8结构的疲讲义劳失效与疲劳控制设计2
机械设计中的疲劳分析
机械设计中的疲劳分析在机械设计中，疲劳分析是一个关键的环节。
疲劳是指材料在循环应力加载下发生的逐渐累积的损伤现象，其主要机理是由于循环载荷引起的应力集中、材料本身的缺陷、摩擦、腐蚀等因素导致材料的损坏。
因此，进行疲劳分析可以帮助工程师预测和评估机械零件的寿命，并采取相应的措施来提高机械零件的可靠性和耐久性。
1. 疲劳分析的背景机械零件在使用过程中会受到循环载荷的作用，随着时间的推移，持续循环加载会导致零件疲劳破坏。
因此，为了确保机械零件在设计寿命内不发生疲劳破坏，疲劳分析变得非常重要。
2. 疲劳分析的基本步骤疲劳分析的基本步骤包括以下几个方面：2.1 材料特性的确定疲劳分析的前提是对材料的特性进行准确的测定。
常见的材料特性包括弹性模量、屈服强度、韧性等。
根据工程的具体要求，选择适合的材料参数很关键。
2.2 载荷和边界条件的分析在进行疲劳分析时，需要明确零件所受到的载荷和边界条件。
载荷分析可以通过实际测试、数值模拟等方法进行。
同时，边界条件的确定也是疲劳分析的重要一环，边界条件包括约束和支撑条件等。
2.3 使用应力历程进行分析应力历程是指在给定载荷和边界条件下零件所受到的应力变化情况。
通过计算应力历程，可以得到零件在不同工况下的应力状况，进而评估疲劳寿命。
2.4 使用疲劳曲线进行分析疲劳曲线是描述应力与寿命之间关系的图形表示。
通过将实测的应力历程与疲劳曲线进行比对，可以得到零件在给定工作条件下的疲劳寿命。
3. 疲劳寿命评估通过上述步骤的分析，可以得到零件的疲劳寿命。
疲劳寿命评估对于机械设计的合理性和可靠性至关重要，它关系到机械零件的安全性、稳定性和经济性。
4. 疲劳寿命提高措施为了延长机械零件的疲劳寿命，可以采取以下几个措施：4.1 材料的优化选择通过选用性能更好的材料，如高强度、耐磨、抗腐蚀等材料，可以提高机械零件的疲劳寿命。
4.2 减少应力集中在设计过程中，可以通过改进零件的几何形状，减少应力集中，从而降低疲劳破坏的风险。
疲劳与断裂力学结构疲劳分析基础课件PPT
疲劳实验测定
耗时耗材
缺口对S-N曲线的影响
缺口敏感系数q
q K f 1 Kt 1
q的取值介于0到1之间，即：
0 q 1
如q=0，则：
Kf 0
无缺口效应
如q=1，则：
K f Kt 对缺口非常敏感
则有：
1 K f Kt
缺口大小和应力梯度对Kf的影响
峰值应力相同 材料损伤相同
平均应力水平较高 Kf较大
（5） 疲劳寿命 可 由 Kt=1.77 ， Sm=212.5MPa 时 拉 杆 的 S-N 曲 线 ， 查
取得到疲劳寿命为：
N=2.34×105
例 题 二 ： 如 图 所 示 一 含 中 心 孔 的 LY12-CZ 铝 合 金 板 ， 板 宽 W=50mm，孔直径D=8mm。名义应力谱见下表，试求其疲劳 寿命。
平均应力水平较低 Kf较小
材料极限强度对Kf的影响
缺口相同 峰值应力相同
低强度钢损伤区大 平均应力水平较低 Kf较小
高强度钢损伤区小 平均应力水平较高 Kf较大
由缺口敏感系数q的定义式可得
K f 1 (Kt 1)q
可见，由q和Kt可以求出Kf。
q的几种典型计算公式：
1、Peterson定义
q
1
解： 1) 修正Neuber方法
首先计算缺口的理论应力集中系数Kt，有: Kt=2.518
再由Peterson公式计算疲劳缺口系数Kf，有: Kf=2.348
最后由修正的Neuber公式计算缺口根部的最大应力 和最大应变。
