疲劳分析简介参考幻灯片
合集下载
h-疲劳现象及其一般规律PPT课件
38
尺寸因素
弯曲疲劳和扭转疲劳试验时，随试样尺寸因素增加， 疲劳极限下降，强度越高，疲劳极限下降得愈多——尺 寸效应。
原因：试样表面拉应力相等情况下，尺寸大的试样， 从表面到心部的应力梯度小，处于高应力区的体积大， 在交变载荷下受损伤区域大，存在缺陷的几率也高，因 而疲劳极限下降。
39
三、残余应力及表面强化的影响
42
3.非金属夹杂物及冶金缺陷
非金属夹杂物是萌生疲劳裂纹的发源地之一，减少夹 杂物的数量，减小夹杂的尺寸,改变夹杂物与基体之间的 结合面性质等都能有效地提高疲劳强度。
25
(3)疲劳极限与静强度间的关系 材料的疲劳极限是通过疲劳试验获得的。另外，可
以根据材料的静强度来近似估算。试验表明，材料的 抗拉强度越大，其疲劳极限也越大（定性规律性）。
对于中、低强度钢，疲劳极限与抗拉强度之间大致 呈线性关系，可近似认为， σ-1=0.5σb。当σb较高 时，这种关系偏离较大。
如新机器在空载或不满载条件下跑合一段时间，一方面 可使运动配合部分啮合的更好，另一方面利用次载锻炼提高 机件的疲劳极限，延长使用寿命。
36
间歇：对具有强烈应变时效的钢如20、4540Cr等在 零载下间歇的疲劳寿命表明，每隔25000周次不加载 间歇5分钟后的疲劳曲线与连续实验相比，向右下方移 动，即疲劳寿命提高。适当的间歇时间和间隔周次可相 应得到最高的疲劳寿命。 温度：温度由+20℃下降到-180 ℃，结构钢的疲劳 强度增加一倍；温度升高到300 ℃以上时，每升高 100 ℃，钢的疲劳强度降低15~20%。
温度升高，疲劳强度下降。
37
二、 表面状态的影响
缺口（应力集中） 机件表面的缺口应力集中，往往是引起疲劳破坏的主要原
尺寸因素
弯曲疲劳和扭转疲劳试验时，随试样尺寸因素增加， 疲劳极限下降，强度越高，疲劳极限下降得愈多——尺 寸效应。
原因：试样表面拉应力相等情况下，尺寸大的试样， 从表面到心部的应力梯度小，处于高应力区的体积大， 在交变载荷下受损伤区域大，存在缺陷的几率也高，因 而疲劳极限下降。
39
三、残余应力及表面强化的影响
42
3.非金属夹杂物及冶金缺陷
非金属夹杂物是萌生疲劳裂纹的发源地之一，减少夹 杂物的数量，减小夹杂的尺寸,改变夹杂物与基体之间的 结合面性质等都能有效地提高疲劳强度。
25
(3)疲劳极限与静强度间的关系 材料的疲劳极限是通过疲劳试验获得的。另外，可
以根据材料的静强度来近似估算。试验表明，材料的 抗拉强度越大，其疲劳极限也越大（定性规律性）。
对于中、低强度钢，疲劳极限与抗拉强度之间大致 呈线性关系，可近似认为， σ-1=0.5σb。当σb较高 时，这种关系偏离较大。
如新机器在空载或不满载条件下跑合一段时间，一方面 可使运动配合部分啮合的更好，另一方面利用次载锻炼提高 机件的疲劳极限，延长使用寿命。
36
间歇：对具有强烈应变时效的钢如20、4540Cr等在 零载下间歇的疲劳寿命表明，每隔25000周次不加载 间歇5分钟后的疲劳曲线与连续实验相比，向右下方移 动，即疲劳寿命提高。适当的间歇时间和间隔周次可相 应得到最高的疲劳寿命。 温度：温度由+20℃下降到-180 ℃，结构钢的疲劳 强度增加一倍；温度升高到300 ℃以上时，每升高 100 ℃，钢的疲劳强度降低15~20%。
温度升高，疲劳强度下降。
37
二、 表面状态的影响
缺口（应力集中） 机件表面的缺口应力集中，往往是引起疲劳破坏的主要原
《工作疲劳》幻灯片
疲劳部位与职业的关系
部位 头部
眼部
颈部 耳部 肩部 腕部 肘部 胸部 腹部
职业、作业及环境
写作、谈话、讲课、听课等为脑程度强的工作，环境充斥CO， CO2换气不良 监视作业、计算机作业，显微镜作业，透视、校正、焊接； 在低照度条件下作业
