，還要通過模擬與試驗的對標來校正試驗結果。在這個過程中，還需要材料、載荷測試等很多專業部門的配合。任何一個環節有缺失都會顯得最終的模擬結果不準確。所以，一個人做疲勞耐久模擬，真的只能做著玩玩。

從另一個角度來講，如何評判疲勞耐久模擬分析結果是否準確？疲勞耐久與可靠性是基於統計學的，材料級的試驗就有一定的分散性，製造加工有分散性，客戶使用是正態分布的，就算是試驗室做試驗也是有一定的分布的。那麼分析時如果不清楚這些統計特性就沒辦法正確的給出結論。比如使用S-N曲線計算出一個壽命，那麼如果不清楚所使用的S-N曲線是50%置信度還是90%置信度就沒辦法正確的估計分析的結果的置信度。例如，通過試驗可以獲得一批樣件失效時的平均壽命和標準差，那麼，模擬分析所得到的壽命所對應的是平均壽命嗎?更進一步，這個時候怎麼基於模擬分析來制定改進後的設計所需要滿足的壽命目標值呢？要回答這些問題，都需要了解並掌握疲勞耐久和可靠性的基礎理論。理論都在書上，就看怎麼在實踐中使用。

最後，也需要正確理解模擬分析的目的與作用。模擬分析是為了指導和驗證設計的。你的同事們可能更多的將注意力集中在驗證上了。確實，在疲勞耐久領域，單純通過模擬分析來進行最終驗證還是很難的。在目前的實踐中，將模擬分析與實驗驗證結合在一起，通過兩輪試驗完成零件的疲勞耐久開發已經屬於比較理想的狀態了。如果沒有模擬分析，恐怕就需要更多輪次的開發試驗和驗證試驗。

我將前段時間發表在 @linmue-譚祥軍的公眾號「模態空間」中關於疲勞耐久分析的文章整理了一下發在知乎專欄汽車結構件疲勞耐久分析 - 知乎專欄，希望能對你有幫助。

只是說現在普通有限元計算的結果還沒有達到可以準確預報結構和材料的疲勞承載能力的程度。

結構和材料的疲勞強度十分複雜，現在工程應用中還沒有準確的理論預報手段。反映到計算中去，就是安全係數取得很高，船舶和海洋工程里重要結構的安全係數一般是10左右，也就是認為計算結果的量級差不多是可以接受的。對比一下結構靜強度的安全係數一般在1.5以下。

疲勞試驗確實是目前預報結構疲勞強度最準確實用的方法了。我們知道疲勞強度是和材料特性，應力歷程和施工工藝相關，所以疲勞試驗實際上是用一個相似結構在相似的應力歷程下的結果來預估實際結構的疲勞強度，當然會準確得多。尤其是重要結構和部件，必須了解其在複雜環境下和最終失效時的表現，所以疲勞試驗必不可少。

同時，試驗和計算也不是完全分開的。試驗的結果是改進疲勞理論和計算方法的基礎，而疲勞理論可以反過來指導和簡化試驗。比如，線性累積損傷理論下，就可以用恆幅應力下的疲勞試驗結果進行預報；但在非線性累積損傷理論里，疲勞試驗就必須要考慮應力歷程里不同幅值的出現次序了。是否考慮材料彈塑性引起的多軸疲勞效應，決定了試件和載入的形式。所以，疲勞試驗的預報準確程度，和設計試驗時考慮的疲勞理論也是息息相關的。

由於結構的疲勞試驗費時費力費錢，所以使用簡單材料特性或試驗來預報結構疲勞強度是目前結構設計和評估里一個努力的方向。在這方面，疲勞的計算理論和試驗都非常重要。

當然是有實際意義的。

車輛開發過程中，包括整車廠和零部件廠，很多設計都要包含疲勞分析的結果才能進行到下一步，你不會覺得這些百年企業都是在浪費時間吧。這些企業在多年的經驗里已經總結出了一套實用的分析規範和標準，所謂的best practice,這是很寶貴的，有機會就多學點吧。

實驗和模擬是相輔相成的，汽車業的段子是這樣的，沒人相信模擬結果，除了模擬工程師自己；所有人的都信任實驗結果，除了實驗工程師自己。

但是疲勞模擬結果相比其他模擬來說「顯得」更不可信，這有很多原因，有理論發展不充分的原因，也有疲勞本身結果就是離散度很大的原因，更有一部分是對模擬的誤解。

Simulation is the art of being approximately right rather than exactly wrong.

謝邀。不懂疲勞的模擬。看看其他人有沒有答案吧。

不過你的問題讓我想起來了一個在某汽車研究院的朋友，做後備箱和車門耐久試驗的。

當時還是啥都不懂，竟然沒有問他這個問題。

畢竟如果不做實驗驗證，我對自己做的FEA也是懷疑...我已經習慣於相信，FEA在「解釋」上的作用，要比「預測」上的作用靠譜的多。或者說「預測」是建立在正確的「解釋」的基礎上的。

（心裡默念幾何模型是簡化過的，邊條是簡化過的，載荷是簡化過的，世界是複雜的，我做的這是灘...，即使包裝過了，打開也只是變成了坨...）

這個問題我不懂，我是來頂一下，看看有沒有懂的....

