《疲勞的基礎(chǔ)知識(shí)》ppt課件

1、陳秉智chenbingzhi06@hotmail.com2011年10月大連,,大連交通大學(xué)系列講座 疲勞的基礎(chǔ)知識(shí),主要內(nèi)容,,1. 引言 2. 疲勞的基本概念 3. 疲勞設(shè)計(jì)方法 4. 疲勞載荷類(lèi)型與S-N曲線 5. Miner損傷累積的能量屬性 6. 計(jì)算疲勞壽命的基本公式 7. 計(jì)算疲勞壽命前的應(yīng)力編譜 8. 一個(gè)用計(jì)算器計(jì)算疲勞壽命的例

2、子,,,,,1. 引言,1.1 幾個(gè)基本概念：（1）疲勞破壞：零件或構(gòu)件由于交變載荷的反復(fù)作用，在它所承受的交變應(yīng)力尚未 達(dá)到靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)的許用應(yīng)力情況下就會(huì)在零件或構(gòu)件的局部位置產(chǎn)生疲勞裂紋并擴(kuò)展、最后突然斷裂。這種現(xiàn)象稱(chēng)為疲勞破壞。 （2）疲勞裂縫形成的特點(diǎn) ：隱蔽性（裂縫形成）和瞬發(fā)性（疲勞斷裂） （3）疲勞破壞造成的嚴(yán)重后果： 二次世界大戰(zhàn)期間美國(guó)制造的全焊接船舶，有近千艘出現(xiàn)開(kāi)裂； 第一架?chē)?/p>

3、氣式客機(jī)在試飛300小時(shí)后投入使用，檢修后第4天墜入地中海，打撈后結(jié)果分析顯示，壓力艙疲勞破壞引起，裂縫起源于機(jī)身開(kāi)口的拐角處； 美國(guó)西弗吉尼亞的Point Pleasant橋突然毀壞，造成46人死亡，原因是由一根帶環(huán)拉桿中的缺陷在疲勞、腐蝕的作用下擴(kuò)展到臨界尺寸而引起； 有報(bào)告指出：斷裂使美國(guó)一年損失1190億美元。,1. 引言,1.2 在機(jī)車(chē)車(chē)輛行業(yè)疲勞研究的重要性：金屬的疲勞破壞形式和機(jī)理不同與靜載破

4、壞，所以零件疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)計(jì)算不能為經(jīng)典的靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算所替代，屬于動(dòng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)。隨著機(jī)車(chē)車(chē)輛向高速、大功率和輕量化方向的迅速發(fā)展，其疲勞強(qiáng)度及其可靠性的要求也越來(lái)越高。近幾年隨著我國(guó)鐵路的不斷提速，機(jī)車(chē)、車(chē)輛和道軌等鐵路設(shè)施的疲勞斷裂事故不斷發(fā)生，越來(lái)越引起人們的重視。疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)及其研究正在成為我國(guó)高速機(jī)車(chē)車(chē)輛設(shè)計(jì)制造中的一項(xiàng)不可缺少的和重要的工作。,1.3 疲勞研究存在的最大問(wèn)題：有相當(dāng)多的學(xué)者和工程技術(shù)人員進(jìn)行了大量的研究

5、，得到了許多關(guān)于金屬疲勞損傷和斷裂的理論及有關(guān)經(jīng)驗(yàn)技術(shù)。但是由于疲勞破壞的影響因素多而復(fù)雜并且這些因素互相影響又與構(gòu)件的實(shí)際情況密切相關(guān)，使得其應(yīng)用性成果尚遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)應(yīng)用的需要。至今有約90%的機(jī)械零部件的斷裂破壞仍然是由直接于疲勞或者間接疲勞而引起的。因此，在21世紀(jì)的今天，尤其是在高速和大功率化的新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)制造中，其疲勞強(qiáng)度或疲勞壽命的設(shè)計(jì)十分重要，并且往往需要同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)研究和試驗(yàn)驗(yàn)證。,1. 引言,

