第5章 结构疲劳寿命分析
钢筋混凝土结构的疲劳寿命分析及预测
钢筋混凝土结构的疲劳寿命分析及预测一、引言钢筋混凝土是世界上最常见的建筑材料之一，广泛应用于房屋、桥梁、道路等领域。
然而，在使用过程中，钢筋混凝土结构会受到复杂的外力作用，其疲劳寿命也会随之降低。
因此，研究钢筋混凝土结构的疲劳寿命分析及预测，对于保证建筑安全、延长使用寿命具有十分重要的意义。
二、疲劳寿命分析方法1. 总体分析法总体分析法是在疲劳荷载作用下，结构的疲劳寿命是由结构的总体状况和材料强度决定的。
因此，采用这种方法可以在不考虑具体荷载作用特点的情况下，预估结构的疲劳寿命。
2. 应力幅值法该方法将应力幅值与材料应力–应变曲线中斜率的某个函数联系起来。
通过带入应力幅值和应力–应变曲线的参数，该方法可以预测材料的疲劳寿命。
3. 局部应力法该方法基于结构中某些部位所承受的局部应力，从而预测这些部位的疲劳寿命。
局部应力法可分为三种类型：直接法、相对应力法、裂纹扩展法。
4. 稳态渐近法该方法使用一种特定的曲线模型，根据材料的疲劳性能，建立曲线与材料间的联系。
接下来，疲劳荷载下的结构疲劳寿命就可以通过这条曲线的长期平均斜率进行预测。
三、在疲劳分析时需注意的问题1. 考虑不同荷载的影响同一结构的不同荷载下，其受到的应力状态不同，因此在分析疲劳寿命时需要考虑不同荷载的影响。
2. 考虑材料的非线性特性在钢筋混凝土结构的疲劳寿命分析中，材料的非线性特性必须得到充分考虑，以便得到更加准确的结果。
3. 考虑不同应力状态下的疲劳寿命不同应力状态下，材料的疲劳寿命存在差别。
因此，在分析疲劳寿命时，需要考虑不同应力状态下的疲劳寿命。
四、疲劳寿命预测的困难疲劳寿命预测是一个复杂且困难的过程。
原因在于疲劳寿命受到多种因素的影响，如材料的强度、荷载频率、荷载作用时间等。
此外，材料的性质也可能会随着时间的推移而发生变化，进一步增加预测的困难程度。
五、结论在钢筋混凝土结构的疲劳寿命分析和预测中，需要考虑多种因素的影响，并采用不同的方法进行分析。
车身结构疲劳寿命预测分析研究
车身结构疲劳寿命预测分析研究一、概述车身结构疲劳寿命预测分析研究是汽车工程领域的重要研究方向之一，其目的是通过建立精确的预测模型，预测车身结构在长期使用过程中的疲劳寿命，为车身结构设计和制造提供科学依据，进一步提高汽车的安全性、可靠性和耐用性。
二、车身结构疲劳寿命车身结构疲劳寿命是指车身结构在长期使用过程中，因受到加载和应力反复循环而发生的疲劳损伤或破坏前所经历的循环数或时间。
在汽车工程领域，疲劳寿命一直是汽车结构设计和制造的重要指标之一，影响着汽车的可靠性和使用寿命。
三、车身结构疲劳寿命预测方法车身结构疲劳寿命预测方法主要分为试验和计算两种方法。
1.试验法试验法是通过在模拟实际使用条件下进行大量的疲劳试验，以实测数据为基础，通过统计分析和曲线拟合等手段建立疲劳寿命预测模型。
试验法的优点是能够直接获取实际数据，预测结果准确可靠；缺点是试验成本高、时间长，并且只能针对某一特定结构进行试验，不具有通用性。
2.计算法计算法是通过在数值仿真软件中建立车身结构有限元模型，在给定的荷载作用下进行疲劳仿真分析，以数值模拟的结果为基础，通过计算建立疲劳寿命预测模型。
计算法的优点是成本低、时间短，并且具有通用性；缺点是需要建立精确的有限元模型，且模型的精度和建模方法会极大地影响疲劳寿命的预测结果。
