6.疲劳计算
应用材料综合训练题及参考答案
一、名词解释1.金属的力学性能2.强度3.塑性4.硬度5.韧性6.疲劳强度二、填空题1.金属材料的力学性能主要包括、、、、等。
2.拉伸低碳钢时，试样的变形可分为、、和四个阶段。
3.通过拉伸试验测得的强度指标主要有强度和强度，分别用符号和表示。
4.金属材料的塑性也可通过拉伸试验测定，主要的指标有和，分别用符号和表示。
5.洛氏硬度采用了不同的压头和载荷组成不同的硬度标尺，常用的洛氏硬度标尺有、和三种，其中应用最为广泛。
6.530HBW5/750，表示用直径的硬质合金球，在 kgf（ N）的载荷作用下，保持 s时测得的硬度值为。
7.工程技术上常用来测定金属承受冲击载荷的能力。
8.材料经过无限次载荷作用而不发生断裂的最大应力，称为疲劳强度，用符号表示。
三、选择题1.拉伸试验时，试样在断裂前所能承受的最大应力称为材料的（）。
A．屈服强度 B．抗拉强度 C．弹性极限2. 测定淬火钢件的硬度，一般常选用（）来测试。
A．布氏硬度计 B．洛氏硬度计 C．维氏硬度计3．金属材料的（）越好，则其压力加工性能越好。
A．强度 B. 塑性 C．硬度4. 做疲劳试验时，试样所承受的载荷为（）。
A．静载荷 B. 冲击载荷 C．交变载荷四、简答题1.什么是强度、塑性？衡量它们的指标各有哪些？分别用什么符号表示？2.什么是硬度？常用的硬度测定方法有哪几种？布氏硬度、洛氏硬度各适用于哪些材料的硬度？3.下列硬度标注方法是否正确？为什么？（1）210～240HBS （2）450～480HBS （3）15～20HRC （4）800～850HBW4.下列零件用什么硬度测试方法测定其硬度？（1）钳工用锉刀、手锤（2）供应态碳钢型材（3）渗氮层5.什么是冲击韧性？可以用什么符号表示？6.什么叫金属的疲劳？疲劳强度用什么符号表示？为什么疲劳断裂对机械零件危害较大？如何提高和改善机械零件的疲劳强度？7.有一标准低碳钢拉伸试样，直径为10㎜，标距长度为100㎜，在载荷为21000N时屈服，拉断试样前的最大载荷为30000N，拉断后的标距长度为133㎜，断裂处最小直径为6㎜，试计算其屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和断面收缩率。
十四、吊车梁的设计与验算
十四、吊车梁的设计与验算吊车梁跨度L=6m ，无制动结构，钢材采用Q235，焊条采用E43系列，吊车梁资料如下：吊车采用LH 型的15t 中级电动葫芦桥式吊车，查《实用建筑结构荷载手册》知：桥架宽度B=4.716m ，轨道中心至吊车外端距离b=165㎜，主梁底面至轨面距离为H 2=720㎜，轨道至起重机顶距离为H=1.43m ，大车轮距K=4.0m ，小车Q 1=3t ，大车Q=18.8t ，最大轮压P max =141KN 。
1、吊车荷载计算吊车竖向荷载动力系数05.1=α，可近似轮压乘荷载增大系数β=1.03吊车荷载分项系数4.1=Q γ，软钩吊车取10.0=η则：竖向计算轮压：KN P P mzx Q 49.2131414.103.105.1=⨯⨯⨯==αβγm KN L M ⋅===65.28462maxKN L a LP V c 33.1426)13(49.2132)2(2=-⨯⨯=-∑=（2） 吊车梁的最大剪力：KN L a L P P V c 65.2846)46(49.21349.213)(1max =-⨯+=-+= （3） 计算强度时吊车梁的最大水平弯矩：m KN M P T M c T ⋅=⨯==80.1665.28449.2136.12max（4） 吊车梁竖向荷载标准值作用于下最大弯矩（求竖向挠度用）：m KN Y M M Q X ⋅=⨯=⋅=64.1934.105.165.284max α 3、截面选择（1）按经济要求确定梁高2/215mm N f = 36max 15802151065.2842.12.1cm f M W =⨯⨯==所需经济梁高度：cm W h 553015803.7303.733=-=-=（2）按刚度要求确定梁高：容许相对挠度取，故750=⎥⎦⎤⎢⎣⎡υl 。