6、1. 引言,1.4 疲勞產(chǎn)生的原因和提高疲勞的基本途徑： 疲勞斷裂的產(chǎn)生：是因?yàn)樵诹慵驑?gòu)件表層上的高應(yīng)力或強(qiáng)度比較低弱的部位區(qū)域產(chǎn)生疲勞裂紋，并進(jìn)一步擴(kuò)展而造成的。 這些危險(xiǎn)部位小到幾個(gè)毫米甚至幾十個(gè)微米的范圍，零件或構(gòu)件的幾何缺口根部、表面缺陷、切削刀痕、碰磕傷痕及材料的內(nèi)部缺陷等往往是這種危險(xiǎn)部位。 提高構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的基本途徑:一種是機(jī)械設(shè)計(jì)的方法，主要有優(yōu)化或改善缺口形狀，改進(jìn)加工工藝工程

7、和質(zhì)量等手段將危險(xiǎn)點(diǎn)的峰值應(yīng)力降下來(lái)； 另一種是材料冶金的方法，即用熱處理手段將危險(xiǎn)點(diǎn)局部區(qū)域的疲勞強(qiáng)度提高，或者是提高冶金質(zhì)量來(lái)減少金屬基體中的非金屬夾雜等材料缺陷等局部薄弱區(qū)域。 在解決實(shí)際工程問(wèn)題時(shí)，往往需要結(jié)合運(yùn)用以上兩種方法進(jìn)行疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)和研究。合理地利用各種提高疲勞強(qiáng)度的手段，可以有效地提高構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度或延長(zhǎng)其疲勞壽命，并起到輕量化的作用。,1. 引言,1.5 疲勞問(wèn)題研究的分類(lèi):1）疲勞裂

8、紋的形成和擴(kuò)展機(jī)理、規(guī)律方面的基礎(chǔ)性研究 ;2) 疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)以及提高疲勞強(qiáng)度的有效途徑等應(yīng)用性研究。 指出的是: 應(yīng)用性研究雖然借鑒了基礎(chǔ)性研究的成果，但因?yàn)樗枰紤]更多的實(shí)際影響因素，所以它的研究更為復(fù)雜和困難。 關(guān)于疲勞壽命的預(yù)測(cè)和疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)等應(yīng)用性研究要少得多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于實(shí)際工程的需求。,1. 引言,1.6 疲勞研究的必要性疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)和壽命預(yù)測(cè)的研究主要是以試驗(yàn)為基礎(chǔ)

9、進(jìn)行的。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)和有限元數(shù)值計(jì)算理論及其應(yīng)用的迅速發(fā)展，現(xiàn)在又興起了基于大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)和壽命計(jì)算的有限元數(shù)值計(jì)算方法，有力地推動(dòng)著零部件疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)的研究及應(yīng)用的發(fā)展。如今，隨著高速、重載鐵路貨車(chē)動(dòng)負(fù)荷的加劇，疲勞失效現(xiàn)象的顯著增多，特別是焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞更為明顯。由于疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展具有很大的隱蔽性，而疲勞斷裂時(shí)又具有瞬間突發(fā)性，如果一但發(fā)生疲勞斷裂事故，必然帶來(lái)嚴(yán)重的后果。因此，在設(shè)計(jì)階段，采用先進(jìn)

10、的分析手段，開(kāi)展抗疲勞設(shè)計(jì)，有效評(píng)估結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能，已成為一個(gè)刻不容緩的研究課題。,2. 疲勞的基本概念,2.1 疲勞定義 疲勞一詞的英文是Fatigue，意思是“勞累、疲倦”。 作為專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)，用來(lái)表達(dá)材料在循環(huán)載荷作用下的損傷和破壞。 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）在1964年發(fā)表的報(bào)告《金屬疲勞試驗(yàn)的一般原理》中對(duì)疲勞所做得定義是“金屬材料在應(yīng)力或應(yīng)變的反復(fù)作用下所發(fā)生的性能變化叫做疲勞；

