从1842年断轴惨案到COMSOL疲劳仿真！一份能落地的进阶指南

前言：故事要从遥远的1842年说起，当时的法国国王路易·菲利普一世在结束庆典后，搭乘一辆载满乘客的火车在返回巴黎途中，经过默东段时，机车前轴突然断裂，导致列车脱轨引起大火。事故造成了55人死亡，其中包括著名的探险家朱尔·迪蒙·迪尔维尔及其家人。这起悲剧震惊了整个欧洲，也促使无数科学家进行研究探索，其中就包括德国工程师阿尔伯特·沃勒（Albert Wöhler）。

经过研究发现，这是一起由机车前轴因长期承受循环交变应力而产生微小裂纹并逐渐扩展引发的主轴断裂问题，是一种典型的疲劳失效引发的重大灾难，也让“疲劳”这一概念逐渐进入工程师的视野。而这位德国工程师提出了著名的“S-N曲线”（应力-寿命曲线），从而奠定了现代疲劳力学的基础，使人们从此认识到即使工作应力远低于材料屈服强度，反复的载荷循环也足以导致结构的毁灭性破坏。关于S-N曲线的工程实验方法，也可以在视频中进行学习。

一、浅谈comsol疲劳分析

1、多物理场与疲劳分析

其实很多有限元仿真软件已经可以实现疲劳失效模拟了，像ANSYS和ABAQUS都接入了疲劳分析模块，但要说简单实用和多物理场耦合，Comsol绝对是独树一帜的存在，我们可以轻松实现多个模块的任意组合，不需要进行复杂的数据传递，同时可以将固体力学、多体动力学、流体传热等等模块和疲劳模块进行轻松耦合，且耦合方法比较简单，只要掌握了独门秘诀，你也是疲劳分析的高手。理清疲劳分析重点概念之后，我们可以通过后面的实战进一步轻松掌握comsol疲劳分析方法。

2、两大概念理清comsol分析的诀窍

① 高周疲劳&低周疲劳

选择合适的comsol疲劳失效仿真模型需要明确什么是高周疲劳（HCF），什么是低周疲劳（LCF）。高周疲劳指的是材料在较低应力水平下，经历大量循环加载通常大于10的4次方后发生的疲劳失效，应力水平低于材料的屈服强度，材料处于弹性变形范围内。

低周疲劳是指材料在较高应力水平下，经历较少循环加载，通常小于10的4次方后发生的疲劳失效，应力水平高于材料的屈服强度，材料处于塑性变形范围内。

② 不同的载荷类型

comsol在施加载荷循环时，共分为比例载荷、非比例载荷、变幅载荷，由于comsol的计算模型较多，为了选择合适的计算模型，可以根据施加的载荷进行判断。comsol在进行建模时也需要根据具体的疲劳情况作出合适的疲劳模型选择。

1）比例载荷是主应力和应变的反向在载荷循环期间内不发生改变；

2）非比例载荷是主应力和应变的方向会发生改变；

3）变幅载荷不存在恒定循环，计算时需要考虑整个载荷历程。

这两个概念是整个疲劳分析的脉络基础，同时疲劳分析策略可以在视频中进行免费学习

二、实战分享

现在比较流行的标题是几分钟速成仿真高手，那么我们这篇文章也借用一下这个标题，咱们也来个10分钟速成疲劳失效仿真。本次选择的小案例比较简单，先来介绍一下comsol疲劳模型中的“应力寿命”这个模块，主要的目的是帮助大家捋一遍整个仿真流程，当然更多高大上的手段我们放到后面来介绍。相信大家通过这个小案例会学习到疲劳分析的一般流程，见识到comsol做疲劳分析的便捷性，会爱上使用comsol进行疲劳仿真。

1、模型说明

前文曾提及德国工程师阿尔伯特·沃勒（Albert Wöhler）及其提出的 S-N 曲线（也叫做 Wöhler 曲线）。在本案例中，我们将把该曲线导入疲劳仿真模型，以此评估结构的失效情况。