[min6.0⨯=f h 采用h w 700=(3) h t w w 37=+=（4f h v t v w w 2.1max ==采用h 700=截面特征：14300A +⨯=mm y 6.30813028)514676(10300)142/676(86767143300=++⨯⨯++⨯⨯+⨯⨯=12103006.3011433012143304.43867612676832323⨯+⨯⨯+⨯+⨯⨯+⨯=x I4621039.10844.38610300mm ⨯=⨯⨯+366105139.36.308/1039.1084mm W a x ⨯=⨯= 366107705.24.391/1039.1084mm W b x ⨯=⨯=上翼缘对Y 轴惯性矩：463109265.411233014mm I y ⨯=⨯=366102541.0165/109265.41mm W c y ⨯=⨯= 4、强度验算 （1）、正应力： 上翼缘226666max ./215/1.147102541.01080.16105139.31065.284mm N mm N W M W M c y t a x c <=⨯⨯+⨯⨯=+=σ 可以。
起重机械的计算载荷与计算方法
② Ⅱ类载荷组合（工作最大载荷组合或强度计算定性、 机构零部件和金属结构的静强度、刚度和失稳破坏，以及校 验电动机过载能力和制动器制动力矩。
4、风载荷
v 具有质量的空气以一定的速度 ( m吹/向s )与其相垂
直的结构物表面而被阻挡时，空气的动能便转化为势能，对
结构物产生静压力。
风载荷是一种沿任意方向的水平力。
起重机的风载荷分为工作状态风载荷和非工作状态风
载荷。
（1）、计算公式： PW Kf KhqA
式中：K f ——风力系数
K h ——风压高度变化系数
（2）强度计算载荷
①运行和回转机构： MIImax5 8Mn —5 —弹性振动增大系数， 52，/ 1。.15 1.7
②起升和非平衡变幅机构
制动器后的零件：MIImax 2Mn
其他零件：M m a x(2.0~2.5)M n 。
③平衡变幅机构
制动器后的零件： MIImax Mjmax
其他零件： M m a x(2.0。~2.5)M n
2 1cv
1
g0 y0
c——操作情况系数，安装用c=0.25，吊钩式起重机
c=0.5，抓斗式起重机c=0.75。
v——额定起升速度，m/s。
— —结构质量影响系数，
1
m1 m2
。0
y0
y0
2
—m 1—结构在物品悬挂处的折算质量，对桥架型起重
机，m 1为小车质量加上桥架质量的一半；对臂架型起重机， m 为1 臂架质量的1/3。
第6章结构件及连接的疲劳强度计算原理分解
第6章结构件及连接的疲劳强度随着社会生产力的发展，起重机械的应用越来越频繁，对起重机械的工作级别要求越来越高。
《起重机设计规范》GB/T 3811-2008规定，应计算构件及连接的抗疲劳强度。
对于结构疲劳强度计算，常采用应力比法和应力幅法，本章仅介绍起重机械常用的应力比法。
6.1 循环作用的载荷和应力起重机的作业是循环往复的，其钢结构或连接必然承受循环交变作用的载荷，在结构或连接中产生的应力是变幅循环应力，如图6-1所示。