11、雖然在一般情況下，這個(gè)術(shù)語(yǔ)特指那些導(dǎo)致開(kāi)裂或破壞的性能變化”。 美國(guó)實(shí)驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)（ASTM）在“疲勞試驗(yàn)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析之有關(guān)術(shù)語(yǔ)的標(biāo)準(zhǔn)定義”所做的定義：在某點(diǎn)或某些點(diǎn)承受擾動(dòng)應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動(dòng)作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發(fā)生的局部的、永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過(guò)程，稱(chēng)為疲勞。 這一個(gè)描述也普遍使用于非金屬材料。,2. 疲勞的基本概念,2.2 疲勞問(wèn)題具有的特點(diǎn) 1）只有在承受擾動(dòng)應(yīng)力作用的條件

12、下，疲勞才會(huì)發(fā)生。 擾動(dòng)應(yīng)力是指隨時(shí)間變化的應(yīng)力。,描述載荷—時(shí)間變化關(guān)系的圖與表，稱(chēng)為載荷譜，還有應(yīng)力譜、應(yīng)變譜、加速度譜等； 在研究疲勞問(wèn)題時(shí)，首先要研究載荷譜的描述與簡(jiǎn)化。,2. 疲勞的基本概念,2.2 疲勞問(wèn)題具有的特點(diǎn) 2）疲勞破壞起源于高應(yīng)力或高應(yīng)變的局部。 靜載下的破壞，取決于結(jié)構(gòu)整體；疲勞破壞則是由應(yīng)力或應(yīng)變較高的局部開(kāi)始，形成損傷并逐漸累積，導(dǎo)致破壞發(fā)生。局部

13、性是疲勞的明顯特點(diǎn)。要注意細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，盡可能減少應(yīng)力集中。 3）疲勞破壞是在足夠多次的擾動(dòng)載荷作用之后，形成裂紋或完全斷裂。 足夠多次的擾動(dòng)載荷作用后，從高應(yīng)力或高應(yīng)變的局部開(kāi)始，形成裂縫，稱(chēng)為裂紋起始。此后，在擾動(dòng)載荷作用下，裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，直至臨界尺寸而完全斷裂。裂紋萌生—擴(kuò)展—斷裂三個(gè)階段是疲勞破壞的特點(diǎn)。 4）疲勞是一個(gè)發(fā)展過(guò)程。,2. 疲勞的基本概念,2.3 疲勞的分類(lèi) 從不同的角度進(jìn)

14、行分類(lèi)。 從微觀上看，疲勞裂紋的萌生都與局部微觀塑性有關(guān)，但從宏觀上看，在循環(huán)應(yīng)力水平較低時(shí)，彈性應(yīng)變起主導(dǎo)作用，此時(shí)疲勞壽命較長(zhǎng)，稱(chēng)為應(yīng)力疲勞或高周疲勞；在循環(huán)應(yīng)力水平較高時(shí)，塑性應(yīng)變起主導(dǎo)作用，此時(shí)疲勞壽命較短，稱(chēng)為應(yīng)變疲勞或低周疲勞。 不同的外部載荷造成不同的疲勞破壞形式，由此可以將疲勞分為：機(jī)械疲勞—僅有外加應(yīng)力或應(yīng)變波動(dòng)造成的疲勞失效；蠕變疲勞—循環(huán)載荷同高溫聯(lián)合作用引起的疲勞失效

15、；熱機(jī)械疲勞—循環(huán)載荷和循環(huán)溫度同時(shí)作用引起的疲勞失效；腐蝕疲勞—在存在侵蝕性化學(xué)介質(zhì)或致脆介質(zhì)的環(huán)境中施加循環(huán)載荷引起的疲勞失效；滑動(dòng)接觸疲勞和滾動(dòng)接觸疲勞—載荷的反復(fù)作用與材料間的滑動(dòng)和滾動(dòng)接觸相結(jié)合分別產(chǎn)生的疲勞失效；微動(dòng)疲勞—脈動(dòng)應(yīng)力與表面間的來(lái)回相對(duì)運(yùn)動(dòng)和摩擦滑動(dòng)共同作用產(chǎn)生的疲勞失效 .,2. 疲勞的基本概念,2.4 疲勞壽命 疲勞壽命是指結(jié)構(gòu)或機(jī)械直至破壞所作用的循環(huán)載荷的次數(shù)或時(shí)間。 從疲勞損傷

