疲劳寿命设计方法
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。
结构材料的疲劳寿命与优化设计
结构材料的疲劳寿命与优化设计结构材料在长期使用中会面临疲劳问题，即由于交变载荷的作用，材料会产生损伤与破坏。
为了延长结构材料的使用寿命，优化设计成为一项重要而必要的工作。
本文将探讨结构材料的疲劳寿命与优化设计之间的关系，并提出一些优化设计的方法。
1. 疲劳寿命的定义与影响因素疲劳寿命指的是材料在一定载荷幅值下能够经受的循环载荷次数。
疲劳寿命的长短受到多种因素的影响，主要包括材料的力学性能、表面质量、环境条件、工作温度等。
其中，材料的力学性能是决定疲劳寿命的关键因素之一。
2. 疲劳寿命与材料的优化设计为了提高结构材料的疲劳寿命，优化设计是必不可少的。
优化设计旨在最大程度地提高材料的性能，并降低疲劳破坏的风险。
以下是一些优化设计的方法：2.1 合理选择材料选择适合工程需求的材料是优化设计的基础。
很多材料都有其适用范围与优点，例如耐疲劳性能较好的高强度钢、高温下表现良好的镍基合金等。
根据具体工程要求，选择具备适当力学性能、抗疲劳能力的材料是提高疲劳寿命的关键。
2.2 控制结构形状与尺寸结构的形状与尺寸对于疲劳寿命具有明显的影响。
采用合理的结构形状与尺寸，如圆角转角、避免应力集中等，可以减少疲劳寿命下降的风险。
通过有限元分析等方法，结合实际工程需求，进行结构形状与尺寸的优化设计，可以进一步提高材料的疲劳寿命。
2.3 表面处理与涂覆技术表面处理与涂覆技术是优化设计中常用的手段之一。
通过采用表面强化处理技术，如磨削、抛光、喷涂等，可以提高材料的表面质量及抗疲劳能力。
同时，涂覆技术可以增加材料的抗腐蚀性能和减少疲劳裂纹的发展速率，从而延长疲劳寿命。
2.4 加强监测与维护定期的监测与维护工作对于保障结构材料的疲劳寿命至关重要。
通过使用无损检测技术，如超声波检测、磁粉检测等，及时发现并修复结构中的缺陷与裂纹，可以有效延长疲劳寿命。
此外，合理的维护计划和操作规范也是确保材料长期使用的重要保障。
3. 结论结构材料的疲劳寿命与优化设计密切相关。
无限寿命设计法
❖ σ-1 ：拉压载荷取对称拉压疲劳极限σ-1l，其余的均为材料的弯曲疲劳极限 σ-1 。
❖ τ-1 ：均为材料的对称扭转疲劳极限τ-1 。 ❖ 可用以下三种方法来确定σ-1与τ-1
➢ 试验法（第2章的相关方法进行弯曲或扭转试验） ➢ 查表法 ➢ 估算法
对称弯曲疲劳极限 1 f b
机械强度与可靠性——
第4章 无限寿命设计法
4.1 概述
疲劳寿命设计方法包括：无限寿命设计法和有限寿命设计法 （名义应力法和局部应力应变法）。
无限寿命设计法的出发点：零件在设计应力下能长期安全使 用。（20世纪40年代由谢联先提出，目前仍广泛使用）
使用条件：
❖ 等幅加载时，工作应力smax< s-1 (疲劳极限)
（3）查尺寸系数
由图（3-6）查得合金钢的弯曲尺寸系数。其中 曲线6对应强度极限为1000MPa. D=42mm时，ε=0.63； d=30mm时，ε=0.70。
对于拉压情况，当直径小于50mm时，无尺寸 效应，所以ε=1. (P54,影响因素（1）)
（4）计算KσD值。
KD
K
1
1
1
3.14153 1 1 3.22853 1 0.92
三. 平均应力折算系数的选取
❖ 正应力
➢ 拉伸平均应力折算系数（R>-1）
由式（3-27）得到：
a 1 f
式中，
为对称弯曲疲劳极限；
1
f 为真断裂强度，可用下式估算：
f b 350MPa