上下观察作业 听诊作业，铆接等噪音大的作业 搬运，肩及上肢作业、使用计算机 手连续动作的作业：钳工、打字、手工研磨等手工作业 小臂连续性作业 吹气以及胸部支撑性作业 摩托车、三轮车驾驶，腹部牵引及推挡作业
《工作疲劳》幻灯片
本课件PPT仅供大家学习使用 学习完请自行删除，谢谢！ 本课件PPT仅供大家学习使用 学习完请自行删除，谢谢！ 本课件PPT仅供大家学习使用 学习完请自行删除，谢谢！ 本课件PPT仅供大家学习使用 学习完请自行删除，谢谢！
本章内容
1 疲劳概述 2 疲劳的表象 3 疲劳的种类 4 疲劳产生的机理 5 疲劳的检测方法 6 疲劳的规律 7 降低工作疲劳的途径
(4)生化变化理论
在劳动中，由于作业及环境引起体内平衡紊乱状态而产生疲 劳。即肌肉活动和收缩时，减少了体内淀粉的含量，分解为乳 酸，放出热能(121kJ／克)供肌肉活动，当体内淀粉含量缺乏 或供不应求时，就产生明显的疲劳表象。当身体休整后，肝脏 又源源不断地提供动物淀粉，肌肉本身也有能力将一局部乳酸 恢复为淀粉，另一局部送回肝脏重新合成，使得劳动状态继续 进展下去。
化倾向。感觉机能、运动机能、代谢机能均会发生不协 调，造成体力不支，植物神经紊乱，作业效率下降，还 会造成各种过失。疲劳的积累还会逐渐演化为器质性病 变。
〔2〕精神疲劳
也叫脑力疲劳，即用脑过度，大脑神经活动处于抑制状 态的现象。
一般来说，脑重1400g，只占全身重量2％，却拥有心 脏流出血液的20％，作业者从事紧张的脑力劳动时，血 耗量骤增，倘假设供血中止15s。即将神志昏迷，中止 4min，大局部脑细胞受到破坏以致无法恢复。
《疲劳断裂分析》PPT课件
如右图所示：雨流路径为A-B-D-E -A´
5. 随机载荷谱与循环计数法：
简化雨流计数法：
第三步：记下雨滴流过的最大峰、 谷值，作为一个循环。第一次流 经的路径，给出的循环为ADA´， 载荷历程可有图中读出：
Δσ=5-（-4）=9 σm=[5+（-4）]/2=0.5
5. 随机载荷谱与循环计数法：
C (0.9b )m 106
4.14
将4.14式所得值带入4.1式则可得近似103－106 内的S-N曲线，预测结果偏保守。
4.1 应力疲劳
1. S-N 曲线：近似估计
假设当N=103时，有：
1 0.9b
疲劳极限取偏保守估计即：
N 106时
1 k b
k：式4.5-4.10中系数 将4.11和4.12带入Sm·N=C ,可得：
k
D
Di
ni
/
N i
1.75
1
1
因此，如σ=200MPa，则构件会发生破坏，应降低应力水平。
令σ=150MPa，则计算后可得：
k
D
Di
ni
/
N i
0.985
1
1
由此可得，基本上可承受的最大应力水平为150MPa。
Miner理论的应用实例：
例4-3：已知构件的S-N曲线满足σ2N=2.5*1010,一年内承受的载荷
破坏准则为：
D
ni
/
N i
1
4.23
变幅载荷谱
线性累计损伤
4.1 应力疲劳
4. Miner线性累计损伤理论：
Miner理论的应用步骤：
① 确定构件在设计寿命期的载荷谱，确定拟用的设计载荷或者应 力水平；
5. 随机载荷谱与循环计数法：
简化雨流计数法：
第三步：记下雨滴流过的最大峰、 谷值，作为一个循环。第一次流 经的路径，给出的循环为ADA´， 载荷历程可有图中读出：
Δσ=5-（-4）=9 σm=[5+（-4）]/2=0.5
5. 随机载荷谱与循环计数法：
C (0.9b )m 106
4.14
将4.14式所得值带入4.1式则可得近似103－106 内的S-N曲线，预测结果偏保守。
4.1 应力疲劳
1. S-N 曲线：近似估计
假设当N=103时，有：