四、影响车身结构疲劳寿命的因素车身结构疲劳寿命受到多种因素的影响，主要包括材料的强度和韧性、结构的几何形状、工艺质量、荷载等因素。
1.材料的强度和韧性材料的强度和韧性是影响车身结构疲劳寿命的最直接因素。
材料的强度决定了结构能够承受的最大应力值，而材料的韧性决定了结构在受到较大应力时的断裂形态，对疲劳寿命的影响也非常显著。
2.结构的几何形状车身结构的几何形状对疲劳寿命的影响主要体现在应力分布和应力集中的程度上。
一些细微的结构形状设计上的失误或缺陷可能会导致应力集中，从而对车身结构的疲劳寿命产生负面影响。
3.工艺质量工艺质量是影响车身结构疲劳寿命的重要因素之一。
重型机械结构的疲劳寿命分析
重型机械结构的疲劳寿命分析重型机械，如卡车、挖掘机、铲车等，长时间工作，面对重负荷的力量，会遇到不同的力学应力情况，由此对机械结构造成疲劳损伤，加速材料老化，影响机械寿命。
因此，对于重型机械结构的疲劳寿命分析是非常重要的。
疲劳寿命是指经过多次重复循环载荷后，材料不能承受额定载荷，导致失效的时间。
对于重型机械而言，其疲劳寿命直接影响着机械的使用寿命以及工作效率。
因此，疲劳寿命的分析对于机械的生产工艺、材料的选择、工作环节等方面都具有重要作用。
机械疲劳寿命的分析过程一般分为三个步骤：载荷分析、应力分析和寿命预测。
其中，载荷分析是指对机械在工作过程中所受的力或者位移等物理量进行分析，以确定其载荷谱。
应力分析是指对机械在载荷作用下所受的应力进行分析，以确定其应力水平。
而寿命预测则是基于应力水平、材料疲劳特性以及材料疲劳裂纹扩展规律等因素，利用数学模型计算出机械的疲劳寿命。
在整个分析过程中，载荷分析是非常重要的一环。
在实际工作中，机械所受载荷复杂多样，有静载荷、动载荷、交变载荷等。
其中，动载荷和交变载荷是机械疲劳寿命分析中较为重要的载荷形式。
对于动载荷而言，其载荷状态会随时间变化，而对于交变载荷则是交替作用于机械结构的正、负载荷。
因此，在载荷分析中要对不同载荷形式进行分类，并结合实际工作情况进行载荷谱的拟合。
应力分析是对机械在载荷作用下所受的应力水平进行分析。
对于静载荷而言，应力分析较为简单，直接套用静力学等原理即可。
而对于动载荷和交变载荷，则需要考虑材料的弹塑性及疲劳性质等因素。
钢材等常规材料在高应力作用下，容易发生塑性变形，导致结构失效。
而对于高强度钢、铝合金等特殊材料，其初始应力越高，疲劳破坏就越容易发生。
在应力分析中，应根据不同材料的疲劳特性进行分析。
寿命预测是机械疲劳寿命分析的最后一步，也是最为重要的一步。
在寿命预测中，需要结合载荷、应力、材料疲劳特性以及裂纹扩展规律等因素，利用数学模型计算出机械的疲劳寿命。
第5章-结构疲劳寿命分析
二．疲劳分析基本理论
（一）应力疲劳分析理论
3. 平均应力对疲劳寿命的影响
材料的基本S-N曲线是在R= -1（对称循环）情况下得到，以下讨 论应力比R变化对疲劳性能的影响。由于Sm与R的关系，即
Sm = (1+ R) Sa / (1− R)
给定应力幅Sa时，R增大，表示Sm增大。 讨论应力比R的影响，实际上是讨论平均应力Sm的影响。
Sf = (拉压） 0.35Su
R= -1时，扭转载荷作用下的疲劳极限为
Sf = (扭转） 0.29Su
¾ 注意：不同载荷作用形式下的疲劳极限和S-N曲线不同。
二．疲劳分析基本理论
（一）应力疲劳分析理论
2. S-N曲线的近似估计