这次用到的模型是典型的固体力学支架模型，支架受到外部载荷的作用，载荷会使支架的一端向上提起，并将另一端向下拉。载荷大小在零载荷、峰值载荷和回零载荷之间进行循环。

2、固体力学部分

① 仿真之前，我们直接打开现有的模型，省去了三维模型绘制的过程，打开文件是资料包中的bracket_basic.mph。

②为了便于后面的设置，我们需要在这里定义相关的参数，分别定义峰值载荷强度、xy方向上的弹簧系统、z方向上的弹簧系数。 

③接下来需要创建load载荷计算方式，此时选择局部解析函数，并在表达式中输入相关参数。

④选择支架的销孔并给他施加边界载荷，在力值栏中输入力值矢量Fa

⑤取消固定约束并创建弹簧基础，随后添加弹簧刚度系数，从而模拟支架的约束情况。

⑥之后就是添加研究进行计算 

小结：在进行疲劳仿真之前，需先完成一次固体力学分析。这一步骤至关重要：既能通过判断载荷是否导致材料屈服，来区分高周疲劳与低周疲劳；又能为疲劳分析模块提供必需的物理场接口。

3、疲劳分析部分

①现在我们需要在固体力学的基础上继续进行设置，首先想要实现疲劳分析必须创建载荷循环过程，所以先来创建一个参数来缩放载荷大小实现载荷循环模拟。

②在解析表达式中修改作用力load，引入我们的载荷循环参数para 

③由于疲劳分析对结构的网格较为敏感，所以细致均匀的网格会使仿真结果更加精准，我们还需要在进行疲劳分析之前对固体力学计算结果中较为危险的区域进行网格细化。

④现在为了让固体力学部分和疲劳物理场创建接口，需要先将固体力学进行载荷循环计算，输出仿真结果。所以更改研究一中的辅助扫描并通过载荷参数的变化实现循环过程。

⑤现在需要插入材料的S-N曲线，直接定义插值函数并导入S-N曲线就可以了，这里留着插值函数用在疲劳计算中。 

⑥添加物理场并选择“疲劳”，同时选择“应力寿命模型”

⑦在疲劳模型的类型选择中选择“带符合的主应力”、物理场接口选择“固体力学”、在疲劳模型参数中选择刚刚创建的SN曲线。

⑧添加疲劳研究并提交计算

⑨在后处理中我们可以输出结构的失效循环次数。 

小结： 疲劳分析建立在固体力学循环载荷响应的基础之上。因此，开展疲劳分析前，必须确保固体力学求解器已完成循环载荷下的应力/应变计算。随后，依据具体的疲劳机理选择合适的疲劳模型进行求解。简言之，固体力学分析是奠定数据基础的必要前提，而疲劳分析则是基于此进行的寿命评估与优化。值得注意的是，疲劳模型的选取至关重要，若选择不当，将直接削弱结果评估的准确性。

注：众所周知，S-N 曲线是在严格控制的实验条件下，针对光滑标准试样测得的。但在实际应用中，结构部件难免会受到恶劣环境和表面粗糙度的影响，其疲劳寿命往往低于理论值。这就需要对 S-N 曲线进行修正。那么，如何在 COMSOL 中模拟这些实际工况并实现曲线的修正呢？这个问题可以进一步查看我的视频课程进行免费学习。见下文

本文使用案例模型已经收录到仿真秀学习礼包，大家可以自行下载，见后文。如果您在文章末尾点赞和在看，分享到朋友圈，截图发到本公 众号对话框，回复 COMSOL疲劳，我在48小时内手动发你。

三、comsol疲劳分析流程总结

1、建立并求解基础物理场模型：固体力学/多体动力学/传热等

首先建立固体力学物理场，施加循环载荷（即随时间变化的载荷）。

计算结构在载荷作用下的应力/应变响应，这是疲劳分析的数据基础。

2、后处理评估判定疲劳类型：

查看固体力学的计算结果，对比最大应力与材料屈服极限。

3、定义疲劳载荷谱

在疲劳分析接口中，明确定义载荷循环特征（如载荷的变化规律、幅值及均值）

4、执行疲劳分析

选择合适的疲劳类型进行求解分析得到疲劳寿命相关云图

四、写在最后

疲劳失效是机械零部件最常见失效形式，汽车轮辋、支架连接件、轴承滚动接触副、眼镜框架、带缺口受力构件，在交变循环载荷长期作用下，即使低于材料屈服强度，也会发生疲劳开裂、断裂故障，直接影响产品可靠性与使用安全。