16、發(fā)展過(guò)程看，有二階段疲勞壽命模型、三階段疲勞壽命模型和多階段疲勞壽命模型。,二階段疲勞壽命模型,三階段疲勞壽命模型,多階段疲勞壽命模型,2. 疲勞的基本概念,2.5 疲勞研究的三個(gè)尺度,材料科學(xué)研究疲勞問(wèn)題，著重材料在反復(fù)載荷作用下材料中損傷出現(xiàn)和演化的機(jī)制； 宏觀力學(xué)著重研究光滑或簡(jiǎn)單缺口試驗(yàn)件在反復(fù)載荷作用下的力學(xué)行為； 結(jié)構(gòu)或機(jī)械設(shè)計(jì)研究人員則著重抗疲勞設(shè)計(jì)的研究。,3. 疲勞設(shè)計(jì)方法,3.1 無(wú)

17、限壽命設(shè)計(jì) “對(duì)于疲勞，應(yīng)力幅比構(gòu)件承受的最大應(yīng)力更重要。應(yīng)力幅越大，疲勞壽命越短；應(yīng)力幅小雨某一極限值時(shí)，將不發(fā)生疲勞破壞”。 對(duì)于無(wú)裂縫構(gòu)件，控制其應(yīng)力水平，使其小于疲勞持久極限（Sf)，則不萌生疲勞裂縫。所以其無(wú)限壽命設(shè)計(jì)條件為： 材料的疲勞持久極限Sf由S-N曲線給出。 其中20世紀(jì)60年代研

18、究裂縫擴(kuò)展的結(jié)果指出，裂縫擴(kuò)展的控制變量—應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度也存在著一個(gè)門(mén)檻值。對(duì)于已有裂縫存在的構(gòu)件，控制其應(yīng)力強(qiáng)度因子，使其小于門(mén)檻值，則雖有裂縫但不擴(kuò)展，也可以實(shí)現(xiàn)無(wú)限壽命設(shè)計(jì)。,,3. 疲勞設(shè)計(jì)方法,3.2 安全壽命設(shè)計(jì) 無(wú)限壽命設(shè)計(jì)要求將構(gòu)件中的使用應(yīng)力控制在很低的水平，材料的潛能得不到充分發(fā)揮，對(duì)于并不需要經(jīng)受很多循環(huán)次數(shù)的構(gòu)件，無(wú)限壽命設(shè)計(jì)就很不經(jīng)濟(jì)。 使構(gòu)件在有限長(zhǎng)設(shè)計(jì)壽命

19、內(nèi)，不發(fā)生疲勞破壞的設(shè)計(jì)，稱(chēng)之為安全壽命設(shè)計(jì)（safe-life design)或有限壽命設(shè)計(jì)，飛機(jī)、車(chē)輛等大多數(shù)都采用安全壽命設(shè)計(jì)。 材料的S-N曲線和Miner累計(jì)損傷理論，是安全壽命設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。3.3 損傷容限設(shè)計(jì) 由于有裂紋的存在，安全壽命設(shè)計(jì)并不能完全確保安全。 提出了裂紋尖端場(chǎng)控制變量—應(yīng)力強(qiáng)度因子K的概念，并提出疲勞裂紋擴(kuò)展速率可以由應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度來(lái)描述。

20、 損傷容積極限是為保證含裂紋或可能含裂紋的構(gòu)件的安全。設(shè)計(jì)思路：假定構(gòu)件中存在著裂紋，用斷裂力學(xué)分析、疲勞裂紋擴(kuò)展分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，保證在定期檢查肯定能發(fā)生裂紋前，裂紋不會(huì)擴(kuò)展到引起破壞。 斷裂判據(jù)和裂紋擴(kuò)展方程是損傷容限設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。,,3. 疲勞設(shè)計(jì)方法,3.4 耐久性設(shè)計(jì) 耐久性設(shè)計(jì)是以經(jīng)濟(jì)壽命控制為目標(biāo)的設(shè)計(jì)。耐久性設(shè)計(jì)是構(gòu)件和結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用條件下抗疲勞斷裂性能