起重机的一个工作循环中，结构或连接中某点的循环应力也是变幅循环应力。
起重机工作过程中每个工作循环中应力的变化都是随机的，难以用实验的方法确定其构件或连接的抗疲劳强度。
然而，其结构或连接在等应力比的变幅循环或等幅应力循环作用下的疲劳强度是可以用实验的方法确定的，对于起重机构件或连接的疲劳强度可以用循环记数法计算出整个循环应力中的各应力循环参数，将其转化为等应力比的变幅循环应力或转化为等平均应力的等幅循环应力。
最后，采用累积损伤理论来计算构件或连接的抗疲劳强度。
6.1.1 循环应力的特征参数(1) 最大应力一个循环中峰值和谷值两极值应力中绝对值最大的应力，用c max表示。
(2) 最小应力一个循环中峰值和谷值两极值应力中绝对值最小的应力，用c min表示。
(3) 整个工作循环中最大应力值构件或连接整个工作循环中最大应力的数值，用：？max表示。
(4) 应力循环特性值一个循环中最小应力与最大应力的比值，用r二三皿表示。
□max(5) 循环应力的应力幅一个循环中最大的应力与最小的应力的差的绝对值，用二表示。
（6）应力半幅一个循环中最大的应力与最小的应力的差的绝对值的一半，用（7）应力循环的平均值一个循环中最大的应力与最小的应力的和的平均值，用max :min）/2 r ） :max /2:二m 表示。
6.1.2 应力循环特性值的计算构件或连接单独或同时承受正应力 与最小应力比值称为循环特性值，用r x -、x min ： xmaxry、_ y min 、- y max「xy —可 xym in /可xy max匚X 、二y ）和剪应力（.xy ）作用，其最大应力 ry 、「xy 表示，按式（6-1 ）计算。
ncode疲劳分析流程
ncode疲劳分析流程nCode Fatigue 分析流程概述nCode Fatigue 是一款先进的疲劳分析软件，用于评估材料和结构在循环载荷和环境条件下的疲劳寿命。
其分析流程涉及以下关键步骤：1. 定义材料和几何导入或创建材料模型，包括应力-应变曲线、循环应力-寿命(S-N) 曲线和疲劳裂纹扩展速率 (da/dN) 曲线。
定义几何模型，包括零件几何形状、载荷施加点和约束条件。
2. 载荷和边界条件定义施加到结构上的载荷和边界条件，包括静力载荷、动力载荷和热载荷。
指定载荷时程或载荷谱，代表实际或预测的载荷条件。
3. 有限元分析 (FEA)通过 FEA 求解几何模型，以计算应力、应变和其他应力状态。
FEA 结果提供局部和全局应力分布，这些分布对于疲劳分析至关重要。
4. 疲劳损伤计算基于 FEA 结果和材料模型，计算疲劳损伤。
使用线性累积损伤理论或雨流计数算法考虑循环载荷的影响。
5. 疲劳寿命预测分析疲劳损伤分布，以预测结构的疲劳寿命。
疲劳寿命是由材料特性、结构设计和载荷条件共同决定的。
6. 灵敏度分析执行灵敏度分析以评估设计参数对疲劳寿命的影响。
通过改变材料特性、几何形状或载荷条件，可以确定最敏感的参数。
最佳实践使用准确的材料模型和几何模型。
仔细定义载荷和边界条件，代表真实情况。
校准 FEA 模型，以确保与实验结果一致。
考虑环境因素，如温度和腐蚀。
进行灵敏度分析以确定关键设计参数。
应用nCode Fatigue 可广泛应用于各种行业，包括：航空航天：飞机和发动机部件的疲劳分析汽车：汽车部件和系统的疲劳分析能源：风力涡轮机叶片和发电机部件的疲劳分析医疗设备：植入物和手术器械的疲劳分析通过遵循这些步骤和最佳实践，工程师可以使用 nCode Fatigue 准确评估结构的疲劳寿命，并优化设计以提高耐用性和安全性。
第6章结构件及连接的疲劳强度计算原理