2) 有限元方法
结论：1）中等塑性范围内，两者十分接近； 2）弹性范围内，Neuber解小于有限元解； 3）大塑性时，Neuber解也小于有限元解。
一文详解材料与结构疲劳！
一文详解材料与结构疲劳！一、认识疲劳疲劳是材料（金属）承受循环应力或应变作用时，结构性能下降，并最终导致破坏的现象。
疲劳失效是最常见的失效形式之一。
文献中提供的数据显示，各种机械中，疲劳失效的零件占失效零件的60~70%。
疲劳断裂失效原则上属于低应力脆断失效，疲劳中难以观察到明显的塑性变形，因为这是以局部塑性变形为主，且主要发生在结构的固有缺陷上。
虽然频率对疲劳失效有一定影响，但多数情况下疲劳失效主要与循环次数有关。
01按引起疲劳失效的应力特点可以分为：由机械应力引起的机械疲劳和热应力（交变热应力）引起的热疲劳；02从循环周次可分为：高周、低周、超高周疲劳；03根据载荷性质可分为：拉-压疲劳、扭转疲劳以及弯曲疲劳等；04根据工件的工作环境可分为：腐蚀疲劳、低温疲劳、高温疲劳。
一般把材料与结构发生疲劳损伤前的强度定义为“疲劳极限”。
01冲击疲劳是指重复冲击载荷所引起的疲劳。
当冲击次数N小于500~1000次即破坏时，零件的断裂形式与一次冲击相同；当冲击次数大于105次时的破坏，零件断裂属于疲劳断裂，并具有典型的疲劳断口特征。
在设计计算中，当冲击次数大于100次时，用类似于疲劳的方法计算强度。
02接触疲劳零件在循环接触应力作用下产生局部永久性累计损伤，经过一定循环次数后，接触表面发生麻点、浅层或深层剥落的过程，称为接触疲劳。
接触疲劳是齿轮、滚动轴承和凸轮轴的典型失效形式。
03热疲劳由于温度循环产生循环热应力所导致的材料或零件的疲劳称为热疲劳。
温度循环变化导致材料体积循环变化，当材料的自由膨胀或收缩受到约束时，产生循环热应力或循环热应变。
产生热应力情况主要有两种：1零件的热胀冷缩受到固持零件的外加约束而产生热应力；2虽然没有外加约束，但两件各部分的温度不一致，存在着温度梯度，导致各部分热胀冷缩不一致而产生热应力。
温度交变作用，除了产生热应力外，还会导致材料内部组织变化，使强度和塑性降低。
热疲劳条件下的温度分布不是均匀的，在温度梯度大的地方，塑性变形严重，热应变集中较大；当热应变超过弹性极限时，热应力与热应变就不呈线性关系，此时求解热应力就要按弹塑性关系处理。
《结构疲劳与寿命设计》课件---无限寿命设计
结构疲劳与断裂力学基础
3每 个载荷循环所产生的循环应力都小于（许用）材料（条 件）疲劳极限。可以分两种情况来考虑：
（1）循环载荷的产生与结构本身没有太大关系，是由其 他因素产生的，如风力涡轮叶片承受的风载荷、飞机机 翼承受的突风载荷等。即这类循环载荷在结构设计过程 中基本是确定的（不过载荷可能是随机的）。这种情况 下，根据所确定的变幅循环载荷谱，仅对结构进行设计 （包括选材，如果材料选定的情况下，仅需进行结构几 何设计），直至每个循环载荷下结构内的最大循环应力 水平都小于（许用）材料（条件）疲劳极限。
结构疲劳与断裂力学基础
38
4.2.1 应力集中的影响
结构几何应力集中是影响材料（条件）疲劳极限的重要 因素。结构局部应力集中程度常采用应力集中系数来表 征。
实际应力 弹性力学方法确定 应力集中系数： Kt 名义应力 材料力学方法确定
应力集中系数仅与结构的几何形状、尺寸以及加载方式 有关，与材料弹性常数无关。
回顾
同样基于同一结构设计方案，采用表面强化可显著改善 结构疲劳性能。
结构疲劳与断裂力学基础
17
