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本文來源于三星電子在2015年“土木、環境與材料研究進展國際會議” （The 2015 World Congress on Advances in Civil, Environmental, and Materials Research）上公開發表的論文。文章標題為：“Derivation of Fatigue Properties of Plastics and Life Prediction for Plastic Parts” （推導塑料材料的疲勞屬性并預測塑料零件的疲勞壽命）。
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首先通過幾個簡短的問答，來了解這篇論文的大致內容。
1、研究什么問題？
答：對電機輸出軸上的塑料聯軸器進行疲勞分析，預測使用壽命。
2、使用什么軟件？
答：ABAQUS（有限元、應力分析）和FEMFAT（疲勞分析）。
3、主要步驟有哪些？
制備標準試件，測試材料的疲勞屬性（S-N曲線）。
將打孔試件的疲勞試驗壽命和仿真軟件分析出來的壽命進行對比，標定仿真參數，確保仿真結果可靠。
采用前面的材料試驗數據和標定的參數，分析電機聯軸器產品的疲勞壽命。
材料受到反復的加載和卸載時，將會發生疲勞失效。業界對金屬件的疲勞分析已經做了大量的研究，但在塑料疲勞方面的研究還比較缺乏。為了保證塑料件的可靠性，也需要對塑料的疲勞屬性進行一些系統的研究。
疲勞壽命的預測，主要有兩種方式：“應力-壽命方法”stress-life和“應變-壽命方法”strain-life。應力-壽命方法，采用S-N曲線來預測零件在循環載荷下的高周疲勞壽命（high cycle fatigue，循環次數在萬次以上）。材料的S-N曲線，可以通過對無缺口的標準試件在不同應力水平下進行的疲勞試驗得到。但是，實際產品由于幾何形狀不同于標準試件，可能存在局部應力集中以及多軸應力狀態。因此，疲勞壽命分析，需要考慮應力梯度的影響。
下圖所示的光滑試件（smooth）和帶缺口試件（notched），雖然缺口試件的缺口邊緣峰值應力大于光滑試件的應力，但兩者具有相同的疲勞壽命。這是因為缺口處存在支撐效應（supporting effect）：在材料表面下方區域的支撐下，材料表面可以承受更高的應力。支撐效應，解釋了為什么光滑試件的彎曲疲勞極限通常會大于其軸向拉伸疲勞極限。
FEMFAT軟件可以根據網格模型和應力分布，計算應力梯度，并考慮缺口的影響。
ABS塑料因具有良好的抗沖擊韌性而廣泛應用，材料物性見下表。
| 楊氏模量(MPa) | 泊松比 | 拉伸強度(MPa) | 斷裂伸長率 |
|---|---|---|---|
| 2160 | 0.38 | 44 | 19% |
ASTM D-638 Ⅰ型標準試件，在應力比0.1（stress ratio R=0.1）的交變載荷下，測試的S-N曲線如下。
為了檢查ABS材料的支撐效應參數和相對應力梯度之間的關系，又做了三種帶缺口試件的疲勞試驗。在原先ASTM D-638 Ⅰ型標準試件的中心，分別挖掉直徑2mm、4mm和6mm的圓孔。這三種帶缺口試件的疲勞測試結果如下。
通過帶缺口試件的S-N曲線，擬合支撐效應參數-相對應力梯度曲線，確定該材料在FEMFAT中進行疲勞分析時需要設置的影響因子的數值。
針對以上三種帶缺口試件，用ABAQUS進行應力分析，用FEMFAT進行疲勞分析。檢查材料疲勞屬性和仿真參數設置的準確性。
如圖所示的塑料聯軸器，在3kgf.cm扭矩的載荷下，疲勞測試的壽命在2萬次到3萬次之間。測試了10個樣本，平均壽命是24447次。疲勞初始裂紋位于D-cut扁方邊緣接觸區域。
首先，進行靜態強度分析，得到下圖所示的應力結果。可以看出，扁方邊緣接觸區域應力比較大。
然后，進行疲勞分析，得到下圖所示的疲勞壽命結果。可以看出，與軸的頂點接觸區域，壽命小于1萬次；與軸的邊緣接觸區域，壽命在2萬次到3萬次之間。疲勞仿真分析結果與測試結果基本相符。
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