21、的一種定量度量。 這種方法首先定義疲勞破壞嚴(yán)重細(xì)節(jié)（如孔、圓弧、臺(tái)階）處的初始疲勞質(zhì)量，描述與材料、設(shè)計(jì)、制造質(zhì)量相關(guān)的初始疲勞損傷狀態(tài)，再用疲勞或疲勞裂紋擴(kuò)展分析預(yù)測(cè)在不用使用時(shí)刻損傷狀態(tài)的變化，確定其經(jīng)濟(jì)壽命，制定使用、維修方案。 小結(jié)：上述各種疲勞設(shè)計(jì)方法，都反映了疲勞斷裂研究的發(fā)展和進(jìn)步，但是，由于疲勞問(wèn)題復(fù)雜，影響因素多，使用條件和環(huán)境差別大，各種方法不是互相替代，而是相互補(bǔ)充

22、的。 不同構(gòu)件，不同情況，應(yīng)采用不同方法。,,4 疲勞載荷類(lèi)型與S-N曲線,4.1 疲勞載荷的類(lèi)型與基本術(shù)語(yǔ) 1) 什么叫疲勞載荷？ 使零件或構(gòu)件發(fā)生疲勞破壞的動(dòng)載荷. 2）疲勞載荷的類(lèi)型 一類(lèi)是其大小和正負(fù)方向隨時(shí)間周期性地變化的交變載荷； 另一類(lèi)是大小和正負(fù)方向隨時(shí)間隨機(jī)變化的隨機(jī)載荷。,對(duì)稱(chēng)

23、循環(huán)交變載荷,不對(duì)稱(chēng)循環(huán)交變載荷,4 疲勞載荷類(lèi)型與S-N曲線,4.1 疲勞載荷的類(lèi)型與基本術(shù)語(yǔ)3）一個(gè)周期的應(yīng)力變化過(guò)程稱(chēng)為一個(gè)應(yīng)力循環(huán)。 應(yīng)力循環(huán)特點(diǎn)可用循環(huán)中的最大應(yīng)力σmax、最小應(yīng)力σmin和周期T（或頻率f=1/T）來(lái)描述。4）應(yīng)力幅σa和應(yīng)力范圍△σ（也稱(chēng)為應(yīng)力振幅、應(yīng)力幅度）的概念,應(yīng)力幅σa反映了交變應(yīng)力在一個(gè)應(yīng)力循環(huán)中變化大小的程度，它是使金屬構(gòu)件發(fā)生疲勞破壞的根本原因。,4 疲勞載荷類(lèi)型與S-N曲線,4

24、.1 疲勞載荷的類(lèi)型與基本術(shù)語(yǔ),,除承受有動(dòng)載荷外，還有靜載分量荷時(shí)，動(dòng)靜載荷的共同作用下的應(yīng)力-時(shí)間變化曲線 。 ？有什么特點(diǎn)：平移一個(gè)了靜應(yīng)力分量。,4 疲勞載荷類(lèi)型與S-N曲線,4.1 疲勞載荷的類(lèi)型與基本術(shù)語(yǔ) 5）應(yīng)力比，有時(shí)又稱(chēng)為不對(duì)稱(chēng)系數(shù),當(dāng)R=-1時(shí)的循環(huán)應(yīng)力即為對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力，當(dāng)R≠0時(shí)統(tǒng)稱(chēng)不對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力。其中，R=0時(shí)為拉伸脈動(dòng)應(yīng)力循環(huán)，R=-∞時(shí)為壓縮脈動(dòng)循環(huán)，R=1是靜載荷,6）平均應(yīng)力，用σm表示,4

25、 疲勞載荷類(lèi)型與S-N曲線,4.1 疲勞載荷的類(lèi)型與基本術(shù)語(yǔ) 7）靜載荷到底對(duì)疲勞有沒(méi)有影響？靜載分量或平均應(yīng)力對(duì)構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度有一定的影響。壓縮平均應(yīng)力往往提高構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度，而拉伸平均應(yīng)力往往降低構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度。在疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命的研究中，給定一個(gè)循環(huán)應(yīng)力水平時(shí)，需要同時(shí)給出應(yīng)力幅σa和應(yīng)力比R?；蛘咄瑫r(shí)給出最大應(yīng)力σmax和平均應(yīng)力σm，也有時(shí)直接給出最大應(yīng)力σmax和最小應(yīng)力σmin來(lái)表示循環(huán)應(yīng)力水平。,4 疲勞載荷