1 0.9b
疲劳极限取偏保守估计即：
N 106时
1 k b
k：式4.5-4.10中系数 将4.11和4.12带入Sm·N=C ,可得：
k
D
Di
ni
/
N i
1.75
1
1
因此，如σ=200MPa，则构件会发生破坏，应降低应力水平。
令σ=150MPa，则计算后可得：
k
D
Di
ni
/
N i
0.985
1
1
由此可得，基本上可承受的最大应力水平为150MPa。
Miner理论的应用实例：
例4-3：已知构件的S-N曲线满足σ2N=2.5*1010,一年内承受的载荷
破坏准则为：
D
ni
/
N i
1
4.23
变幅载荷谱
线性累计损伤
4.1 应力疲劳
4. Miner线性累计损伤理论：
Miner理论的应用步骤：
① 确定构件在设计寿命期的载荷谱，确定拟用的设计载荷或者应 力水平；
C1-第五节 疲劳22页PPT
例如：锻锤的锤杆、锻模、汽缸盖螺栓；齿轮 等也有一些冲击载荷。
在绝大多数情况下，机件承受的冲击载荷造成 冲击疲劳断裂而不是一次冲击断裂。对这类机件应 主要考虑强度问题，适当提高塑性和韧性能提高其 使用寿命。
冲击疲劳具有以下特点：
1、与低周疲劳相似，冲击能量高时，材料的 冲击疲劳抗力主要取决于塑性；冲击能量低时， 冲击疲劳抗力则主要取决于强度。
定义：
qf
Kf Kt
1 1
其中：Kt——理论应力集中系数，可从有关手册中查到； Kf——疲劳缺口应力集中系数，
为光滑试样的疲劳极限与缺口试样的疲劳极限之比，即Kf= -1/-1N。
qf值一般在0～1之间变化， 若-1＝ -1N，qf=0，材料对缺口不敏感。若qf=1，材料对缺口很 敏感。
在高周疲劳时，大多数金属对缺口十分敏感； 但在低周疲劳时，它们对缺口不太敏感，因为缺口根部一部分区 域已处于塑性区，应力集中降低。
显微组织：用细化晶粒的方法，可以提高材料的疲劳 强度。
非金属夹杂物和冶金缺陷：减少夹杂物的数量及尺寸都 能有效地提高疲劳强度。
小结
• 疲劳是金属材料在交变载荷作用下的失效形式。 • 疲劳的特点：低应力循环延时断裂；疲劳断裂是脆性
疲劳的特点
（1）疲劳是低应力循环延时断裂
（2）疲劳断裂是脆性断裂 （3）疲劳对缺陷（缺口、裂纹和组织缺陷）十分敏感 （4）疲劳断裂也是裂纹萌生、扩展和最终断裂的过
程。在断口上有疲劳源区、裂纹扩展区和终断 区。疲劳源往往在表面及缺陷处。
疲劳裂纹 扩展区
疲劳源
贝纹线
裂纹扩展 方向
终断区
二、疲劳极限
1、疲劳曲线及疲劳极限
疲劳极限与静强度之间存在较好的对应关系
在绝大多数情况下，机件承受的冲击载荷造成 冲击疲劳断裂而不是一次冲击断裂。对这类机件应 主要考虑强度问题，适当提高塑性和韧性能提高其 使用寿命。
冲击疲劳具有以下特点：
1、与低周疲劳相似，冲击能量高时，材料的 冲击疲劳抗力主要取决于塑性；冲击能量低时， 冲击疲劳抗力则主要取决于强度。
定义：
qf
Kf Kt
1 1
其中：Kt——理论应力集中系数，可从有关手册中查到； Kf——疲劳缺口应力集中系数，
为光滑试样的疲劳极限与缺口试样的疲劳极限之比，即Kf= -1/-1N。
qf值一般在0～1之间变化， 若-1＝ -1N，qf=0，材料对缺口不敏感。若qf=1，材料对缺口很 敏感。
在高周疲劳时，大多数金属对缺口十分敏感； 但在低周疲劳时，它们对缺口不太敏感，因为缺口根部一部分区 域已处于塑性区，应力集中降低。
显微组织：用细化晶粒的方法，可以提高材料的疲劳 强度。
非金属夹杂物和冶金缺陷：减少夹杂物的数量及尺寸都 能有效地提高疲劳强度。
小结
• 疲劳是金属材料在交变载荷作用下的失效形式。 • 疲劳的特点：低应力循环延时断裂；疲劳断裂是脆性
疲劳的特点
（1）疲劳是低应力循环延时断裂