（2） 无实验数据时S-N曲线的估计 若疲劳极限Sf和材料极限强度Su为已知，S-N曲线可用下述方法 作偏于保守的估计。
二．疲劳分析基本理论
（一）应力疲劳分析理论
3. 平均应力对疲劳寿命的影响
a) 一般趋势
当Sa给定时，R增大，平均应力Sm增大。 平均应力对S-N曲线影响的一般趋势如图所示。
¾ 平均应力Sm=0（R= -1）的S-N曲线是基本S-N 曲线；当Sm>0，即拉伸平均应力，S-N曲线下 移，表示同样的应力幅作用下的寿命下降，对疲 劳有不利影响；Sm<0（压缩平均应力），S-N曲 线上移，表示同样的应力幅作用下的寿命增大， 对疲劳寿命的影响是有利的。
二．疲劳分析基本理论
（一）应力疲劳分析理论
1. 基本S-N曲线
由S-N曲线确定的，对应于寿命 N的应力SN称为寿命为N的疲劳 强度（Fatigue Strength）。
寿命N趋于无穷大时所对应的应 力Sf称为材料的疲劳极限 （Endurance Limit）。
船舶结构疲劳分析与寿命预测
船舶结构疲劳分析与寿命预测在广袤无垠的海洋上，船舶作为重要的交通工具和运输工具，承载着各种货物和人员的往来。
然而，船舶在长期的运行过程中，其结构会不断受到各种载荷的作用，如海浪、风、货物压力等，从而导致结构疲劳和损伤。
因此，对船舶结构进行疲劳分析和寿命预测，对于保障船舶的安全运行、降低维修成本、提高船舶的使用寿命具有至关重要的意义。
船舶结构疲劳是指在循环载荷的作用下，结构材料内部逐渐产生微观裂纹，并随着时间的推移，这些裂纹不断扩展和连接，最终导致结构的失效。
疲劳失效是船舶结构常见的失效形式之一，往往会在没有明显预兆的情况下突然发生，给船舶的安全带来极大的威胁。
因此，准确地分析船舶结构的疲劳特性，预测其寿命，是船舶设计和运营过程中必须要解决的关键问题。
要进行船舶结构疲劳分析，首先需要了解船舶所承受的载荷情况。
船舶在海上航行时，受到的载荷主要包括波浪载荷、风载荷、货物载荷以及船舶自身的动力载荷等。
这些载荷的大小、方向和作用时间都是随机变化的，因此需要通过大量的实测数据和理论分析来确定其统计特性。
目前，常用的波浪载荷计算方法有线性波浪理论、非线性波浪理论以及基于数值模拟的方法等。
通过这些方法，可以计算出船舶在不同海况下所受到的波浪力，并将其转化为结构所承受的应力。
在确定了载荷情况后，接下来需要对船舶结构的应力分布进行分析。
这通常需要借助有限元分析等数值方法。
有限元分析可以将船舶结构离散为大量的小单元，通过计算每个单元的应力和变形，从而得到整个结构的应力分布情况。
在进行有限元分析时，需要合理地选择单元类型、网格划分方式以及边界条件等，以确保计算结果的准确性。
同时，还需要考虑结构的几何形状、材料特性以及连接方式等因素对应力分布的影响。
得到船舶结构的应力分布后，就可以进行疲劳损伤的计算了。
疲劳损伤的计算通常采用基于应力幅的方法，如 SN 曲线法和疲劳累积损伤理论。
SN 曲线是描述材料在不同应力幅下的疲劳寿命的曲线。
结构设计知识：结构设计中的疲劳寿命分析
结构设计知识：结构设计中的疲劳寿命分析疲劳寿命分析是结构设计中的一个极其重要的知识领域。
它的主要作用是通过对结构材料的疲劳损伤进行分析，从而判断结构零件在特定载荷下的使用寿命。
这项技术在工程设计中非常重要，因为它可以确保结构的安全、可靠性和性能。
疲劳寿命分析是建立在一个基本原则的基础之上，即“所有材料都存在疲劳破坏的可能性”。
这个原则是基于材料在连续的应力循环下，会逐渐积累微小的应力应变损伤，最终会导致材料疲劳破坏的事实。
