疲劳分析基础.pdf

疲劳强度设计分析基础 主要内容 一．疲劳的基本概念 二．疲劳分析基本理论 三．疲劳设计分析方法 四．疲劳分析工程应用案例 一．疲劳的基本概念 强度、刚度和疲劳寿命是对工程机械和结构使用的 三个基本要求。 疲劳是结构失效的最主要原因，85% 以上的结构失 效为疲劳破坏。疲劳失效每年要造成2000亿美元的 损失 关于疲劳的研究已有150多年的历史，工程师通过 对疲劳现象的观察，对疲劳机理的认识，对疲劳规 律的研究，在疲劳寿命的预测和抗疲劳技术等方面 积累了丰富的知识，对疲劳问题的认识也不断深 入，形成了较系统的疲劳分析方法。如何利用现有 的这些成果解决工程实际中的疲劳问题，是目前人 们需要迫切解决的问题。 一．疲劳的基本概念 疲劳破坏的基本概念 疲劳破坏的特征 影响疲劳寿命的因素 一．疲劳的基本概念 疲劳破坏的定义? 疲劳定义: 这里引述美国试验与材料协会（ASTM ）的定义： 在某点（或某些点）承受扰动应力，且在足够多的循环 扰动之后形成裂纹或完全断裂的材料中发生的局部的、永久 结构变化的发展过程，称为疲劳。 有时应力值虽然没有超过材料的强度极限，甚至比弹性 极限还低的多的情况下就可能发生疲劳破坏。 一．疲劳的基本概念 疲劳破坏的特征 构件疲劳破坏的特征和静破坏有着本质的不同，主要有以下特征： 1) 承受变载荷（扰动载荷）破坏。 扰动载荷随时间变化载荷 一．疲劳的基本概念 疲劳破坏的特征 平滑区 2) 疲劳破坏产生于局部。 疲劳破坏常出现在结构或材料应力大的局部，并 不牵涉到整个结构的所有材料。（注意局部细节 设计和工艺措施） 3) 疲劳破坏在断口处明显分为两个区域，即光滑区 和粗糙区。 （疲劳裂纹扩展区和失稳断裂区） 4) 疲劳破坏是一个累积损伤的过程。 从疲劳裂纹的形成到裂纹扩展，以至最后断裂， 粗粒状区 是疲劳损伤累积的过程。这一过程中结构经历的 疲劳源 时间或载荷循环次数称之为疲劳寿命。 疲劳破坏的三个发展阶段，裂纹形成（萌生）、 裂纹扩展、失稳扩展断裂。 疲劳寿命 N total =Ninitiation +N propagation 一．疲劳的基本概念 影响疲劳寿命的因素 影响材料或结构疲劳强度的因素很多，主要有材料本身的性 质、零件几何形状、表面质量、表面处理、工作条件等。掌握 这些因素对疲劳寿命影响，以便更好进行疲劳设计。 1) 应力集中的影响 结构中不可避免地存在着台阶、各种形状的孔及半径较小的导 角等。受力结构在这些区域出现“应力集中”现象，疲劳源一般 出现在应力集中处。 一．疲劳的基本概念 影响疲劳寿命的因素 2) 载荷形式的影响 材料的疲劳特性随加载形式变化！ S S S f 弯 f 拉 f 扭 ( ) ( ) ( ) 3) 尺寸的影响 不同试件尺寸对疲劳性能的影响，也可用高应力区体积的不同 解释。应力水平相同时，试件尺寸越大，存在缺陷或薄弱处的 可能性就越大，故大尺寸构件中的疲劳寿命低于小尺寸试件。 一．疲劳的基本概念 影响疲劳寿命的因素 4) 表面粗糙度的影响 疲劳裂纹源通常发生在结构表面。（表面应力高、表面缺陷 多、表面材料易滑动） 镜面抛光、精磨、机械加工、热轧、锻造、盐水腐蚀、… 5) 表面处理的影响 表面冷作变形是提高零部件疲劳强度的有效途径，如滚压、喷 丸、挤压等，本质上是在表面引入压缩残余应力。 表面渗碳或渗氮处理可提高表面材料强度并在材料表面引入压 缩残余应力。 反之，残余拉应力对疲劳强度有害，如焊接、