3.3.2.3 提高结构加工制造工艺的稳定性
回顾
结构疲劳与断裂力学基础
18
第4章 无限寿命设计
结构疲劳与断裂力学基础
19
人们在改造世界的工程实践过程中认识到疲劳失效现 象，并对机械结构和材料的疲劳失效行为进行试验和分 析研究，总结出一些机械结构和材料的疲劳失效规律， 自然想到利用已获得的知识和规律来指导工程实践，希 望能够防止疲劳失效事件的发生。
结构疲劳与断裂力学基础
32
（2）循环载荷与结构设计方案密切相关。这种情况最典 型的是振动产生的循环交变载荷。振动与结构自身特征 密切相关。结构设计改变，其振动特征及由此产生的循 环交变载荷也将不同。
机械零件的疲劳设计与应用
机械零件的疲劳设计与应用引言疲劳是机械零件在循环载荷下发生破坏的一种失效形式。
疲劳失效不会表现出明显的塑性变形，因此难以被察觉，但会对机械系统的安全性和可靠性产生重大影响。
因此，对机械零件进行疲劳设计和预测至关重要。
疲劳设计原理疲劳失效的基本原理是疲劳裂纹的扩展，造成零件破坏。
为了进行疲劳设计，我们需要考虑以下几个主要因素：1. 循环载荷循环载荷是导致疲劳失效的主要因素之一。
循环载荷可以是周期性的，也可以是随机的。
在设计过程中，我们需要对循环载荷进行合理的模拟和预测。
2. 材料的疲劳特性不同的材料对疲劳有不同的抵抗能力。
常见的疲劳特性参数有疲劳极限和疲劳寿命。
在疲劳设计中，我们需要选择合适的材料，并了解其疲劳特性，以确保零件的安全性和可靠性。
3. 零件的几何形状和尺寸零件的几何形状和尺寸对疲劳寿命也有着重要的影响。
边缘的锐利度、半径的变化、凹槽和孔洞等几何特征都可能导致应力集中，从而缩短零件的疲劳寿命。
因此，在设计过程中，我们需要考虑这些因素，并尽量减少应力集中的可能。
4. 表面处理和应力改善为了提高疲劳寿命，我们常常会采取一些表面处理和应力改善的措施。
例如，对零件表面进行喷丸处理可以消除表面应力集中，并提高疲劳寿命。
疲劳设计方法疲劳设计有两种主要的方法：强度方法和寿命方法。
1. 强度方法强度方法是根据材料的极限强度和应力计算，来判断零件是否会发生疲劳失效。
这种方法适用于非常规的载荷情况，但需要在设计中保留一定的安全系数。
常用的强度方法有Goodman法、安全系数法等。
2. 寿命方法寿命方法是通过疲劳试验获取材料的S-N曲线，然后根据应力水平和寿命曲线来预测零件的寿命。
这种方法适用于疲劳循环载荷规律的情况，能够更准确地预测零件的寿命。
常用的寿命方法有基于极限应力的疲劳强度修正方法、应力级法等。
疲劳设计实例以下是一个简单的疲劳设计实例，以说明如何应用疲劳设计原理和方法。
假设我们需要设计一个承受循环载荷的轴。
八大安全管理理论模型讲义(PPT61页)
不安全行为 不安全状况
隐藏成本是直接成 本的8-11倍！
需要关注冰山主体 部分！
露出水面的冰山顶 —伤害的直接成本 医疗费用 工资补赔 索赔
冰山的主体 —伤害的间接费用 设备和产品的损坏 产量和质量的损失 工艺中断、单耗增减 人员替代、加班 诉讼 客户关系和公众形象
互助
帮助别人遵守 留心他人 团队贡献 关注他人 集体荣誉
布莱德利曲线
伤害率
布莱德利 安全文化曲线
依赖人的本能 以顺从为目标 主要仰仗安全 管理人员 管理层参与欠缺
管理承诺 雇佣条件 纪律约束 规则程序 监督控制
个人承诺 个人价值 自主管理 自我保护能力 和习惯 自我约束
帮助别人遵守 留心他人 团队贡献 关注他人 集体荣誉
八大安全管理理论模型 讲义
目录
常见
经典管理理论 事故因果