（2）疲劳断裂是脆性断裂 （3）疲劳对缺陷（缺口、裂纹和组织缺陷）十分敏感 （4）疲劳断裂也是裂纹萌生、扩展和最终断裂的过
程。在断口上有疲劳源区、裂纹扩展区和终断 区。疲劳源往往在表面及缺陷处。
疲劳裂纹 扩展区
疲劳源
贝纹线
裂纹扩展 方向
终断区
二、疲劳极限
1、疲劳曲线及疲劳极限
疲劳极限与静强度之间存在较好的对应关系
疲劳试验 ppt课件
一疲劳曲线1对称循环疲劳曲线n曲线p96图531有水平段的疲劳曲线钢2无水平段的疲劳曲线有色金属不锈钢等三疲劳曲线和疲劳极限二疲劳极限1对称疲劳极限97循环载荷r1
第四章 疲劳试验
引言
材料构件在变动应力和应变的长期作用下， 由于累积损伤而引起的断裂的现象——疲劳。
疲劳属低应力循环延时断裂。 不产生明显的塑性变形，呈现突然的脆断。 ∴疲劳断裂是一种非常危险的断裂。 ∴工程中研究疲劳的规律、机理、力学性能指 标、影响因素等，就具有重要的意义。
（二）疲劳极限
1、对称疲劳极限 97 循环载荷，r=-1。 σ-1，τ-1，σ-1p（对称拉压）Leabharlann 2、不对称循环疲劳极限（σr）
利用已知的对称循环疲劳极限，用工程作图法求得各 种不对称循环疲劳极限。
或者采用回归的公式求得。 （1）应力幅σa~平均应力σm图
y轴上的边界点为0和σ-1 x轴上的边界点为0和σb
铜及轻合金：τ-1=0.55σ-1，铸铁τ-1=0.8σ-1 σ-1>σ-1p>τ-1
三、疲劳极限与静强度之间的关系
钢：σ-1p=0.23（σs+σb） σ-1=0.27（σs+σb）
铸铁：σ-1p=0.4σb σ-1=0.45σb
铝合金：σ-1p=σb/6 +7.5(MPa) σ-1p=σb/6 -7.5(MPa)
第二节 疲劳抗力指标及其测定
一、疲劳极限的测定
第一步 采用升降法测定条件疲劳极限， 第二步 用成组法测定σ一N曲线有限寿命段上各 点的数据， 第三步 绘制σ一N曲线。
二、不同应力状态下的疲劳极限 根据大量的实验结果，弯曲与拉压、扭转疲劳
极限之间的关系： 钢：σ-1p=0.85σ-1，铸铁σ-1p=0.65σ-1
第四章 疲劳试验
引言
材料构件在变动应力和应变的长期作用下， 由于累积损伤而引起的断裂的现象——疲劳。
疲劳属低应力循环延时断裂。 不产生明显的塑性变形，呈现突然的脆断。 ∴疲劳断裂是一种非常危险的断裂。 ∴工程中研究疲劳的规律、机理、力学性能指 标、影响因素等，就具有重要的意义。
（二）疲劳极限
1、对称疲劳极限 97 循环载荷，r=-1。 σ-1，τ-1，σ-1p（对称拉压）Leabharlann 2、不对称循环疲劳极限（σr）
利用已知的对称循环疲劳极限，用工程作图法求得各 种不对称循环疲劳极限。
或者采用回归的公式求得。 （1）应力幅σa~平均应力σm图
y轴上的边界点为0和σ-1 x轴上的边界点为0和σb
铜及轻合金：τ-1=0.55σ-1，铸铁τ-1=0.8σ-1 σ-1>σ-1p>τ-1
三、疲劳极限与静强度之间的关系
钢：σ-1p=0.23（σs+σb） σ-1=0.27（σs+σb）
铸铁：σ-1p=0.4σb σ-1=0.45σb
铝合金：σ-1p=σb/6 +7.5(MPa) σ-1p=σb/6 -7.5(MPa)
第二节 疲劳抗力指标及其测定
一、疲劳极限的测定
第一步 采用升降法测定条件疲劳极限， 第二步 用成组法测定σ一N曲线有限寿命段上各 点的数据， 第三步 绘制σ一N曲线。
二、不同应力状态下的疲劳极限 根据大量的实验结果，弯曲与拉压、扭转疲劳
极限之间的关系： 钢：σ-1p=0.85σ-1，铸铁σ-1p=0.65σ-1
疲劳查房PPT课件
02
症状：体重下降、 肌肉萎缩、疲劳 无力等
03
护理措施：调整 饮食、增加营养 摄入、补充维生 素和矿物质等