COMSOL 的建模核心在于简洁高效。进行疲劳分析与其他物理场的耦合时，只需分别搭建好各个物理场模型，再利用系统提供的耦合接口将它们关联，即可完成疲劳失效分析。这一过程看似复杂，实则逻辑清晰；只要理顺了搭建思路，就能轻松上手并获取理想的仿真结果。

为此，笔者在仿真秀官网原创独家发布了《12 个实战案例带你吃透COMSOL疲劳寿命失效分析入门进阶（含固体力学基础）》。本课程面向工业仿真场景，覆盖航空航天、船舶、汽车、工程车等领域零部件寿命评估工作，借助 COMSOL 疲劳模块，实现零部件疲劳薄弱部位定位、疲劳寿命预测、损伤系数评估。通过仿真提前预判失效风险，优化结构设计，大幅降低实物疲劳试验的时间与经费成本，为产品可靠性设计提供仿真支撑。

1、课程的亮点有哪些

本课程案例驱动（12 个实战）、零基础友好、细节极致（每一步操作   每一个概念）、体系完整（固体力学   疲劳分析贯通）主要表现在以下几个方面：

（1）体系重构，前后贯通：打破传统教程“只讲疲劳，不懂力学”的碎片化教学。课程先从固体力学基础深入剖析，夯实应力应变理论根基，再自然过渡至疲劳分析，确保学员不仅“会操作”，更“懂原理”。

（12）12 大经典案例，覆盖全场景：精选 12 个极具代表性的工程案例模块，涵盖从简单构件到复杂多物理场耦合的真实工况，循序渐进地构建您的仿真知识库。

（3）手把手教学，扫除盲点：拒绝“跳跃式”演示。我们提供每一步操作的详细指引与每一个核心概念的深度解读。无论是网格划分的技巧，还是 S-N 曲线的参数设置，皆细致入微，彻底扫除学习过程中的疑难杂症。

（4）零基础入门，无障碍进阶：专为初学者设计，无需预设高深背景。从软件界面认知到最终报告输出，带您平滑跨越从“新手”到“专家”的鸿沟。

2、课程主要内容及大纲

第 1 讲：comsol 疲劳分析策略- 整体疲劳仿真思路、流程框架

第 2 讲：支架疲劳分析（上）-工程支架构件疲劳建模实操

第 3 讲：支架疲劳分析（下）-支架完整仿真、疲劳结果后处理

第 4 讲：眼镜疲劳分析-薄壁构件循环加载疲劳案例

第 5 讲：滚动接触疲劳（上）-接触工况疲劳仿真基础设置

第 6 讲：滚动接触疲劳（中）-接触载荷与疲劳参数配置

第 7 讲：滚动接触疲劳（下）-接触疲劳结果分析

第 8 讲：带缺口的圆柱疲劳-缺口应力集中构件疲劳仿真

第 9 讲：疲劳模型使用汇总-梳理各类疲劳模型、适用工况总结

第 10 讲：案例对比（应力，应变寿命）-应力寿命与应变寿命模型案例对比

第 11 讲：案例对比（基于应变、基于应力）-两类模型结果差异、选型判断

第 12 讲：带缺口的圆柱弹塑性疲劳分析（上）-弹塑性本构   疲劳耦合建模上篇

第 13 讲：带缺口的圆柱弹塑性疲劳分析（下）-弹塑性疲劳求解与结果解读

第 14 讲：轮辋疲劳分析（上）-大件汽车轮辋工程案例上篇

第 15 讲：轮辋疲劳分析（中）-轮辋疲劳进阶内容（加餐）

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