怎麼會沒有意義呢?也許題主所負責的零件可以有相應的試驗台（載荷譜簡單不涉及熱應力），可以直接上樣件，載荷譜清晰可以直接台架上模擬。但是沒有專門的試驗台只能取樣做試驗怎麼辦?在變溫工況下有熱應力幅又怎麼辦?該零件是熱機械疲勞怎麼辦?可以說，通過試驗直接測疲勞壽命本身就有極大的局限性。

另外，樣件製造還有一段周期，前期不靠有限元計算怎麼做疲勞設計，一定要多做幾個樣件來試錯?那開模做樣件的時間和成本怎麼控制?

當然疲勞分析確實很難。從我了解的情況看，疲勞分析主流採用的還是材料試驗數據+力學模擬+統計方法的模式。這種方法下，存在材料數據需求多（光一個各溫度下的應力應變曲線大部分供應商就拿不出來），測試難度大（數據漂動性較大需要各種誤差分析才能擬合），校核方法或壽命預測方法適應性差（一種方法和參數往往只適合某一種材料）等等諸多問題。但也正因為這樣，做疲勞分析的意義才更加有意思。

當然最終的驅動力是，掌握了一套成熟的疲勞分析方法，能減少多少開發時間，減少多少試錯成本，降低多少項目風險?脫開效果談意義本身是沒有意義的。

想起了知乎上看到的一句話:CAE工程師計算結果，除了自己沒有人信；試驗工程師的結果，除了自己誰都信。

目前，疲勞的理論研究都是以簡化的模型為研究對象的，所以疲勞理論對於簡化模型有很高的適應性。但是具體到實際的結構中，由於結構形式的複雜，應力分布的多樣性，當前的疲勞理論無法考慮所有的變數，這必將導致計算結果與實際情況的脫節。理論計算結果在趨勢上能與實際相符已經不容易了，如果要在數值上接近，簡直太難了，除非按照實驗結果調整理論計算的邊界條件，但這樣做完全失去了理論計算的「預測」意義。

其實，疲勞壽命的理論計算已經算髮展的不錯的。要是接觸過焊接變形的理論計算，你就知道什麼才是真正的「玄學」了。很多時候，軟體計算的焊接變形結果會和實驗結果完全相反啊…遇到這種情況，計算結果對工程師是沒有任何參考意義的，但如果是研究人員，通常會修改邊界條件，讓計算結果盡量去靠近實驗數據，然後就可以發論文了——又找到了一種靠譜的預測演算法。

另外，任何複雜對象的計算都需要非常準確的基礎數據，在這方面其實我們國家還有一定差距。

並不是疲勞計算沒有價值，疲勞理論也沒有太大問題儘管還有待完善。工程領域裡疲勞計算的最大困難在於，對疲勞起關鍵作用的材料微觀缺陷以及連接細節的缺陷（比如焊縫）在實踐中很難被精確量化。因此，疲勞計算還是更多依賴於行業規範和標準，這些規範大多是將試驗結果對理論計算進行標定，基於統計學原理得到一些S-N曲線，由於橫軸是指數關係，實際出現理論計算與實驗壽命相差整個數量級也沒啥奇怪的。因此，疲勞試驗是很有必要的。最近，歐洲出現了一些講試驗數據與有限元計算結果相標定的標準，例如IIW推出的焊接疲勞計算方法，做焊縫疲勞可以看下.

個人覺得是因為疲勞計算涉及到的參數過多。對於焊接結構，系統的剛度和阻尼等動力學參數一般都無法準確給出，而這又是疲勞計算的基礎。

開個腦洞，你同事這麼說會不會是因為疲勞開裂的問題？

最近被安排著手從事疲勞耐久方面的工作，這個準不準還真不好度量，目前我知道的主機廠只能拿來看一個趨勢，然後把模擬和實驗驗證結合起來靠經驗來分析。

因為一個車輛疲勞模擬結果從大的方面來說有三個主要方面的輸入。

1、道路載荷譜（也有用台架實驗載荷譜的，不過目前來說路普更準確）

2、材料參數

3、有限元模型

上面三個輸入又會涉及到很多的具體細節，比如道路載荷譜的輸入就會涉及到採集信號感測器的布置位置、靈敏度等等。

個人覺得模擬的實際意義就是預測一個趨勢，再結合實際路試結果綜合考評來得出結論。（只要積累的車型資料庫夠大，我覺得可信度還是很高的）比如有答主提到的置信度的問題，根據你們公司的標準評估出一個可信度就行了。

這幾天才剛接觸路試載荷譜採集的前期準備工作，可能總結的不太對，望不吝賜教。

我這邊項目規劃從路普採集到最後的疲勞分析結果出來大概需要三個月左右的樣子，等我全部過完這個項目再來詳細補充。

疲勞的問題是涉及的不確定性太多，如加工，材料，載荷，以及所使用的模型太粗糙等原因。試驗結果本身也有很大的分散性，預測和試驗難以比較，規律對就不錯了。但在一些評估規範的知道下計算只是基本上做到保證安全，至於安全裕度無法得到，所以疲勞可靠性的理論得到發展。總之，教授提出的方法，工程師不喜歡。工程師喜歡試驗以及經驗，至於計算在沒有以上兩點的基礎上，只能呵呵了。對於重大工程，只做計算恐怕設計師得坐牢吧，嚇唬一下新手。呵呵呵

咱們國家這塊，把試驗數據處理如何修正理論計算確實做的不行，日本做的就很好，理論也很準確，確實有差距。