系列：塑料产品设计 CAE 分析基础
第 11 部分 疲劳和蠕变
在设计树脂部件时，通过正确评估疲劳和蠕变特性并将其反映在分析中，可以提高耐久性和可靠性。在本部分中，我们将解释塑料的疲劳和蠕变特性及其分析方法。
内容
| 1.首先 |
| 2. 什么是塑料疲劳？（与金属疲劳的主要区别，疲劳分析） |
| 3. 什么是塑料的蠕变？（蠕变分析） |
| 4. 总结 |
介绍
塑料制品需要特别注意疲劳和蠕变等现象。塑料制品与金属具有不同的特性，因此在设计使用树脂的部件时也必须小心谨慎。这次，我们将解释树脂的疲劳和蠕变。
什么是塑料疲劳？
当物体反复受到载荷时，如果应力在弹性变形范围内，且小于屈服应力，物体就可能断裂。这称为疲劳失效。为了评估疲劳特性，使用SN 曲线（疲劳曲线），该曲线显示了反复施加在材料上的应力 (S) 与材料断裂前的重复次数 (N) 之间的关系。曲线变为水平时的应力被视为疲劳极限。这意味着，在低于疲劳极限的应力下，无论重复次数是多少，都不会发生疲劳失效。
图 1 SN 曲线
对于塑料材料来说，可能没有明确的疲劳极限，而“JIS K 7118（硬质塑料疲劳试验方法通则）”将疲劳极限定义为当刚度保持率下降到一定值时，或当应力重复约10 7次时发生破坏的应力，并将其作为断裂强度的指标。
■ 与金属疲劳的主要区别
由于塑料具有粘弹性，因此疲劳破坏与金属存在差异。金属材料通常具有明确的疲劳极限，而塑料材料通常没有。许多塑料材料即使超过规定次数（10 7次）仍会继续逐渐劣化，因此在确定如何设定疲劳极限时必须小心谨慎。
此外，塑料受温度影响，即使在实际温度范围内，随着温度的升高，其疲劳强度也会下降。
此外，反复负荷试验时，如果变形速度过快，内部就会发热。结果，疲劳特性可能会发生变化，例如引起热疲劳破坏。该温度上升受应力大小和反复频率的影响很大，因此在进行分析时必须小心。
■ 利用结构分析进行疲劳评估（疲劳分析）
疲劳破坏是造成部件失效的主要原因之一，因此需要事先对反复承受载荷的部位进行结构分析，检查是否会发生疲劳破坏。
使用结构分析和疲劳图获得的应力值。疲劳图可以通过执行疲劳测试或从材料数据库中获得。如果重复载荷是简单的恒定振幅，则可以根据分析结果和疲劳极限图中的应力值计算寿命。
图2 恒幅载荷下的预期寿命预测
对于非等幅情况，必须通过积累数据来计算寿命，有些CAE软件可以利用疲劳分析自动计算寿命。
此外，现在可以在映射纤维增强材料的方向后计算疲劳评估，从而可以进行考虑到物理特性各向异性的疲劳评估。
您还可以根据疲劳极限和抗拉强度创建修正 Goodman 图，以确定疲劳是否失效。修正 Goodman 图是通过绘制一条直线（X 轴为截距 σ B的抗拉强度，Y 轴为截距疲劳极限 σ w ）而得到的修正 Goodman 图。
接下来，根据结构解析结果，使用下式计算平均应力 σ m和应力振幅 σ a。同时读取周期性应力波动的最大值 σ max和最小值 σ min。
图 3 改进的 Goodman 图
将求出的平均应力σm与应力振幅σa绘制在图表上，若其位于修正Goodman线以下，则可判断不会发生疲劳失效。
但是，疲劳破坏多从应力集中处开始，因此如果产品有缺口或划痕，其耐疲劳性就会下降。在设计产品时也必须注意形状。
塑料的蠕变是什么？
蠕变是一种现象，即当应力长时间施加于物体上时，应变会随着时间的推移而增加。当应力施加于物体时，首先会发生弹性应变，然后由于粘性，会随着时间的推移而发生蠕变应变。如果我们考虑下图中的弹簧质量系统，则与阻尼器相对应的部分是表现出树脂粘性的部分，并且是导致蠕变应变的物理特性。
图4：蠕变现象模型（左）和蠕变曲线（右）
塑料即使在使用温度范围内也容易产生粘弹性，因此在设计持续承受负荷的塑料产品时需要特别注意。此外，在高温和高应力下，变形会迅速发展并导致破坏，因此在设计产品时，重要的是考虑安全性和耐久性是否存在问题。
■ 蠕变分析
制定蠕变曲线的方法有多种，但常用的蠕变材料模型是诺顿定律，该定律将蠕变应变率表示为应力 (σ) 和温度 (T) 的函数，如下式所示。
图 5 诺顿规则
有必要确定材料常数，以便它们适合测量的蠕变曲线。
概括
由于塑料具有与金属材料不同的特性，例如疲劳和蠕变，因此在设计产品时必须小心谨慎。在设计和选择塑料时，请参考CAE分析，以确保产品耐久性不会出现问题。
下一篇文章，我们将讲解Topology优化分析。敬请期待！
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