管理理论模型
连锁理论模型
奶酪 模型
蝴蝶结模型
事故致因理论
管理体系相关 理论
事故调查 常用模型
安全管理基本理论
安全生产：指在社会生产活动中，通过人、机、物料、环境的 和谐运转，使生产过程中潜在的各种事故风险和伤害因素始终处于有 效控制状态，切实保护劳动者的生命安全和身体健康。
安全生产管理：针对人们在生产过程中的安全问题，运用有效的 资源，发挥人们的智慧，通过人们的努力，进行相关决策、计划、组 织和控制的行为，实现生产过程中人与机器设备、物料、环境的和谐 ，达到安全生产的目标。
安全生产管理的目标：减少和控制危害，减少和控制 事故，尽量避免生产过程中由于事故所造成的人身伤害， 财产损失，环境污染以及其他损失。
时间
自然本能 法治监督 自我管理 团队文化
疲劳失效的微观过程和机制
在低温环境下，金属材料的脆性增加，可能导致在较低的应力水平下发生脆性断裂。此外，低温还可能引起材料 内部微裂纹的扩展速度减慢，从而延长了疲劳寿命。
高温
高温通常会加速金属材料的氧化和腐蚀过程，导致材料性能退化。此外，高温还可能引起金属材料的热软化，降 低其抗疲劳性能。
PART 04
疲劳失效的预测与预防
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2023 WORK SUMMARY
THANKS
感谢观看
REPORTING
增强材料抗疲劳性能的方法
材料改性 材料表面强化
振动预处理 环境控制
通过合金化、热处理、复合强化等手段改善材料的微观结构和 力学性能，提高材料的抗疲劳性能。
利用物理或化学方法在材料表面形成具有高硬度和高弹性的涂 层，如镀铬、渗碳、渗氮等，以提高表面的抗疲劳性能。
通过振动对材料进行预处理，改善材料的内部结构，提高其抗 疲劳性能。
桥梁的疲劳失效案例
钢桥
钢桥在车辆载荷和风载等循环载荷作用下，钢桥的焊接部位 和螺栓连接处容易产生疲劳裂纹，导致断裂失效。
混凝土桥
混凝土桥的梁体和桥墩在车辆载荷和地震等循环载荷作用下 ，容易出现裂缝和损伤，导致疲劳失效。
机械设备的疲劳失效案例
汽车零部件
汽车零部件如曲轴、气瓶等在循环交变应力的作用下，容易产生疲劳裂纹，扩展至断裂，导致失效。
高速列车轮轨
高速列车轮轨在高速运行过程中承受高强度的循环载荷，容易导致轮轨表面产生疲劳裂纹，影响行车 安全。
PART 06
结论
对疲劳失效的理解
01
疲劳失效是一个复杂的过程， 涉及到微观结构和宏观行为的 相互作用。
02
疲劳失效通常由局部应力集中 引起，这些应力集中区域在循 环载荷下逐渐损伤和扩展，最 终导致整体结构的失效。
Workbench中文讲义——疲劳分析
σ1/σ2=constant
在两个不同载荷工况间的交替变化； 交变载荷叠加在静载荷上； 非线性边界条件。
应力定义
考虑在最大最小应力值σmin和σmax作用下的比例载荷、恒定 振幅的情况：
应力范围Δσ定义为(σmax-σmin) 平均应力σm定义为(σmax+σmin)/2 应力幅或交变应力σa是Δσ/2 应力比R是σmin/σmax 当施加的是大小相等且方向相反的载荷时，发生的是对称循 环载荷。这就是σm=0，R=-1的情况。 当施加载荷后又撤除该载荷，将发生脉动循环载荷。这就是 σm=σmax/2，R=0的情况。
S-N曲线是通过对试件做疲劳测试得到的弯曲或轴向测试反映的是单轴 的应力状态，影响S-N曲线的因素很多，其中的一些需要的注意，如下：