04
预防措施：保持 良好的作息习惯、 合理饮食、适当 运动等
护理措施
疼痛护理
01
评估疼痛程度：使用疼痛评 分量表，如视觉模拟量表 （VAS）
02
制定疼痛管理计划：根据评 估结果，制定个性化的疼痛 管理计划
06
家庭成员之间要互相关心和 支持，共同维护家庭健康
就医指导与建议
01
及时就医：出现疲劳症状时， 及时就医，避免延误病情
03
配合治疗：积极配合医生治疗， 遵循医嘱，按时服药
选择医院：选择正规医院，确 保医疗质量和安全
02
健康生活：保持良好的生活习 惯，合理饮食，充足睡眠，适 当运动，保持良好的心态
体检发现：医生对患者的 体格检查结果
治疗效果：治疗后患者的 症状改善和恢复情况
诊断：根据病史、体检和 辅助检查结果做出的诊断
患者当前状况及问题
患者基本信息：年龄、 性别、职业等
主诉：患者自述的症 状和问题
现病史：患者近期的 病情变化和就诊经历
既往史：患者过去的 疾病和治疗情况
体格检查：患者的生 命体征、神经系统检
诊断：根据病史、体格检查 和辅助检查做出的诊断
患者病史及治疗经过
主诉：患者自述的症状和 感受
既往史：患者过去的疾病 和治疗情况
辅助检查：实验室检查、 影像学检查等结果
治疗方案：针对诊断制定 的治疗计划和措施
出院指导：出院后患者的 注意事项和随访要求
患者基本信息：姓名、年 龄、性别、职业等
现病史：发病时间、持续 时间、病情发展等
《运动性疲劳》幻灯片PPT
有助于选择客观指 标评定疲劳。〔如 心率、血乳酸、最 大摄氧量等〕
运动性疲劳的概念
在运动过程中出现了机 体工作(运动)能力暂时 性降低，但经过适当的 休息和调整以后可以恢 复原有机能水平的一种 生理现象
力竭
是指肌肉或器官完全不可能维持运动 出现运动性疲劳以后继续保持原有的运
动,使疲劳加重会导致力竭(极度疲劳)， 使运动性疲劳演变成一种病理现象，从 而危害安康
生理指标测定法
骨骼肌系统疲劳测定
肌肉力量：肌肉疲劳最明显 特征是肌力下降。运动后肌 力明显下降而且不能及时恢 复，可视为肌肉疲劳。
肌肉硬度：运动后即刻或次 日，自我感觉肌肉酸胀、僵 硬和疼痛，表示肌肉硬度增 加。
心血管系统疲劳诊断
心率 〔1〕晨脉：运动后次日晨脉较平时
增5-10次/分，可认为有疲劳累积。 〔2〕运动心率：完成一样强度运动，
长时间剧烈运动使代谢产物堆积，导致代谢性 酸中毒，血液pH下降、高渗性脱水、血压、 渗透改变等引起疲劳
疲劳链学说
运动中肌肉工作能力的下降是疲劳的表现 不仅与神经肌肉疲劳控制链有关，而且也受神
经-内分泌、免疫、代谢网络疲劳链的影响 神经冲动单位募集降低、神经-肌肉间转换的
损害、离子平衡的紊乱、肌肉兴奋性的损害、 肌肉能量供给的减少及肌肉受损等
水盐代谢紊乱
运动脱水，引起 细胞内外水平衡、 电解质平衡出现 紊乱，导致细胞 兴奋性改变，代 谢能力下降。
保护性抑制
运动过程中，组织器官能量物质大量消 耗，传导神经兴奋性的神经递质消耗， 为保护机体进一步衰竭而带来不利影响， 大脑皮层兴奋性下降，引起疲劳。
突变理论
该理论认为：疲劳时在能量物质和兴奋性不断 丧失的过程中，存在一个急剧下降的突变峰， 使兴奋性突然崩溃，这可防止能量储藏进一步 下降而产生破坏性的变化
运动性疲劳的概念
在运动过程中出现了机 体工作(运动)能力暂时 性降低，但经过适当的 休息和调整以后可以恢 复原有机能水平的一种 生理现象
力竭
是指肌肉或器官完全不可能维持运动 出现运动性疲劳以后继续保持原有的运
动,使疲劳加重会导致力竭(极度疲劳)， 使运动性疲劳演变成一种病理现象，从 而危害安康
生理指标测定法
骨骼肌系统疲劳测定
肌肉力量：肌肉疲劳最明显 特征是肌力下降。运动后肌 力明显下降而且不能及时恢 复，可视为肌肉疲劳。