148第6章 结构件及连接的疲劳强度随着社会生产力的发展，起重机械的应用越来越频繁，对起重机械的工作级别要求越来越高。
《起重机设计规范》GB/T 3811-2008规定，应计算构件及连接的抗疲劳强度。
对于结构疲劳强度计算，常采用应力比法和应力幅法，本章仅介绍起重机械常用的应力比法。
6.1 循环作用的载荷和应力起重机的作业是循环往复的，其钢结构或连接必然承受循环交变作用的载荷，在结构或连接中产生的应力是变幅循环应力，如图6-1所示。
起重机的一个工作循环中，结构或连接中某点的循环应力也是变幅循环应力。
起重机工作过程中每个工作循环中应力的变化都是随机的，难以用实验的方法确定其构件或连接的抗疲劳强度。
然而，其结构或连接在等应力比的变幅循环或等幅应力循环作用下的疲劳强度是可以用实验的方法确定的，对于起重机构件或连接的疲劳强度可以用循环记数法计算出整个循环应力中的各应力循环参数，将其转化为等应力比的变幅循环应力或转化为等平均应力的等幅循环应力。
最后，采用累积损伤理论来计算构件或连接的抗疲劳强度。
6.1.1 循环应力的特征参数 (1) 最大应力一个循环中峰值和谷值两极值应力中绝对值最大的应力，用max σ表示。
(2) 最小应力一个循环中峰值和谷值两极值应力中绝对值最小的应力，用min σ表示。
(3) 整个工作循环中最大应力值构件或连接整个工作循环中最大应力的数值，用max ˆσ表示。
(4) 应力循环特性值一个循环中最小应力与最大应力的比值，用minmaxr σσ=表示。
(5) 循环应力的应力幅一个循环中最大的应力与最小的应力的差的绝对值，用σ∆表示。
149,r i i N σ-曲线max min max (1)r σσσσ∆=-=-(6) 应力半幅一个循环中最大的应力与最小的应力的差的绝对值的一半，用a σ来表示。
max min /2a σσσ=-(7) 应力循环的平均值一个循环中最大的应力与最小的应力的和的平均值，用m σ表示。
第六章 疲劳与磨损
若应力变化幅度为常值，称为等幅交变应 等幅交变应 力。若应力变化幅度也是周期性变化的（图 a），或应力变化幅度具有偶然性（图b）， 称为变幅交变应力 变幅交变应力。图b所示的也称随机交变 变幅交变应力 随机交变 应力。 应力
变动应力示意图： 变动应力示意图：
+ -
+ -
+ -
+ -交变应力的描述：交变应力的描述：上图所示的齿轮传动副，观察其中一个齿， 上图所示的齿轮传动副，观察其中一个齿，该齿参与啮合就承 否则就不承载。由于该齿承受着随时间循环变化的载荷， 载，否则就不承载。由于该齿承受着随时间循环变化的载荷， 因而齿根上任一点A的弯曲正应力也随时间循环变化 的弯曲正应力也随时间循环变化。 因而齿根上任一点 的弯曲正应力也随时间循环变化。像这样 随时间而循环变化的应力称为交变应力。 随时间而循环变化的应力称为交变应力。交变应力随时间变化 的历程称为应力谱（应力－时间曲线）。 的历程称为应力谱（应力－时间曲线）。
摩擦副真实接触面积ar只有表现接触面积a的百分之一和万分之一产生塑性流动接触面积增加接触面上压力很大很容易达到材料的压缩屈服极限sy接触点塑性变形后接触面容易产生粘合现象产生结点滑动时先将结点切开设结点的剪切强度极限为则摩擦则摩擦系数sy则摩擦系数显然此时摩擦系数取决于材料的剪切强度和抗压强度材料的剪切强度越低滑动时先将粘结点切开的强度抗压强度越高摩擦系数越小
2. 疲劳破坏的基本概念
