DesignLife入门：S-N疲劳分析基础教程

在工程设计中，疲劳分析是确保结构安全的关键环节。无论是汽车零部件、航空航天结构还是运动器材，工程师都需要回答一个核心问题：这个设计在反复载荷下能使用多久？

本教程以 山地车车架 为案例，介绍如何使用 nCode DesignLife 进行基于应力-寿命（S-N）方法的疲劳分析。S-N方法通过名义应力与失效循环次数的关系来预测疲劳寿命，适用于高周疲劳（>10³次循环）场景，是汽车、轨道交通、消费电子等行业最常用的疲劳评估方法之一。

在本教程中，您将完成以下任务：

① 创建 DesignLife 分析流程，从 ANSYS .rst 文件读取应力结果

② 配置恒幅载荷输入，执行应力寿命疲劳计算

③ 生成损伤云图和数据表格，后处理疲劳结果

④ 添加热点检测（Hot Spot Detection）工具，自动识别最危险区域

图1 完成后的S-N疲劳分析流程

一、演示文件准备

本教程的演示文件位于 nCode 安装目录下：

💡 请将文件复 制到工作文件夹中，使用副本进行操作，并确保对该文件夹有写入权限。

二、设计问题概述

本案例使用 ANSYS 建立的山地车车架模型，承受结构载荷。模型由壳单元（Shell Element）组成，利用对称性使用半模型。分析单位为 SI 制（m-kg-s）。

车架各部位厚度不同：

• 大部分区域：壳单元厚度 1mm（ANSYS 实常数 2，SHELL_2）

• 头管、座管、后叉钩爪：厚度 2mm（实常数 3，SHELL_3）

载荷条件为骑手体重分布在座垫、踏板和车把上，前叉和后叉钩爪以及中轴外壳处被约束。车架材料为钢合金，杨氏模量 213 GPa。

图2 山地车结构示意图

三、疲劳分析的核心框架："五框法"

无论采用哪种疲劳分析技术，所需的输入类型是相似的。这些输入可以用"五框法"（5-Box Trick）来概括：

图3 疲劳分析"五框法"

初步结果应视为初步性的，因为每个输入都存在统计变化。通常建议对结果进行敏感性分析，以了解输入变化对疲劳寿命的影响范围。

四、构建 Glyph 分析流程

为完成五框法分析，需要使用以下 Glyph（功能模块）：

4.1 拖放 Glyph 到工作区

操作步骤：

步骤1　从 Input 选项板中，拖放一个 FE Input Glyph 到分析工作区

步骤2　从 DesignLife 选项板中，拖放一个 SN CAE Fatigue Glyph 到工作区

步骤3　从 Display 选项板中，拖放 Data Values Display 和 FE Display Glyph 到工作区

连接 Glyph 有两种方式：

• 点击连接：点击一个 Glyph 的端口，再点击另一个 Glyph 的兼容端口。移动光标时，兼容端口会显示黄色圆圈

• 拖放连接：将选项板中的 Glyph 直接拖放到工作区中已有 Glyph 的端口上

图4 Glyph连接端口颜色含义

连接好各 Glyph 的输入输出端口后，从 Available Data 窗口中将 mountain_bike.rst 拖放到 FEInput1 Glyph 上。此时 Glyph 会显示"1 File(s)"。

图5 连接后的输入输出端口

💡 提示：也可以直接将 FE 模型数据文件拖放到工作区，GlyphWorks 会自动检测格式并创建正确类型的输入 Glyph。

4.2 查看 FE 模型

操作步骤：

步骤1　在 FEInput1 Glyph 上勾选 Display 复选框，显示 FE 模型。点击最大化按钮展开视图

步骤2　右键点击显示区域，选择 Properties，在 FE Display 选项卡中设置 Plot Type 为 Mesh，点击 Apply

步骤3　在 Groups 对话框中，勾选 Immediate Update，选择 Group Type=Property，可看到 SHELL_2 和 SHELL_3 两个厚度组

步骤4　双击 Colour 列的单元格可修改颜色，例如将 SHELL_3 设为黄色以提高对比度

图6 网格显示模式下的模型

4.3 查看应力结果

在 FE Display > Results Legend 中选择结果工况，可以叠加 ANSYS 求解器的应力结果：

• 选择位移结果（Translation Magnitude），可看到车架上管最大位移约 2mm

• 选择 Von Mises 应力，最大值 433.5 MPa 出现在节点 92（后叉区域）

图7 位移云图

图8 Von Mises应力云图

图9 放大查看节点区域

五、配置 SN 疲劳分析

5.1 设置分析参数

右键点击 SN Analysis Glyph，选择 Properties，设置以下参数：

5.2 设置材料属性

右键点击 SN Glyph，选择 Edit Material Mapping：

步骤1　在弹出的 Run Flow? 对话框中点击 No（使用默认材料即可）

步骤2　在 Select material to assign 窗口中，找到 SAE Steel Grade 4130 Al_Rc46

步骤3　将其拖放到 Default Material 行，点击 OK

图10 运行流程对话框

图11 拖拽材料到默认行

5.3 设置载荷

右键点击 SN Glyph，选择 Edit Load Mapping：

步骤1　在 Run Flow? 对话框中点击 Yes（需要基于 FE 结果进行选择）

步骤2　设置 Loading Type = Constant Amplitude（恒幅）

步骤3　取消勾选 Auto-Configure

步骤4　设置 Max Factor = 3，Min Factor = 0

步骤5　点击 OK，保存流程

图12 编辑载荷映射（恒幅）

六、运行分析与结果查看

点击 Run 按钮运行分析。FE Display Glyph 会标识出损伤最大的节点（节点 4104，damage=2.27E-7）。使用 Find/Label > Node by ID 可标注该节点并放大查看。

Data Values Display Glyph 提供所有节点/单元的详细结果列表。点击列标题可排序，再次点击可切换升序/降序。默认情况下，结果按损伤最大位置排在顶部。

图13 完成后的分析结果

七、添加热点检测

在实际工程中，我们通常只关注最可能失效的少数区域。Hot Spot Detection Glyph 可以自动识别模型中损伤最严重的 Top N 个区域（通过 MaxNumHotSpots 属性设置数量）。

操作步骤：

步骤1　从 DesignLife 选项板拖放 Hot Spot Detection Glyph 到工作区

步骤2　将 SN Analysis Glyph 的顶部输出端口连接到 Hot Spot Detection 的底部输入端口

步骤3　将 Hot Spot Detection 的输出端口连接到 FE Display 的底部输入端口

步骤4　重新运行分析

步骤5　在 FE Display 工具栏中点击 Show/Hide Feature List 按钮

步骤6　在 Sub List 中选择 Hot Spot List，即可查看 10 个最危险区域

图14 热点检测Glyph连接到流程中

图15 热点特征列表

点击 Feature List 中的条目，FE Display 会在模型上标注该特征。如果勾选 Rotate model to selected feature，模型会自动旋转到所选热点的表面法线方向，提供最佳查看视角。

图16 热点特征标注

小结

通过本教程，您已经掌握了 DesignLife S-N 疲劳分析的基本流程：

✅ 使用"五框法"理解疲劳分析的输入框架

✅ 构建 Glyph 流程，连接 FE Input → SN Analysis → Display

✅ 配置材料属性（SAE Steel 4130）和恒幅载荷（0~3g）

✅ 运行分析并查看损伤云图和数据表

✅ 使用 Hot Spot Detection 自动识别最危险区域

在后续教程中，我们将介绍更复杂的疲劳分析方法，包括 E-N（应变-寿命）分析、点焊结构疲劳分析、多轴安全系数分析等。