26、類(lèi)型與S-N曲線,已知 、R時(shí)，其它參數(shù)便可由下式得到,已知 、 ，求,,,,4 疲勞載荷類(lèi)型與S-N曲線,4.2 材料的S-N曲線與基本術(shù)語(yǔ)1）一般情況下，材料所承受的循環(huán)載荷的應(yīng)力幅越小，到發(fā)生疲勞破斷時(shí)所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)越長(zhǎng)。2）S-N曲線就是材料所承受的應(yīng)力幅水平與該應(yīng)力幅下發(fā)生疲勞破壞時(shí)所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線。3）S-N曲線一般是使用標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行疲勞試驗(yàn)獲得的。,S-N疲勞曲線,縱坐標(biāo)表示試樣承受的應(yīng)

27、力幅，有時(shí)也表示為最大應(yīng)力，但二者一般都用σ表示；橫坐標(biāo)表示應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，常用Nf表示,4 疲勞載荷類(lèi)型與S-N曲線,4.2 材料的S-N曲線與基本術(shù)語(yǔ)4）S-N曲線的一般形狀和若干特性值(進(jìn)一步說(shuō)明) 材料疲勞性能試驗(yàn)所用標(biāo)準(zhǔn)試件，一般是小尺寸（3-10mm)光滑圓柱試件.材料的S-N曲線,給出的是光滑材料在恒幅對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力作用下的裂紋萌生壽命。 用一組標(biāo)準(zhǔn)試件，在給定的應(yīng)力比R下，施加不同的應(yīng)力幅，進(jìn)行疲勞

28、試驗(yàn)，記錄相應(yīng)的壽命N，即可得到所示的S-N曲線。壽命N趨于無(wú)窮大時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力的極限值Sf，稱(chēng)為材料的疲勞極限。,由于疲勞極限是由試驗(yàn)確定的，試驗(yàn)又不能一直做下去，所以在許多試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上。定義：鋼材，107 次循環(huán)；焊接件，2x106 次循環(huán)；有色金屬，108 次循環(huán),4 疲勞載荷類(lèi)型與S-N曲線,4.2 材料的S-N曲線與基本術(shù)語(yǔ) 為使用方便，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下S-N曲線被近似簡(jiǎn)化成兩條直線。 S-N

29、曲線中的水平直線部分對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平就是材料的疲勞極限，其原意為材料經(jīng)受無(wú)數(shù)次應(yīng)力循環(huán)都不發(fā)生破壞的應(yīng)力極限； 對(duì)鋼鐵材料此“無(wú)限”的定義一般為107次應(yīng)力循環(huán)。 但現(xiàn)代高速疲勞試驗(yàn)機(jī)的研究成果表明，即使應(yīng)力循環(huán)次數(shù)超過(guò)107材料仍然有可能發(fā)生疲勞斷裂。 某些不銹鋼和有色金屬的S-N中沒(méi)有水平直線部分，此時(shí)的疲勞極限都一般定義為108次應(yīng)力循環(huán)下對(duì)應(yīng)的應(yīng)力幅水平。 疲勞極限是材料

30、抗疲勞能力的重要性能指標(biāo)，也是進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的無(wú)限壽命設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。,4 疲勞載荷類(lèi)型與S-N曲線,4.3 材料的S-N曲線的數(shù)學(xué)表達(dá),式中σ為應(yīng)力幅或最大應(yīng)力，N為達(dá)到疲勞破斷時(shí)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，m，C材料常數(shù)。,斜線部分是零部件疲勞強(qiáng)度的有限壽命設(shè)計(jì)或疲勞壽命計(jì)算的主要依據(jù)。材料或構(gòu)件到發(fā)生疲勞破壞時(shí)所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)稱(chēng)為材料或構(gòu)件的疲勞壽命，通常它包括疲勞裂紋的萌生壽命與擴(kuò)展壽命之和。 疲勞裂紋萌生壽命為構(gòu)件從開(kāi)始使用到局