疲劳：工程构件在服役过程中， 疲劳：工程构件在服役过程中，由于承受变动载 荷或反复承受应力和应变， 荷或反复承受应力和应变，即使所受的应力低于 断裂强度或屈服强度，也会导致裂纹萌生和扩展， 断裂强度或屈服强度，也会导致裂纹萌生和扩展， 以至构件材料断裂而失效，或使其力学性质变坏， 以至构件材料断裂而失效，或使其力学性质变坏， 这一过程，或这一现象称为疲劳。 这一过程，或这一现象称为疲劳。 疲劳是一个过程， 疲劳是一个过程，疲劳破坏过程是材料内部薄 弱区域组织在变动应力作用下， 弱区域组织在变动应力作用下，逐渐发生变化和 损伤累积、开裂，当裂纹扩展达到一定程度后发 损伤累积、开裂， 生突然断裂的过程， 生突然断裂的过程，是一个从局部区域开始的损 伤累积，最终引起整理破坏的过程。 疲劳破坏过 伤累积，最终引起整理破坏的过程。(疲劳破坏过 程可以明显地分成裂纹萌生、 程可以明显地分成裂纹萌生、裂纹扩展和最终断 裂三个部分) 裂三个部分
钢结构第五版课后答案第二章
钢结构第五版课后答案第二章
1．答（1）强度高，塑性和韧性好（2）钢结构的重量轻（3）材质均匀，和力学计算的假定比较符合（4）钢结构制作简便，施工工期短（5）钢结构密闭性较好（6）钢结构耐腐蚀性差（7）钢材耐热但不耐火（8）钢结构在低温和其他条件下，可能发生脆性断裂，还有厚板的层状撕裂，应引起设计者的特别注意。
2.答：除疲劳计算外，均采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数的设计表达式进行计算。
3.答：当结构或其组成部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求时，此特定状态就称为该功能的极限状态。
4.（1)承载能力极限状态：包括构件和连接的强度破坏、疲劳破坏和因过度变形而不适于继续承载，结构和构件丧失稳定，结构转变为机动体系和结构倾覆。
（2)正常使用极限状态：包括影响结构、构件和非结构构件正常使用或外观的变形，影响正常使用的振动，影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括混凝土裂缝）。
5.建筑结构的可靠性包括安全性、适用性和耐久性三项要求。
结构可靠度是结构可靠性的概率度量，其定义是：结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率，称为结构可靠度
6.规定时间：一般指结构设计基准期，一般结构的设计基准期为50年，桥梁工程的设计基准期为100年。
设计基准期为了确定可变作用及与时间有关的材料性能等取值而选用的时间参数。
※设计使用期与设计使用寿命的关系：当
结构的设计使用年限超过设计基准期时，表明它的失效概率可能会增大，但并不等于结构丧失所要求的功能甚至报废。
规定条件：指正常设计、正常施工、正常使用条件，不考虑人为或过失因素
71.较高的强度。
2.足够的变形能力。
3.良好的加工性能。
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第六章疲劳计算
通过大量全尺寸梁试件的疲劳断裂试验证明：影响焊接结构疲劳强度的最重要因素是应力幅（最大应力与最小应力的代数差）、接头细部构造类型，而不是最大应力、应力比。
从而使焊接结构的疲劳设计概念产生了改变，即从按最大应力设计改变为按应力幅设计的概念。
应力设计改变为按应力幅设计的概念
第一节最大应力法
对非焊接结构，应用最大应力法设计的概念还是对的。
最大应力法认为，影响结构构件或连接疲劳强度的主要因素有最大应力、应力比、循环次数和缺口效应（构造类型的应力集中情况）等应力比为绝对值最小与最大应数和缺口效应（构造类型的应力集中情况）等。
应力比为绝对值最小与最大应力之比（拉应力取正值，压应力取负值），它代表了应力循环特征。