因此，记住以下几点：一个部件通常经受多轴应力状态。如果疲劳数据 (S-N 曲线)是从反映单轴应力状态的测试中得到的，那么在计算寿命时就要 注意：（1）如何把结果和S-N曲线相关联的选择，包括多轴应力的选择； （2）双轴应力结果有助于计算在给定位置的情况。
几何模型
指定材料特性，包括S-N曲线；
定义接触区域(若采用的话)； 定义网格控制(可选的)； 包括载荷和支撑；
(设定)需要的结果，包括Fatigue tool；
求解模型； 查看结果。
Workbench中S-N曲线 在WB中可以通过打开材料编辑器
来定义S-N曲线。（一般每种材料 都有软件设置好的S-N曲线）
Linear——线性 Semi-Log——半对数曲线 Log-Log——双对数曲线
一般常用平均应力
可选择单一的S-N曲线。亦 可添加多重曲线
Workbench中S-N曲线
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旋转机器的振动
结构材料疲劳破坏机理
疲劳破坏过程
结构的疲劳是由于裂纹不断开裂形成最 后的破坏。
对于光滑表面是如何导致疲劳破坏的？
光初滑始表缺陷面的疲劳破坏
滑移
滑移带
初始裂纹(微裂纹)
宏观裂纹
脆性断裂
疲劳初始裂纹的形成
晶粒
疲劳断口特征
包括两部分:光 滑面与粗糙面。
疲劳裂纹扩展
疲劳源区
工程结构的疲劳设计
Rainflow counting algorithm
雨流法
频域分析法
在随机结构振动中，通常采用频域分析 法。
载荷谱 响应谱 窄带响应谱 应力统计分布曲线
Probability
应力标准差
22MPa
Rayleigh Distribution s 0.03
0.025
0.02
0.015
Palmgren-Miner 准则
当材料承受高于疲劳极限应力时，每一个载 荷循环都使材料产生一定的损伤，每一个循 环造成的平均损伤为1/N（N 为对应荷载的 疲劳寿命），n 次恒幅载荷造成的损伤就是 C=n/N.
k
D Di ni /Ni
1
对于变幅的损伤D则为 ni 为i 级载荷的循环
次数，Ni 为第i 级载荷下的疲劳寿n命i 。当损 伤累积到了临界值时就发生破坏。
Miner线性累积损伤理论
变幅载荷谱 计数 S（载荷）－N（循环次数）图
累积损伤度
k
D Di ni /Ni
1
利用Miner理论进行疲劳分析的一般步骤
确定构件在设计寿命期的载荷，选取拟用的 设计荷载或应力水平
选用适合构件使用的的S-N曲线 再用S-N曲线，利用Miner线性累积损伤理论，
结构疲劳设计的几个概念
低周疲劳破坏 高周疲劳破坏 有限寿命疲劳设计（S-N 曲线法） 损伤容限疲劳设计（断裂力学法）
材料的疲劳S-N 曲线
获得材料S-N 曲线的实验方法
加载方法：交变加载， 脉动加载。
试验制备：弯曲，拉伸 I试验过程与曲线获得。
疲劳试验加裁交变应力
疲劳试件
疲劳试验装置
对称循环疲劳试验机Fra bibliotek低周与高周疲劳
按照作用的循环应力的大小
低应力，高疲劳 周期） 疲 劳
Smax < Sy Nf >104
高应力，低变疲 劳周期
Smax > Sy Nf < 104
Smax－循环应力 Sy－屈服应力
高周疲劳也称应力控制疲劳,是大多数结构设计依据。
低周疲劳也称应变控制疲劳，是结构设计应避免的工况，也是 设备检修的依据。
计算损伤 判断是否满足疲劳设计要求。
随机交变应的统计方法
对于恒应力幅的交变应力统计比较方便， 但对于随机应力时程则比较麻烦。
通常有两种方法： 时程分析法 频域分析法
时域统计法