➢ 压缩平均应力折算系数（R<-1）
可保守地取φσ =0，偏于安全。
❖ 切应力
➢ 建议：
四. 许用安全系数的确定
疲劳-总寿命法
ε
' f
2N f
c
∆ε
p
/
2是塑性应变幅值，ε
' f
是疲劳延展性常数(对于多
数金属 ≈ ε f－实际的断裂延展性)，c是疲劳延展性
常数(许多金属-0.5到-0.7)。
疲劳与断裂
21
疲劳设计法
通常方法
通常来讲，应用哪个方程？(应力寿命或者应变 寿命法)？全更迭中，应变控制载荷。总应变由弹性 和塑性部分组成，即
疲劳与断裂
29
疲劳裂纹的阻滞
子弹射击
因为几乎所有的疲劳和应力腐蚀疲劳发生在一 部分表面，所以子弹射击引起的压缩应力使部分寿 命有可观的增长。产生的典型的残余应力至少是射 击后材料屈服强度的一半。
子弹射击的优点是残留压缩应力和表面冷工作 的结果。
疲劳与断裂
30
疲劳裂纹的阻滞
子弹射击
屈服应力：疲劳裂纹增长、腐蚀疲劳、应力腐 蚀裂化、氢化裂化、腐蚀、磨损和气穴引起的侵蚀 而增加的抗力。
应变寿命法
载荷可由塑性应变幅值 ∆ε p / 2 代替应力幅值σ a
描组成述，。可在以这发些现情如况下下的，线如性果关图系由：log⎜⎜⎝⎛
∆ε
2
p
⎟⎟⎠⎞与
log(2
N
f
)
疲劳与断裂
20
疲劳设计法
应变寿命法
下面的关系式(Coffin-Manson,1955年)描述了
该行为：
( ) ∆ε p 2
=
∆ε = ∆εe + ∆ε p
22 2
Coffin-Manson表达式可用∆ε p / 2表达。∆εe / 2呢？
疲劳与断裂
22
疲劳设计法
第十章 疲劳寿命预测和抗疲劳设计
j
σ minj
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱNj
N
3) 选取适当的a(控制精度,如a≤0.01a), 选取适当的 控制精度, 0.01a N= /(da 计算 N=a/(da/dN)j.
10
4) 比较N与Nj. 比较 若N>Nj, 则aj<a, 满足精度. (da 满足精度.令aj=Nj(da/dN)j, 返回1). aj+1=aj+aj, 返回1).
7
损伤容限设计三要素 损伤容限设计三要素为: 三要素为
剩余强度曲线: 剩余强度曲线: 用断裂力学方法分析; 用断裂力学方法分析; 损伤增长曲线: 损伤增长曲线: 进行疲劳裂纹扩展分析; 进行疲劳裂纹扩展分析;
剩余强度曲线 结 构 σmax 强 度 检查期 或 载 正常工作载荷 荷 损 伤 长可 度检 a 裂
14
D) 等效应力法
适于典型谱段重复作用的载 荷谱.寻求一等效应力, 荷谱.寻求一等效应力,将 该谱段转换成恒幅谱. 该谱段转换成恒幅谱.
σ
ο
Ν
∑ σα n i 1/α i 定义等效应力为: 定义等效应力为: σ = ( ) ∑ ni 为谱中第i个应力( σi 为谱中第i个应力(σmaxi,σmini或σi ), ni为循环次数. 为循环次数. α是可调整损伤等效性的参数,与谱有关. 是可调整损伤等效性的参数,与谱有关. 调整损伤等效性的参数 =2时 即通常的均方根应力. α=2时,即通常的均方根应力. 等效应力法使计算得到极大的简化. 等效应力法使计算得到极大的简化.
8
2. 随机载荷谱下的损伤累积方法
A) 逐循环直接求和法 在任意第i个循环下, 在任意第i个循环下, 由谱可知σ 由谱可知σi和Ri,有: (da/dN)i≈ai/Ni=f(σi,ai,Ri) (da ≈a =f(σ 注意 =1,可算得 注意Ni=1,可算得ai.