因此，在对结构的疲劳寿命进行分析时，需要考虑结构在应力循环下的强度和应变损伤的变化。
为了对结构的疲劳寿命进行分析，需要进行一系列的步骤。
首先是确定结构的载荷条件和工作环境，并收集所有涉及到结构材料的物理性质数据。
然后，需要进行有关结构材料的试验，将结构材料放置在一定的载荷下进行时间变换测试，以确定疲劳应力和延伸的循环次数，并随着时间推移记录材料的应变情况。
随后，利用这些数据，可以对结构材料的疲劳寿命进行进一步的分析，通过对结构材料的疲劳强度、应力范围和损伤累积的评估，综合分析结构的寿命。
这些分析的结果可以被用来更新载荷历史记录，以更精细地模拟不同应用场景下的载荷变化，从而达到提高结构设计的目的。
在疲劳寿命分析中，管道设计是重要的应用之一。
由于管道在工业生产过程中经常处于周期性应用状态，受到了疲劳损伤的特别严重影响。
管道设计必须考虑到许多因素，如流体介质、温度和压力等，以确保管道的安全和可靠性。
在进行管道设计时，疲劳寿命分析为管道设计师提供了很多数据，使得管道设计能够更好地满足工业生产的需求。
总之，疲劳寿命分析是结构设计中一个非常重要的环节。
它可以帮助设计师更好地了解结构材料的疲劳损伤情况，在设计过程中加入更多的严密性和可靠性，为工业生产的安全、高效和可持续性做出了贡献。
因此，懂得并掌握疲劳寿命分析对于结构设计工程师来说是极其重要的。
混凝土结构的疲劳寿命分析及其应用研究
混凝土结构的疲劳寿命分析及其应用研究一、疲劳寿命分析的基本概念疲劳寿命是指结构在一定的载荷下，经过一定的循环次数后发生破坏的时间。
疲劳寿命分析是在给定的循环载荷作用下，通过计算结构的疲劳寿命，判断结构的可靠性和寿命，对结构的设计和使用提供科学依据。
疲劳寿命分析的方法主要有应力循环法、应变循环法和能量法等。
二、混凝土结构的疲劳寿命分析混凝土结构的疲劳寿命分析是指在循环荷载下，分析混凝土结构的疲劳寿命和疲劳破坏形式的一种方法。
混凝土结构的疲劳寿命分析与金属结构的有所不同，金属结构的疲劳寿命分析主要考虑材料的疲劳强度，而混凝土结构的疲劳寿命分析则要考虑混凝土的损伤累积和裂缝扩展等因素。
混凝土结构的疲劳寿命分析通常采用的方法有应力循环法和应变循环法。
应力循环法是指根据结构的应力状态来计算疲劳寿命。
应变循环法是指根据结构的应变状态来计算疲劳寿命。
混凝土结构的应力循环法通常采用的是极限应力法，即根据混凝土的极限应力来计算疲劳寿命。
混凝土结构的应变循环法通常采用的是极限应变法，即根据混凝土的极限应变来计算疲劳寿命。
三、混凝土结构的疲劳寿命分析的应用混凝土结构的疲劳寿命分析在工程实践中有着广泛的应用。
在道路桥梁、水坝和发电站等大型工程中，混凝土结构的疲劳寿命分析可以用来评估结构的安全可靠性和使用寿命。
在混凝土结构的设计中，疲劳寿命分析可以用来确定结构的最小断面尺寸和钢筋配筋等设计参数。
在混凝土结构的维修和加固中，疲劳寿命分析可以用来确定维修和加固的位置和方式。
四、混凝土结构的疲劳寿命分析的不足混凝土结构的疲劳寿命分析虽然在工程实践中得到了广泛的应用，但是仍然存在一些不足之处。
首先，混凝土结构的疲劳寿命分析需要考虑许多因素，如荷载大小、荷载类型、材料性质等，分析过程较为复杂。
其次，混凝土结构的疲劳寿命分析需要考虑材料的非线性性和不均匀性，使得分析结果存在一定的误差。
最后，混凝土结构的疲劳寿命分析需要大量的实验数据支持，但是目前的实验数据仍然较为有限。
