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* * * 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 疲劳寿命预测和抗疲劳设计 10.1 概述 疲劳导致的事故 斜拉索桥事故 委内瑞拉的Maracibo桥，建于1960年，是世界著名的预应力混凝土斜拉索桥，由于桥索涂漆层经不住风雨的侵蚀，在拉索的剧烈振动下，192根的钢索中有25根存在严重隐患，1979年2月，一根拉索突然疲劳断裂，造成桥体局部坍塌，直接经济损失达5000万美元；美国德克萨斯州Fred Hartman桥1995年建成，但由于风雨激振致使100多个桥面端护筒焊接开裂，出现疲劳裂纹。 疲劳造成的列车事故 1998年6月3日，德国一列高速列车在行驶中突然出轨，造成100多人遇难身亡的严重后果。事后经过调查，人们发现，造成事故的原因竟是因为一节车厢的车轮内部疲劳断裂，从而导致了这场近50年来德国最惨重铁路事故的发生。 列车事故疲劳分析 金属构件在各种外力的反复作用下，可以产生疲劳，这是因为金属内部结构并不均匀，从而造成应力传递的不平衡，有的地方会成为应力集中区。与此同时，金属内部的缺陷处还存在许多微小的裂纹。在力的持续作用下，裂纹会越来越大，材料中能够传递应力部分越来越少，直至剩余部分不能继续传递负载时，金属构件就会全部毁坏。 活塞从销座孔处出现活塞头部与裙部之间的整体断裂 桥梁疲劳事故 辽宁盘锦田庄台大桥 2004年6月10日早晨7时许，辽宁省盘锦市境内田庄台大桥突然发生垮塌。大桥从中间断裂27米。 该桥在超限车辆长期作用下，内部预应力严重受损。事故发生前，大连顺达运输公司一辆自重30吨的大货挂车，载着80吨的水泥，在严重超载情况下通过该桥(该桥在2000年7月被确定通行车辆限重15吨、限速20公里／小时)，重载冲击力使大桥第9孔悬臂端预应力结构瞬间脆性断裂，致使桥板坍塌。 深圳华侨城事故 2010年6月29日16时45分，深圳东部华侨城“太空迷航”娱乐项目发生重大安全事故，造成6人死亡，10人受伤。 “太空迷航”在设备设计方面存在的问题包括：座舱支承系统的中导柱法兰与活塞杆之间的联接为间隙配合，使中导柱内一个直径为16毫米的螺栓承受交变载荷，设计上没有考虑该螺栓承受交变载荷，未进行相应的疲劳验算，而且结构设计没有考虑在现场安装、维护时保证该螺栓达到预紧力的有效措施。由于该螺栓松动，加剧了中导柱法兰与活塞杆在运行时的相对运动，使该螺栓的受力状况恶化，从而导致该螺栓产生疲劳破坏。 飞机疲劳事故 C-141星式运输机过度使用造成的机翼断裂事故。 此型飞机的原始设计寿命是 30,000 飞行小时，后来由于美国空军想增加运输容量而将机身加长，当时的分析显示机体疲劳寿命可达 45,000 飞行小时，但是由于繁重的训练任务，和次数频仍的高速低空飞行任务，使得机翼下蒙皮的损伤迅速累积，过度使用造成的机翼断裂事故。 金属材料的疲劳特性 人的疲劳感觉来自于长期的劳累或一次过重的负荷，金属也是一样。金属的机械性能会随着时间而渐渐变弱，这就是金属的疲劳。在正常使用机械时，重复的推、拉、扭或其他的外力情况下都会造成机械部件中金属的疲劳。这是因为机械受压时，金属中原子的排列会大大改变，大大的压力会使金属原子间的化学键断裂而导致金属裂开。 由于金属材料的疲劳一般难以发现，因此常常造成突然的事故。在第二次世界大战期间，美国的5000艘货船共发生1000多次破坏事故，有238艘完全报废，其中大部分要归咎于金属的疲劳。直到出现了电子显微镜之后，人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得了新的成果，才开发出一些发现和消除金属疲劳的手段。 金属材料的疲劳特性 金属疲劳并非完全难以检测。近年来，应用科学的检测手段避免了不少因金属疲劳而可能发生的事故。科学家证实，汽车刹车突然失灵而掉下悬崖、飞机发动机突然爆裂、强风使铁桥崩塌等惨祸发生前，刹车、机身、桥梁上都会产生异常震动，这实际上就是“金属疲劳”的一种征兆。所以，当工程师设计飞机、汽车、桥梁或其他机械时，都必须考虑到金属疲劳问题，并对这些金属建筑或机械定期“体检”，以确保安全。 所有金属表面都存在微小缺陷，有的肉眼看得见，有的肉眼看不见。这些瑕疵都会使得应力在该处产生，从而导致金属开始裂开，所以，当一次负载过重或是多次猛烈晃动，都会导致金属疲劳而从瑕疵处裂开。 电子显微镜下裂纹图 未经过疲劳试验的金属表面 （N=0） 经过疲劳试验的金属表面 （N=10000） 电子显微镜下裂纹图 经过疲劳试验的金属表面 （N=18000） 经过疲劳试验的金属表面 （N=20000） 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。 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：