31、部區(qū)域產(chǎn)生疲勞損傷累積、萌生裂紋時(shí)的壽命；裂紋擴(kuò)展壽命為構(gòu)件在裂紋萌生后繼續(xù)使用而導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展達(dá)到疲勞破壞時(shí)的壽命。 在疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)中，疲勞破壞可能被定義為疲勞破斷或規(guī)定的報(bào)廢限度。,,,5 Miner損傷累積的能量屬性,5 Miner損傷累積的能量屬性,Miner線性累積損傷理論 是最適用和簡(jiǎn)單的； Miner理論認(rèn)為材料的疲勞破壞是由于循環(huán)載荷的作用而產(chǎn)生損傷并積累造成的 ； 疲勞損傷累積達(dá)到破壞時(shí)吸

32、收的凈功W與疲勞載荷的加載歷史無(wú)關(guān)，并且材料的疲勞損傷程度與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)成正比。 設(shè)材料在某一等級(jí)應(yīng)力下達(dá)到破壞時(shí)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為N1，經(jīng)n1次應(yīng)力循環(huán)而產(chǎn)生疲勞損傷吸收的凈功為W1 ：,,5 Miner損傷累積的能量屬性,在i個(gè)應(yīng)力水平級(jí)別下，分別對(duì)應(yīng)ni次應(yīng)力循環(huán)時(shí)，材料疲勞累積損傷為：,,ni表示第i級(jí)應(yīng)力水平下經(jīng)過(guò)的應(yīng)力循環(huán)數(shù)；Ni表示第i級(jí)應(yīng)力水平下達(dá)到破壞時(shí)的應(yīng)力循環(huán)數(shù)。 每種給定的具體結(jié)構(gòu)都具有一

33、定的抵抗疲勞破壞的能量，當(dāng)結(jié)構(gòu)形式確定后，該結(jié)構(gòu)所具有抵抗疲勞破壞所儲(chǔ)存的能量就是一個(gè)常量。 在結(jié)構(gòu)受到疲勞載荷作用下，當(dāng)這種載荷引起的動(dòng)應(yīng)力大于該結(jié)構(gòu)的疲勞極限時(shí)就會(huì)引起一定的能量損傷，當(dāng)這樣的損傷值累積到結(jié)構(gòu)所具有的能量時(shí)，結(jié)構(gòu)將引起疲勞破壞。,雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下的S-N曲線,5 Miner損傷累積的能量屬性,進(jìn)一步的理解：對(duì)于給定的材料或焊接結(jié)構(gòu)，它為了抵抗疲勞破壞而儲(chǔ)存的能量是給定的，不隨加載方式及次序的改變而改變。當(dāng)加載

34、狀態(tài)惡劣時(shí)，儲(chǔ)存的抵抗疲勞的能量消耗就多一些，反之則少一些。用壽命來(lái)度量，前者壽命短一些，后者則長(zhǎng)一些，這一觀點(diǎn)亦可以從S-N曲線上得到物理意義上的解釋。 （摘自兆文忠老師講稿）,能量的角度進(jìn)一步說(shuō)明？,雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下的S-N曲線,5 Miner損傷累積的能量屬性,說(shuō)明如下：,6 計(jì)算疲勞壽命的基本公式,IIW中以名義應(yīng)力變化范圍度量的S-N曲線,BS7608中以名義應(yīng)力度量變化范圍的S-N曲線,兩者有什么不同和相同？,,6 計(jì)算疲勞壽

35、命的基本公式,在IIW、BS標(biāo)準(zhǔn)中，一種或一類(lèi)焊接接頭對(duì)應(yīng)一條S-N曲線。與IIW、BS完全不同；美國(guó)ASME（2007）標(biāo)準(zhǔn)中提供的S-N曲線只是一個(gè)數(shù)學(xué)模型，該模型的科學(xué)性下面將有較詳細(xì)的討論；這里需要指出的是，不管是IIW、BS，還是ASME(2007)，它們的數(shù)學(xué)形式是一樣的，數(shù)學(xué)本質(zhì)也是一樣的；,,,,,敏度,,應(yīng)力擾動(dòng)后的新壽命,7 計(jì)算疲勞壽命前的應(yīng)力編譜,7 計(jì)算疲勞壽命前的應(yīng)力編譜,在估算結(jié)構(gòu)的疲勞壽命前，需要對(duì)結(jié)