肌肉硬度：运动后即刻或次 日，自我感觉肌肉酸胀、僵 硬和疼痛，表示肌肉硬度增 加。
心血管系统疲劳诊断
心率 〔1〕晨脉：运动后次日晨脉较平时
增5-10次/分，可认为有疲劳累积。 〔2〕运动心率：完成一样强度运动，
长时间剧烈运动使代谢产物堆积，导致代谢性 酸中毒，血液pH下降、高渗性脱水、血压、 渗透改变等引起疲劳
疲劳链学说
运动中肌肉工作能力的下降是疲劳的表现 不仅与神经肌肉疲劳控制链有关，而且也受神
经-内分泌、免疫、代谢网络疲劳链的影响 神经冲动单位募集降低、神经-肌肉间转换的
损害、离子平衡的紊乱、肌肉兴奋性的损害、 肌肉能量供给的减少及肌肉受损等
水盐代谢紊乱
运动脱水，引起 细胞内外水平衡、 电解质平衡出现 紊乱，导致细胞 兴奋性改变，代 谢能力下降。
保护性抑制
运动过程中，组织器官能量物质大量消 耗，传导神经兴奋性的神经递质消耗， 为保护机体进一步衰竭而带来不利影响， 大脑皮层兴奋性下降，引起疲劳。
突变理论
该理论认为：疲劳时在能量物质和兴奋性不断 丧失的过程中，存在一个急剧下降的突变峰， 使兴奋性突然崩溃，这可防止能量储藏进一步 下降而产生破坏性的变化
疲劳分析.ppt
Stress Life Analysis
PAT 318 Course Notes
Introduction to MSC/FATIGUE
部件S-N曲线
Component S-N curves
• 在某些情形如结构或特征存在点焊等需要修 正材料S-N曲线（但通常是较困难的）
For some components or features, especially structural joints such as welds, there are so many things modifying the behaviour of the base material that there is little point in applying corrections to a material S-N curve
Notched Shaft
Log (fatigue life)
缺口试样
Some of Wohler’s data for rotating bending tests
Copyright © 1999 MacNeal Schwendler Corporation
Lec 16-7
Stress Life Analysis
设计寿命下的疲劳强度
determination of a fatigue strength at a specified life
通过改变材料或表面处理提高抗疲劳能力
demonstration of improved fatigue resistance from a material or surface treatment
• 在MSC/FATIGUE SN分析中有限元弹性计算结果可直接 利用（无塑性修正）
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
• E-N (Strain-Life方法) 局部应变与裂纹萌生寿命的关系
• LEFM (裂纹扩展方法) – 应力强度与裂纹扩展速率的关系
所有的方法均都基于相似性原理
PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright© 2012 MSC.Software Corporation
耐久性和疲劳分析概述
PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright© 2012 MSC.Software Corporation
S1 - 1
什么是耐久性?
