疲劳和断裂第十讲课件.ppt

* * 第十章 疲劳寿命预测和抗疲劳设计 10.1 概述 10.2 损伤容限分析中的损伤累积方法 10.3 耐久性设计概述 返回主目录 由于疲劳问题的复杂性和分散性，任何预测方法都只能给出统计正确的平均疲劳寿命。 第十章 疲劳寿命预测和抗疲劳设计 10.1 概述 裂纹起始(萌生)寿命Ni： 从开始使用到出现工程可检的裂纹ai为止； 裂纹扩展寿命NP： 从ai扩展到临界裂纹尺寸aC的寿命。 总寿命 N= Ni + NP； 1. 关于寿命预测方法的一般要求 具有较高的精度和可靠性。即使用寿命或 实验数据应在预测值及其分散带内。 有较普遍的适用范围。 适用于不同的载荷 谱、不同的材料、构件和环境，至少也 要知道该方法的正确性条件。 不要求过多的、逐一硬配的实验参数。 计算费用低，至少要比实物疲劳试验低。 最好能用于裂纹起始和扩展二阶段寿命预测。 2. 寿命预测方法分类 不考虑缺口根部或裂尖高应力区复杂情况的简单方法。例如，S-N曲线，Miner理论, Paris 或Forman的裂纹扩展公式等。 考虑缺口根部或裂尖复杂情况之一部分的方法。如Neuber理论；Willenberg模型等。 试图描述缺口根部或裂纹尖端真实情况的方法。如 Elber的裂纹闭合理论。 利用实际谱序实验结果的方法。例如，相对Miner理论，Wheeler迟滞模型等。 以恒幅疲劳试验为基础 考虑实际谱的影响 3. 疲劳设计方法 无限寿命设计：不萌生裂纹： Sa?Sf 裂纹不扩展： ?K??Kth 有限寿命设计：依据S-N、?-N曲线和Miner理 论、相对Miner理论进行。 恒幅载荷 S-N曲线 e-N曲线 寿命预测 有限寿 命设计 变幅 载荷 Miner 累积损伤理论 随机 载荷 雨流 计数 不同疲劳设计方法之间相互补充、完善，以满足不同的情况、不同的要求。 损伤容限设计：考虑裂纹，以检查保安全。 裂纹如何扩展？结构或构件的剩余强度如 何随裂纹扩展下降？如何确定检查周期？ 综合控制缺陷尺寸、剩余强度及检查周期。 耐久性经济寿命分析： 考虑裂纹群及其扩展，考虑使用载荷下的 结构损伤状态，考虑维修经济性。 综合控制安全、功能和经济。 10.2 损伤容限分析中的损伤累积方法 1. 损伤容限设计原理 s max 使用寿命 损 伤 长 度 a 结 构 强 度 或 载 荷 s R K C /Y p a 剩余强度曲线 a 0 损伤增长曲线 正常工作载荷 检查期 a i a c 可 检 裂 纹 长 度 假定存在初始损伤a0；预测损伤增长曲线、剩余强度曲线,合理安排检查与修理，保证安全。 目标是：以检查控制损伤的程度，保证结构安全。 关键是：随机谱下的损伤累积方法，尽可能正确 地预测结构中的损伤增长。 损伤容限设计三要素为： 剩余强度曲线： 用断裂力学方法分析； 损伤增长曲线： 进行疲劳裂纹扩展分析； 检查周期 检出能力与概率统计分析。 s max 使用寿命 损 伤 长 度 a 结 构 强 度 或 载 荷 剩余强度曲线 a 0 损伤增长曲线 正常工作载荷 检查期 a c a i 可 检 裂 纹 长 度 在任意第i个循环下， 由谱可知??i和Ri，有： (da/dN)i??ai/?Ni=f(??i,ai,Ri) 注意?Ni=1，可算得?ai。 2. 随机载荷谱下的损伤累积方法 A) 逐循环直接求和法 特点是：适用性广，可用于各种载荷谱；可考虑 载荷间的相互作用。但N大，计算费时。 s N o 于是，裂纹尺寸和对应的循环次数为： ai=a0+??ai； N=??Ni 逐循环累积损伤，将给出随机谱下的a-N曲线。 B) 线性近似数值积分法 适用于含较长等幅块的载荷谱。 基本假设是：在某段等幅循环中，裂纹扩展?a内， da/dN近似保持为常数。 损伤累积方法为： 1 ) 由载荷谱确定载荷水平j下的 ?maxj、?minj、Rj和Nj。 2)计算 (da/dN)j=f(??j , aj , Rj) 3) 选取适当的?a(控制精度，如?a?0.01a)， 计算 ?N=?a/(da/dN)j。 s N s s max min j