结构工程中的建筑物疲劳寿命分析
结构工程中的建筑物疲劳寿命分析建筑是人类生活的根本环境，也是现代文明与文化的重要载体。
如今，建筑结构工程的发展也愈加成熟，而建筑物的安全问题一直备受关注。
事实上，建筑物的安全与其疲劳损伤有很大的关系。
因此，在建筑物的设计、建造和使用过程中，疲劳寿命的分析是至关重要的。
疲劳分析是指在交变载荷下，材料或结构构件发生的疲劳损伤过程。
疲劳损伤指材料或结构构件在交变载荷循环作用下，受到应力的反复摆动，从而发生裂纹的形变和破坏现象。
这种损伤是一种随时间逐渐发展的过程，并不是一瞬间形成的。
因此，在建筑物的设计、建造和使用过程中，需要对建筑物的疲劳寿命进行分析和评估，以确保其安全可靠。
建筑物的疲劳寿命分析需要通过建筑物的结构构件和材料的试验来确定疲劳性质。
建筑物疲劳寿命的确定需要考虑多个因素，如材料的强度、裂纹扩展、载荷作用次数和载荷作用幅值等。
在实际疲劳寿命分析中，主要通过载荷历程、载荷幅值、载荷次数和结构构件所在环境的影响来确定疲劳寿命。
建筑物的疲劳寿命分析方法可以分为两类，一类是基于应力分析的方法，另一类是基于疲劳试验的方法。
基于应力分析的方法通过分析结构构件中裂纹扩展的规律和应力幅值大小的关系来确定疲劳寿命。
而基于疲劳试验的方法则通过在试验台上对材料和结构构件进行疲劳试验，从而确定其疲劳性质和疲劳寿命。
建筑物的疲劳寿命分析是一个非常复杂的问题，需要多学科综合运用，如结构力学、材料力学、工程力学、数值模拟和试验等。
在结构设计中，必须考虑到疲劳载荷的作用并合理地选择合适的材料和结构构件。
除了在结构设计中考虑疲劳损伤外，建筑物的使用过程中，如何正确维护和管理建筑物也非常重要。
建筑物的维护和管理包括日常巡查等常规维护工作和必要的检测、修缮工作。
此外，建筑物的使用寿命也需要考虑到疲劳寿命，在长期使用过程中需要定期进行检测和评估，以保证其可靠性和安全性。
总之，建筑物的疲劳寿命分析是建筑结构工程中不可或缺的一个环节。
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¾ 显然，当Sm=0时，就是R= -1时的疲劳强度SN，当Sa=0时，载荷为静 载，有Sm=Su，在极限强度Su破坏。
SN为基本S-N曲线给出的、N循环寿命的疲劳强度！
二．疲劳分析基本理论
（一）应力疲劳分析理论
例1 构件受拉压循环应力作用，Smax=800MPa，Smin=80MPa。若已知 材料的极限强度为Su=1200MPa，试估算其疲劳寿命。 解：1）确定工作循环应力幅和平均应力
二．疲劳分析基本理论
（一）应力疲劳分析理论
破坏的定义：
疲劳破坏有裂纹萌生、稳定扩展和失稳扩展断裂三个阶段。应 力疲劳理论只研究裂纹萌生寿命。因此定义“破坏”为
① ②
标准小试件断裂。对脆性材料，裂纹萌生寿命（从裂纹萌生到扩 展至断裂的时间很短，对整个寿命影响很小）。 出现可见小裂纹（如1mm），或10%应变降。对于延性好的材 料，裂纹萌生后有较长时间扩展阶段，不应计入裂纹萌生寿命。 小裂纹观察困难时，可监测恒幅循环应力作用下的应变变化。当 试件出现裂纹后，刚度改变，应变随之变化，从而判断裂纹萌 生。
2. S-N曲线的近似估计
描述材料疲劳性能的基本S-N曲线，应当由R= -1的对称循环疲 劳实验给出，或查有关手册得到。在缺乏实验结果时，可依据材 料强度极限Su作出近似估计。