• 耐久性是…
“保证其经久耐用的能力!”
• 可靠性是…
“在规定的条件下、在规定的时间内完成规定的功能的机 会!”
PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright© 2012 MSC.Software Corporation
S1 - 2
疲劳定义
参照BS 7608:
“疲劳是指反复应力作用下裂纹或裂纹群的产生和逐步扩 展所导致的结构部件破坏的现象”
• 从实践角度，疲劳是： – 在不断变化下的负载作用下导致失效的过程，并且实际应力值低于屈服强度; – 由裂纹萌生和随后的裂纹扩展组成，裂纹萌生和裂纹扩展是塑性变形不断循环 的结果。
S1 - 13
应变-寿命 (E-N)曲线
● 也称作“低周期疲劳” 或“局部应变方法” ● 局部应变可以是弹性或塑性，因此它适于低周期疲劳。
Plastic (Low Cycle
– 表面上的自然划痕和加工痕; – 腐蚀坑或晶间腐蚀; – 铸造气孔; – 锻造成型留下的圈痕; – 脆面层
PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright© 2012 MSC.Software Corporation
S1 - 5
裂纹的产生和扩展: STAGE I AND II
PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright© 2012 MSC.Software Corporation
S1 - 11
E-N 方法
• 也称作局部应变方法，裂纹萌生方法，和应变-寿命方法。
• E-N方法是汽车行业里评估寿命方法中最常用的一个。
• 实际上，裂纹萌生意味着已经有1-2mm的裂纹发生。这往往在部 initiation life here . . . . . is the same as it is here . . . . . if both experience the same local strains
PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright© 2012 MSC.Software Corporation
S1 - 9
S-N 方法
• 也称为应力-寿命和全寿命方法 • 评估产生严重失效的总疲劳寿命 • 疲劳寿命由对数应力-循环(S-N)曲线计算 • 该方法适合于长寿命疲劳失效问题，因为该方法是基于名义弹性应力，即使
有小的塑性发生。 • 疲劳寿命评估与失效概率相关，因为S-N曲线上有一定的分散性。
PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright© 2012 MSC.Software Corporation
PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright© 2012 MSC.Software Corporation
S1 - 6
裂纹的产生和扩展: STAGE I AND II (续)
~1mm
Persistent Slip Band Formation
PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright© 2012 MSC.Software Corporation
S1 - 10
Stress Amplitude
S-N 方法 – 相似理论
Unnot ched Shaft Notched Shaft Life in Cycles
snom
s nom
The life of this . . . . . . . . . . . . . . . . is the same as the life of this . . . . . if both are subject to the same nominal stress
• 许多汽车部件的设计允许使用中出现大的塑性变形(特别是在试车场)。这种情 况下 E-N方法比基于忽略塑性变形的S-N方法更好。
PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright© 2012 MSC.Software Corporation
S1 - 12
E-N方法- 相似理论
Stage I Crack Growth
S1 - 7
Stage II Crack Growth
疲劳寿命计算方法概述
PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright© 2012 MSC.Software Corporation
S1 - 8
疲劳寿命方法
• S-N (Stress-Life方法) 名义或局部弹性应力与总寿命的关系
PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright© 2012 MSC.Software Corporation
S1 - 3
疲劳的物理基础
• 疲劳失效通常开始于样品或部件的表面 • 疲劳失效开始于小的微观裂纹，因此对微小的应力增加都非常敏感 • 疲劳的过程包含从持续的滑移带上微小裂纹的生成到持续弹塑性变形下
长裂纹的扩展整个过程
PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright© 2012 MSC.Software Corporation
S1 - 4
疲劳的物理基础(续)
小裂纹产生的原因很多:
– 第二相粒子的裂变或界面脱离(cracking or debonding of second phase particles);
• LEFM (裂纹扩展方法) – 应力强度与裂纹扩展速率的关系
所有的方法均都基于相似性原理
PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright© 2012 MSC.Software Corporation
耐久性和疲劳分析概述
PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright© 2012 MSC.Software Corporation
S1 - 1
什么是耐久性?
