《应力分析法》课件.pptVIP

*************************************S-N曲线：原理和应用循环次数(对数)应力幅值(MPa)S-N曲线（应力-循环次数曲线）是表征材料疲劳性能的基本工具，横坐标为循环次数的对数，纵坐标为应力幅值。它直观展示了材料在不同应力水平下能够承受的循环次数，是进行疲劳寿命预测和疲劳设计的重要依据。S-N曲线通常通过标准的疲劳试验获得，对不同批次的材料样本在多个应力水平下进行测试，直至失效。在S-N曲线上，应力幅值与循环次数呈负相关：应力幅值越高，材料能承受的循环次数越少。某些铁素体钢材料在S-N曲线上存在疲劳极限，即低于某一应力水平，材料理论上可以承受无限次循环而不失效。而大多数有色金属和高强度钢则没有明显的疲劳极限，S-N曲线持续下降。在工程设计中，需根据预期使用寿命和安全系数确定合适的设计应力水平。疲劳分析基础疲劳机理疲劳是材料在循环应力作用下逐渐损伤直至失效的过程。即使应力水平远低于材料的静态强度，长期反复作用也可能导致疲劳破坏。典型的疲劳失效过程包括三个阶段：裂纹萌生、裂纹扩展和最终断裂。微观层面上，疲劳萌生通常发生在材料表面或内部缺陷处，由于局部塑性变形累积导致微裂纹形成。随着循环载荷的继续作用，微裂纹逐渐扩展，最终导致剩余截面无法承受载荷而突然断裂。疲劳分析方法疲劳分析主要包括应力寿命法(S-N法)、应变寿命法(ε-N法)和断裂力学方法。S-N法适用于高循环疲劳，基于名义应力与循环次数关系；ε-N法适用于低循环疲劳，考虑局部塑性应变的影响；断裂力学方法则关注裂纹扩展行为。在工程实践中，疲劳分析还需考虑平均应力、应力集中、表面粗糙度、环境因素以及载荷谱特性等多种影响因素。通过合理的分析方法和安全系数，可以有效预测结构的疲劳寿命并指导疲劳设计。雨流计数法：原理和步骤应力时程转换将时间域应力历程转换为峰谷序列，消除小波动，保留关键转折点旋转时程图将峰谷图旋转90度，使时间轴垂直向下，应力值在水平方向表示雨流滴落想象雨滴从每个峰谷点流下，按特定规则确定流动路径和终止条件循环提取每个完整的雨流路径构成一个应力循环，记录其幅值和平均值损伤累积基于提取的循环信息，使用Miner线性累积损伤理论计算总疲劳损伤雨流计数法是处理随机载荷谱最广泛应用的方法，它能有效识别和提取复杂应力历程中的闭合滞回环，将不规则波形转化为一系列等幅循环，便于进行疲劳寿命评估。该方法的核心思想是模拟雨水沿着应力-时间曲线流下的路径，根据特定规则确定每个循环的起止点。高振幅应力分析特征与挑战高振幅应力循环通常发生在低循环疲劳(LCF)区域，每次循环都可能导致材料局部进入塑性状态，产生累积损伤。与高循环疲劳不同，低循环疲劳中塑性应变的贡献不可忽略，需要特殊的分析方法。高振幅应力分析面临的主要挑战包括：材料响应的非线性特性、累积塑性变形的准确评估、循环硬化或软化效应的考虑以及环境因素的影响等。传统的基于线性弹性理论的方法在这种情况下可能产生显著误差。分析方法应变寿命法(ε-N)是高振幅应力分析的主要工具，它基于Coffin-Manson关系和Basquin方程，将总应变幅值分解为弹性和塑性两部分，分别评估它们对疲劳寿命的贡献。这种方法需要材料的循环应力-应变曲线和应变-寿命曲线作为基础数据。在实际应用中，通常结合神经网络有限元分析(NNFE)和弹塑性有限元分析(EPFEA)等先进技术，模拟高振幅循环载荷下结构的弹塑性响应，评估关键部位的应变状态和累积损伤情况，为寿命预测和设计改进提供依据。跨越屈服强度的应力影响永久变形结构产生不可恢复的形状变化强度变化材料硬化或软化改变后续行为应力重分布应力从高应力区转移到低应力区残余应力卸载后结构内部保留应力4当应力超过材料屈服强度时，结构将进入塑性变形阶段，这会对结构的性能和安全性产生多方面影响。最直接的影响是产生永久变形，即使载荷完全移除，结构也无法恢复到原始形状。这可能导致配合间隙变化、密封面变形或整体几何尺寸偏差，影响功能实现。另一个重要影响是材料性能的改变。对于大多数金属材料，初次塑性变形后会发生应变硬化，后续变形需要更高的应力；而对于某些材料，可能发生应变软化现象。此外，塑性变形区与弹性区之间的不协调会在卸载后产生残余应力，这可能对疲劳性能和断裂行为产生显著影响。在某些特殊设计中，可以利用这种塑性变形的特性进行自应力设计或应力消除热处理，优化结构的性能和可靠性。微观结构变化与应力关系位错密度增加当金属材料承受塑性变形时，晶体内部的位错密度急剧增加，从初始状态的10^8/cm2上升到10^12/cm2量级。这些位错相互缠结和阻碍