二．疲劳分析基本理论
（一）应力疲劳分析理论
2. S-N曲线的近似估计
（1） 疲劳极限Sf与极限强度Su的关系 经过大量的实验和经验积累发现，对一般常用金属材料，有以 下经验关系：
工作循环应力（Sa，Sm） 等寿命（N）对称循环应力（SN）
Haigh图
二．疲劳分析基本理论
（一）应力疲劳分析理论
3. 平均应力对疲劳寿命的影响
b) Sa-Sm关系
2
Sa ⎛ Sm ⎞ +⎜ ⎟ =1 S N ⎝ Su ⎠
Sa Sm + =1 S N Su
Gerber曲线（抛物线）
Goodman直线（偏保守，工程常用）
影响疲劳寿命的因素
一．疲劳的基本概念
影响疲劳寿命的因素
6) 温度和环境的影响 金属材料的疲劳极限一般随温度的降低而增加的。但低温下材 料的断裂韧性也下降，表现为低温脆性，则易发生失稳断裂。 高温将降低材料强度，可能引起蠕变，对疲劳不利。 在诸如海水、水蒸气、酸、碱等腐蚀介质环境下的疲劳，称为 腐蚀疲劳。腐蚀疲劳对疲劳强度不利。
二．疲劳分析基本理论
（一）应力疲劳分析理论
3. 平均应力对疲劳寿命的影响
a) 一般趋势
当Sa给定时，R增大，平均应力Sm增大。 平均应力对S-N曲线影响的一般趋势如图所示。 ¾ 平均应力Sm=0（R= -1）的S-N曲线是基本S-N 曲线；当Sm>0，即拉伸平均应力，S-N曲线下 移，表示同样的应力幅作用下的寿命下降，对疲 劳有不利影响；Sm<0（压缩平均应力），S-N曲 线上移，表示同样的应力幅作用下的寿命增大， 对疲劳寿命的影响是有利的。
恒幅循环应力
二．疲劳分析基本理论
（一）应力疲劳分析理论
1. 基本S-N曲线
描述循环应力需两个量，一般 取应力幅Sa和应力比R，应力幅 是疲劳破坏的主要控制参量， 应力比是载荷的循环特征。 在R= -1（对称循环）时，应 力—寿命关系曲线用Sa-N曲线表 达，称为材料的基本疲劳性能 曲线。（基本S-N曲线）
二．疲劳分析基本理论
（一）应力疲劳分析理论
1. 基本S-N曲线
由S-N曲线确定的，对应于寿命 N的应力SN称为寿命为N的疲劳 强度（Fatigue Strength）。 寿命N趋于无穷大时所对应的应 力Sf称为材料的疲劳极限 （Endurance Limit）。 N无穷大含义：钢材107次循 环，焊接件2×106，有色金属 108 满足S<Sf的设计，称为无限寿命 设计。
二．疲劳分析基本理论
（一）应力疲劳分析理论
1. 基本S-N曲线
S-N曲线的数学表达式
¾
幂函数形式： S m N = C m和C是与材料、加载形式等有关的参数。 对数形式： lg S = A + B lg N A = lg C / m， B = −1 / m 材料参数
¾
二．疲劳分析基本理论
（一）应力疲劳分析理论
二．疲劳分析基本理论
（一）应力疲劳分析理论
3. 平均应力对疲劳寿命的影响
b) Sa-Sm关系 对于任一给定寿命N，其Sa-Sm曲线可画成无量纲形式。 Sa-Sm的数学表示：
Sa ⎛ Sm ⎞ +⎜ ⎟ =1 S N ⎝ Su ⎠
Sa Sm + =1 S N Su
2
Gerber曲线（抛物线）
Goodman直线（偏保守，工程常用）
第5章 汽车结构疲劳强度设计分析
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（力、应力、应变、位移等）。
一．疲劳的基本概念
疲劳破坏的特征