• 耐久性是…
“保证其经久耐用的能力!”
• 可靠性是…
“在规定的条件下、在规定的时间内完成规定的功能的机 会!”
PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright© 2012 MSC.Software Corporation
S1 - 2
疲劳定义
参照BS 7608:
“疲劳是指反复应力作用下裂纹或裂纹群的产生和逐步扩 展所导致的结构部件破坏的现象”
• 从实践角度，疲劳是： – 在不断变化下的负载作用下导致失效的过程，并且实际应力值低于屈服强度; – 由裂纹萌生和随后的裂纹扩展组成，裂纹萌生和裂纹扩展是塑性变形不断循环 的结果。
S1 - 13
应变-寿命 (E-N)曲线
● 也称作“低周期疲劳” 或“局部应变方法” ● 局部应变可以是弹性或塑性，因此它适于低周期疲劳。
Plastic (Low Cycle
– 表面上的自然划痕和加工痕; – 腐蚀坑或晶间腐蚀; – 铸造气孔; – 锻造成型留下的圈痕; – 脆面层
PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright© 2012 MSC.Software Corporation
S1 - 5
裂纹的产生和扩展: STAGE I AND II
PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright© 2012 MSC.Software Corporation
S1 - 11
E-N 方法
• 也称作局部应变方法，裂纹萌生方法，和应变-寿命方法。
• E-N方法是汽车行业里评估寿命方法中最常用的一个。
• 实际上，裂纹萌生意味着已经有1-2mm的裂纹发生。这往往在部 initiation life here . . . . . is the same as it is here . . . . . if both experience the same local strains
PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright© 2012 MSC.Software Corporation
S1 - 9
S-N 方法
• 也称为应力-寿命和全寿命方法 • 评估产生严重失效的总疲劳寿命 • 疲劳寿命由对数应力-循环(S-N)曲线计算 • 该方法适合于长寿命疲劳失效问题，因为该方法是基于名义弹性应力，即使
有小的塑性发生。 • 疲劳寿命评估与失效概率相关，因为S-N曲线上有一定的分散性。
PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright© 2012 MSC.Software Corporation
PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright© 2012 MSC.Software Corporation
S1 - 6
裂纹的产生和扩展: STAGE I AND II (续)
~1mm
Persistent Slip Band Formation
PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright© 2012 MSC.Software Corporation
S1 - 10
Stress Amplitude
S-N 方法 – 相似理论
Unnot ched Shaft Notched Shaft Life in Cycles
snom
s nom
The life of this . . . . . . . . . . . . . . . . is the same as the life of this . . . . . if both are subject to the same nominal stress
• 许多汽车部件的设计允许使用中出现大的塑性变形(特别是在试车场)。这种情 况下 E-N方法比基于忽略塑性变形的S-N方法更好。
PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright© 2012 MSC.Software Corporation
S1 - 12
E-N方法- 相似理论
Stage I Crack Growth
S1 - 7
Stage II Crack Growth
疲劳寿命计算方法概述
PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright© 2012 MSC.Software Corporation
S1 - 8
疲劳寿命方法
• S-N (Stress-Life方法) 名义或局部弹性应力与总寿命的关系
PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright© 2012 MSC.Software Corporation
S1 - 3
疲劳的物理基础
• 疲劳失效通常开始于样品或部件的表面 • 疲劳失效开始于小的微观裂纹，因此对微小的应力增加都非常敏感 • 疲劳的过程包含从持续的滑移带上微小裂纹的生成到持续弹塑性变形下
长裂纹的扩展整个过程
PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright© 2012 MSC.Software Corporation
S1 - 4
疲劳的物理基础(续)
小裂纹产生的原因很多:
– 第二相粒子的裂变或界面脱离(cracking or debonding of second phase particles);