对测量或计算获得的交变应力时程曲线 的幅值进行统计，一般采用雨流法，
雨流法可以将随机交变应幅值“数”出 来，便于采用计算机自动识别。
0.01
0.005
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Stress(MPa)
JZ20－2北高点平台典型应力谱及应力峰概率分布
材料的强度与材料的疲劳强度主要区别？
影响结构疲劳寿命因素
材料的抗疲劳性能 交变应力幅值 交变应力性能循环次数 结构应力集中
结构疲劳设计方法
➢ 无限寿命设计
设计条件为 S S f ，材料的疲劳极限 S f 由材料S-N曲线 给出。
➢ 安全寿命设计
使构件在有限长设计寿命内，不发生疲劳破坏的设计； 以材料S-N曲线和Miner累计损伤理论为基础
工作荷载中的交变荷载 环境荷载中交变性荷载
交变应力
F B
A
a
F
Q
F
M
Fa
F CD
a
F
MR sint
Iy
σ
t
交变应力 (alternative stress ）
——应力随时间交替变化
随机交变应力（应变）
结构受环境荷载作用，大多为随机的 动力响应，表现为随机应力。
随机荷载作用的结构疲劳分析是结构 设计的重要内容。
工程结构疲劳设计
无限寿命设计：使结构永远不发生疲劳 破坏。
有限寿命设计：结构在设计年限内不发 生疲劳破坏。
耐久性设计：应用于结构维修与更换。
相关概念
交变应力 材料疲劳破坏机理 材料疲劳强度 结构疲劳寿命与疲劳设计
交变应力
结构在受到交变荷载作用下，会产生交 变性的应力
交变性载荷通常有两类：
精品
8结构的疲劳失效 与疲劳控制设计2
fatigue failure
In materials science, fatigue is the progressive and localized structural damage that occurs when a material is subjected to cyclic loading. The maximum stress values are less than the ultimate tensile stress limit, and may be below the yield stress limit of the material.
➢ 损伤容限设计
假定构件中存在裂纹，用断裂力学、疲劳裂纹扩展分析 和试验验证，保证在定期检查中发现裂纹之前，裂纹不会 扩展到足以引起破坏。
结构疲劳寿命的估计方法
采用有限寿命方法估计，主要有两方面 的内容一是交变应力，二是循环次数。
恒幅交变应力 随机交变应力
Palmgren-Miner 准则 雨流法：时程分析 应力谱法
关于结构的低周疲劳破坏
结构低周疲劳破坏指在很少的应力循环 周期内，结构就疲劳破坏了。通常只有 几千次。
疲劳设计通常要求高周疲劳破坏。 低周疲劳通常引起事故。
渤海上部管线的振动断裂为低周疲劳破 坏。
海洋平台冰振引起的低周疲劳
冰振引起的上部管线疲劳断裂
Failure part
放空管断口分析
放空管的 断裂断口 宏观特征
断口 与轴 线成 90。
角
断口表面 有较明显 的裂纹源、 裂纹扩展 区、瞬断 区
断口表 面没有 明显的 疲劳弧
线
整个 断口 高低
不平
放空管的 断裂断口 微观特征
疲劳 条带 间距 较大
材料的疲劳强度
材料的疲劳强度是指光滑试件经过多次 各循环加载的破坏强度。
通常材料的疲劳强度用S-N 曲线表示。 S-为破坏强度，N-为对应的循环次数。