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， 是疲劳损伤累积的过程。这一过程中结构经历的 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 =N initiation +N propagation
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。
R= -1时，弯曲载荷作用下的疲劳极限可估计为
Sf (弯曲）= 0.5Su
（当Su < 1400MPa）
Sf (弯曲）= 700MPa （当Su ≥ 1400MPa）
二．疲劳分析基本理论
（一）应力疲劳分析理论
2. S-N曲线的近似估计
（1） 疲劳极限Sf与极限强度Su的关系
R= -1时，轴向拉压载荷作用下的疲劳极限为
基本S-N曲线
二．疲劳分析基本理论
（一）应力疲劳分析理论
1. 基本S-N曲线
材料的S-N曲线可由疲劳试验获 得。一般用一组标准光滑小试 件（7-10件），在R= -1时，施 加不同的应力幅Sa进行循环加 载，记录相应的循环次数（寿 命）N，即可得到S-N曲线。 Sa（或Smax）越小，寿命越长。 当应力S小于某极限值时 （Sf），试件不发生破坏，寿命 趋于无限。
N = 106，S = Sf = KSu （106）
式中，K是载荷作用形式系数（弯曲：K=0.5；拉压：K=0.35； 扭转：K=0.29） 把两假定代入S-N幂函数形式，可估计除参数m和C
m m=3/lg（0.9/K）；C=（0.9Su） 103
如此估计的S-N曲线只能用于寿命为103~106之间的疲劳强度估计。
二．疲劳分析基本理论
（一）应力疲劳分析理论
3. 平均应力对疲劳寿命的影响
材料的基本S-N曲线是在R= -1（对称循环）情况下得到，以下讨 论应力比R变化对疲劳性能的影响。由于Sm与R的关系，即
Sm = (1 + R ) Sa / (1 − R )
给定应力幅Sa时，R增大，表示Sm增大。 讨论应力比R的影响，实际上是讨论平均应力Sm的影响。
二．疲劳分析基本理论
（一）应力疲劳分析理论
1. 基本S-N曲线 材料的疲劳性能用所受循环应力S与到破坏时的循环 次数（或寿命）N之间的关系描述。 最简单的循环载荷是恒幅循环应力。
二．疲劳分析基本理论
（一）应力疲劳分析理论
1. 基本S-N曲线
¾ Smax、Smin ¾ Sm=(Smax+Smin)/2 （平均） ¾ ΔS= Smax-Smin （最大变程） ¾ Sa= ΔS/2 （循环幅） ¾ R=Smin/Smax （循环特征（应力 比） 当Smax= -Smin，R= -1，对称循 环； 当Smin=0，R=0，脉动循环； 当R=1，静载。
考虑到S-N曲线描述的是长寿命疲劳，不适合用于N<103以下， 故假定
N = 103时，S = 0.9Su （103）
二．疲劳分析基本理论
（一）应力疲劳分析理论
2. S-N曲线的近似估计
（2） 无实验数据时S-N曲线的估计 对于金属材料，疲劳极限Sf对应的循环次数一般为106~107，作如 下保守假定
一．疲劳的基本概念
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、气割、磨削等都 会引起残余拉应力。镀铬或镀镍将在钢材表面引起残余拉应 力，使材料疲劳极限下降。