N σ−最大应力法是依靠对结构原型或模型的疲劳试验所得出的曲线，用以预估疲劳强度或寿命，国外通常称为曲线，S 代表应力，N 为以循环次数表示的疲劳寿命。
S N −
疲劳强度的计算公式为
疲劳强度的计算公式为：（6.10）
[]σσΔ≤Δ为名义应力的应力幅。
其中为计算部位各次应力循环中最大拉应力
（取正值）；
为计算部位各次应力循环中最小拉应力（取正值）或压应力（取负值）σΔmax σmin σ（取负值）。
上述的应力符号是广义应力，它多数情况代表正应力，但也可能代表剪应力（如计算角焊缝的疲劳强度时）。
σ三、非焊接结构常幅疲劳的折算应力幅
非焊接结构一般不存在很高的残余应力。
对应力比的同号应力循环，因残余应力对疲劳强度影响不大，仍可用与焊接结构相同的应力幅进行计算。
但对的异号应力循环，采用应力幅计算将偏于安全太多。
规范为了统一用一种表达式，引入了折算应力幅的概念。
计算式为：
（6.11）
上式实际上与最大应力法的计算式是一致的。
[]max min 0.7σσσσΔ=−≤Δ
第三节变幅疲劳的等效应力幅
（略）
第四节吊车梁和吊车桁架的疲劳计算吊车荷载是典型的变幅荷载。
规范规定，对重级工作制吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架的疲劳应按下式计算：
611（6.11）式中，[]6
f 210ασσ×⋅Δ≤Δ为欠载效应系数，既包含了变幅荷载的欠载，又包括了在使用基准期内循环次数N 超过次的影响。
表示循环次数为次的常幅疲劳的容许应力幅。
f α6210×6210×[]6210σ×Δ
第五节疲劳计算的特点和讨论
1.疲劳计算的荷载应采用标准值，不考虑荷载分项系数，另外动态荷载不乘动力系数。
2.在建筑结构中很少遇到常幅疲劳的情况，对变幅疲劳，计算时应预知设计应力谱。
如果设计的是一种新结构，就不可能找到类似结构来测定应力谱。
因此，在缺乏可用资料的情况下，变幅疲劳也可偏于安全地近似按常幅疲劳计算。
3.试验证明，钢材静力强度的不同，对大多数焊接连接部位的疲劳强度
3试验证明钢材静力强度的不同对大多数焊接连接部位的疲劳强度没有显著差别。
为简化表达式，可认为所有类别的容许应力幅与钢种无关。
这样，由疲劳控制设计的构件采用较高强度的钢种是不经济的。
在应力循环中不出现拉应力的部位不必进行疲劳计算但对有反复内4.在应力循环中不出现拉应力的部位不必进行疲劳计算。
但对有反复内力的构件，拉应力的绝对值大于压应力的绝对值，与压应力绝对值大于拉应力的绝对值相比前者疲劳裂缝更容易开裂按规范计算方法只要力的绝对值相比，前者疲劳裂缝更容易开裂。
按规范计算方法，只要
相同，其疲劳强度就相同，这未免对后者来说偏于保守，有必要重新研究。
5.本章所论及的疲劳问题都属于高周低应变疲劳，即总应变幅小，破坏σΔ前荷载循环次数多。
对于总应变幅大，破坏前循环次数少的属于低周高应变疲劳。
低周疲劳的破坏机理和表达式均有其本身特点，不能按本章规定的计算方法进行计算
算方法进行计算。
6.新规范与原规范相比，对本章内容没有什么改变。
仅将原规范附表51E-1规定的梁“翼缘焊缝附近的主体金属，焊缝质量5.1（新为附表E 1）项次5规定的梁翼缘焊缝附近的主体金属，焊缝质量经无损检验符合二级标准”进行了修改。
这是因为梁翼缘焊缝往往是角焊缝，而角焊缝无法无损检验（因内部探伤不准确），不能要求“符合二级标准”只能要求角焊缝为三级焊缝但可要求其外观质量标准符合二级标准，只能要求角焊缝为三级焊缝，但可要求其外观质量标准符合二级。
新规范明确提出，这就解决了与钢结构工程施工质量验收规范GB50205之间的矛盾。