疲劳寿命设计方法

寿命设计方法

-王光建

目录

…什么是疲劳失效

…无限寿命设计方法

ÆS-N曲线(wohler curve)及疲劳极限Æ基于疲劳极限的评判

Æ考虑平均应力的损伤修正…有限寿命设计方法

ÆMiner法则(疲劳损伤线性累积) Æ雨流计数法Æ寿命计算…疲劳寿命仿真计算

…疲劳寿命计算的不足

疲劳失效

…疲劳是一种机械损伤过程

…特点:

在这一过程中即使名义应力低于材料屈服强度；破坏前无明显塑性变形，突然发生断裂…本质：

Æ交变载荷+金属缺陷Æ金属的循环塑性变形（微观）

Æ疲劳一般包含裂纹萌生和随后的裂纹扩展两个过程

Æ疲劳是损伤的累积

金属内部缺陷微裂纹产生裂纹扩展断裂

（晶体位错）

疲劳发生过程

…疲劳的判断：

金属材料的疲劳断裂口上，有明显的光滑区域与颗粒区域，光滑区域是疲劳断裂区，颗粒区域是脆性断裂区

粗糙的脆性断裂区

光滑的疲劳区

裂纹源

-S-N曲线(Wohler curve)及疲劳极限…S-N曲线是根据材料的疲劳强度实验数据得出的应力和疲劳寿命N的关系曲线

…S-N曲线用于描述材料的疲劳特性

σ

S-N curve 1871年，Wohler首先对铁路车轴进行了系统的疲劳研究，发展了S-N曲线及疲劳极限概念

-S-N曲线(Wohler curve)及疲劳极限…疲劳极限：一般规定，循环次数107所对应的最大应力为疲劳极限

σ

σ

limit

S-N curve

-基于疲劳极限的评判

…Alternating stress 作为判断应力

Alternating stress=(σ

- σmin)/2

max

…判断标准

σAlternating stress<σ

limit

σσ

limit

σ

√

2

S-N curve σ

×

1

-考虑平均应力的损伤修正…平均应力不同，交变应力幅值相同的交变应力造成的损伤不同。

…平均应力越大，交变应力造成的损伤越大。

σ

1

σ

2

N1N2

-考虑平均应力的损伤修正…Goodman method

σ

a

σ

1

σ

ca 修正后的交变应力

σ

mean =(σmax+ σmin)/2 平均应力

σ

ca

> σa

σa= (σmax - σmin)/2 交变应力

σ

u 拉伸强度σ

ca

例子1

有限寿命设计方法

…当交变载荷有较多的冲击过载或工作载荷为随机载荷时，工作应力在某些时刻会越过疲劳极限。此时，疲劳寿命设计主要是保证构件在设计的寿命之内不发生疲劳破坏，也即设计使构件具有有限的疲劳寿命。

有限寿命设计方法

-Miner法则（疲劳损伤线性累积）

…如何使用S-N曲线作寿命评估->Miner法则

…工作过程中，只有一个幅值的交变应力

σ

例如，σ=60Mpa

循环n次，造成的损伤：

Damage=n/N

当Damage=1时，疲劳发生

N

S-N curve σ

stress with same amplitude

-Miner法则（疲劳损伤线性累积）

…工作过程中，有多个幅值的交变应力

σσ1 ，σ2，σ3 各自循环n1,n2,n3次，

造成的损伤：

Damage= n

1/N1 + n2/N2 + n3/N3

=Σn

i/N i

当Damage=1时，疲劳发生

σ1

σ2 S-N curve

σ3

stress with different amplitude

-雨流计数法

…如何处理复杂交变应力Æ雨流计数法

-雨流计数法

…雨流法能将应力历程的所有大大小小的应力循环全部记下，大循环不会被小循环分割。如图1a所示，大循环585’和其中的小循环676’均被记下，这些大小应力循环形成的应力应变滞回圈（见图1b），与反复塑性应变引起的疲劳损伤机理相符。

有限寿命设计方法

-雨流计数法的计算机实现

…雨流法的计算机计数的具体实现是用四峰谷值比较法。四峰值比较法可以判别相邻四峰谷中是否存在一个应力循环。

…凡是出现如图2所示两种情况之一者，必存在一个应力循环。其中图2a所示的四峰谷值的关系是：x1≥x2,且x1 ≥x3和x2 ≥x4。图2b的关系是：x1≤x2,且x1 ≤x3和x2 ≤x4.

…当计算机从峰谷值数组中依次取出四个相邻的峰谷值进行判别时，若存在上述两种情况之一时，就记下这一循环的应力值和平均应力，然后抹去中间两个峰谷值，再次从峰谷值数组中依次取出两个峰谷值组成新的四个峰谷值。

有限寿命设计法

-寿命计算

Miner法则

获取材料S-N曲线

Life=(1/damage)*T

疲劳损伤度计算寿命计算

获得短期试验应力数据

雨流法数据处理

考虑平均应力的损伤修正

T：短期试验时间