36、構(gòu)應(yīng)力譜隨機(jī)時(shí)間歷程進(jìn)行編譜分析。一般都采用疲勞研究中最常用的雨流計(jì)數(shù)法進(jìn)行編譜。線路實(shí)驗(yàn)中貼片獲取某一點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力，然后編譜：其編譜過(guò)程如下：1）去掉原始數(shù)據(jù)中非正常信號(hào)，即通常的去掉毛刺（spike removal）； 2）經(jīng)快速傅立葉變換，獲得頻譜，在頻譜中發(fā)現(xiàn)了50Hz的干擾頻率；3）根據(jù)頻譜信息進(jìn)行濾波，濾波頻率為40Hz；4）應(yīng)力幅值雨流計(jì)數(shù)，從而獲得了可以進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算的動(dòng)應(yīng)力譜。,7 計(jì)算疲勞壽命前的應(yīng)力編

37、譜,,,,,,,7 計(jì)算疲勞壽命前的應(yīng)力編譜,總結(jié)：1）將貼片布點(diǎn)所處的結(jié)構(gòu)細(xì)部與IIW（Fatigue resistance values for structural details in steel assessed on the basis of normal stresses－基于標(biāo)稱(chēng)應(yīng)力的鋼結(jié)構(gòu)細(xì)部疲勞強(qiáng)度值列表）提供的結(jié)構(gòu)細(xì)部對(duì)比，并考慮外載荷方向，選擇合適的類(lèi)型進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算。2）根據(jù)每一級(jí)別的FAT值，由IIW中

38、的表（Constants,constant amplitude fatigue limit and cut-off limits－S－N曲線的常數(shù)C，等幅疲勞極限及截?cái)鄻O限）中選擇相應(yīng)的S－N數(shù)據(jù)。3）一旦獲得了動(dòng)應(yīng)力譜以及S－N曲線數(shù)據(jù)，即可計(jì)算出每一焊接接頭的疲勞壽命。,8 用計(jì)算器計(jì)算疲勞壽命的例子,由載荷譜，可以通過(guò)計(jì)數(shù)得到如圖所示的載荷和循環(huán)次數(shù)圖。 若構(gòu)件在某一恒幅應(yīng)力水平S作用下，循環(huán)至破壞的壽命為N，則可

39、定義其在經(jīng)受n次循環(huán)時(shí)的損傷為： 在恒幅作用下，若n=0，則D=0，構(gòu)件未受疲勞損傷；若n=N，則D=1，構(gòu)件發(fā)生破壞。,變幅載荷譜,線性損傷積累,N是在S作用下循環(huán)到破壞的壽命，由S-N曲線確定,n是S作用下的循環(huán)次數(shù)，由載荷譜給出,8 一個(gè)用計(jì)算器計(jì)算疲勞壽命的例子,采用Miner線性疲勞累計(jì)損傷法則和NASA針對(duì)變幅加載條件所推薦的S—N曲線形式計(jì)算等效應(yīng)力幅，采用這一方法可使各級(jí)應(yīng)力水平產(chǎn)生的損傷均得到合理的考

40、慮。計(jì)算時(shí)按照下式進(jìn)行：,式中，L—安全運(yùn)用公里數(shù)； L1—實(shí)測(cè)公里數(shù)； N—焊接接頭疲勞極限所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)數(shù)，2×106； σ-1ai—各級(jí)應(yīng)力幅值； ni—各級(jí)應(yīng)力循環(huán)數(shù)； m—S-N曲線參數(shù)；,9 一個(gè)用計(jì)算器計(jì)算疲勞壽命的例子,如果給出設(shè)計(jì)壽命的公里數(shù)，用某一個(gè)具體里程上的疲勞試驗(yàn)的結(jié)果就可計(jì)算出整個(gè)壽命期相應(yīng)的等效應(yīng)力幅。舉個(gè)例子：,電機(jī)吊架結(jié)構(gòu)測(cè)試點(diǎn)