疲劳寿命计算公式实例
疲劳寿命计算公式实例疲劳寿命是指材料或结构在受到交变载荷作用下能够承受的循环次数。
在工程实践中，准确计算疲劳寿命对于设计和评估材料或结构的可靠性至关重要。
计算疲劳寿命的方法有很多种，其中一种常用的方法是通过疲劳寿命计算公式来进行估算。
这个公式是根据疲劳试验数据的统计分析得出的，可以用来预测不同载荷下材料或结构的疲劳寿命。
一个常用的疲劳寿命计算公式是史密斯公式，也称为SN曲线方法。
该方法基于疲劳试验数据，建立了应力幅与寿命的关系，通过应力幅来估算材料或结构的疲劳寿命。
史密斯公式的一般形式是N = C*(Δσ)^m，其中N表示寿命，C和m是材料的常数，Δσ表示应力幅。
这个公式可以用来计算不同应力幅下的疲劳寿命。
为了更好地理解史密斯公式的应用，我们来看一个实例。
假设我们有一根钢梁，在某个应力水平下受到循环载荷作用。
我们想要计算钢梁的疲劳寿命。
我们需要获取钢梁的疲劳试验数据，包括不同应力幅下的寿命。
然后，我们可以利用这些数据来拟合出史密斯公式中的常数C和m。
一般来说，可以通过最小二乘法来进行拟合。
完成拟合后，我们就可以利用史密斯公式来计算不同应力幅下钢梁的疲劳寿命了。
假设在某个应力幅下，Δσ为100MPa，我们可以代入公式计算出对应的寿命N。
需要注意的是，史密斯公式是一种经验公式，其适用范围有限。
在实际应用中，我们还需要考虑其他因素，如材料的裂纹敏感性、环境条件等。
疲劳寿命的计算还可以使用其他方法，如线性累积损伤法、极限状态法等。
这些方法在不同情况下有不同的适用性，需要根据具体情况选择合适的方法。
总结起来，疲劳寿命的计算是工程实践中一个重要的问题。
通过疲劳寿命计算公式，我们可以预测材料或结构在不同应力幅下的疲劳寿命。
然而，需要注意的是，公式的适用性有限，实际应用时需要综合考虑其他因素。
在进行疲劳寿命计算时，我们还可以借鉴其他方法，以提高计算的准确性和可靠性。
机械设计中的材料疲劳寿命预测论文素材
机械设计中的材料疲劳寿命预测论文素材材料疲劳寿命预测在机械设计中扮演着至关重要的角色。
它通过分析和预测材料在应力循环加载下的疲劳性能，有助于保证设计的可靠性和安全性。
本文将介绍材料疲劳寿命预测的一些基本概念和方法，并举例说明其在实际机械设计中的应用。
一、材料疲劳寿命预测的基本概念材料疲劳寿命是指材料在应力循环加载下发生疲劳破坏前所能承受的循环加载次数或时间。
在机械设计中，我们需要预测材料在实际使用过程中的疲劳寿命，以便选择合适的材料和优化设计。
了解材料疲劳寿命需要掌握以下几个概念：1. 应力幅和平均应力：应力幅是指材料在循环加载过程中应力波动的幅度，平均应力是指应力波动的平均水平。
2. 应力比：应力比是指最大应力和最小应力之间的比值，用来描述加载过程中的应力状态。
3. S-N曲线：S-N曲线是指应力循环加载次数（S）和材料疲劳寿命（N）之间的关系曲线，用来描述材料的疲劳特性。
二、常用的材料疲劳寿命预测方法1. 经验法：经验法是基于试验数据和经验公式进行材料疲劳寿命预测的方法。
它基于大量试验数据的统计分析，通过拟合曲线来预测材料的疲劳寿命。
2. 统计学方法：统计学方法是基于概率统计理论进行材料疲劳寿命预测的方法。
它通过分析试验数据的分布特征和参数估计，计算材料的疲劳寿命。
3. 数值模拟方法：数值模拟方法是基于计算机仿真和数值计算进行材料疲劳寿命预测的方法。
它通过建立材料的力学模型和疲劳损伤模型，模拟应力加载和疲劳寿命。
三、材料疲劳寿命预测的应用案例1. 汽车发动机曲轴的疲劳寿命预测：在汽车发动机工作过程中，曲轴经受着高频和高应力的循环加载。
通过疲劳寿命预测方法，可以评估曲轴在使用寿命内的疲劳寿命，以确保其安全可靠。
2. 飞机机翼的疲劳寿命预测：飞机机翼在飞行过程中会承受来自气动力和重力的复杂应力加载。
通过数值模拟方法和试验验证，可以预测机翼的疲劳寿命，为飞机的设计和维修提供依据。
3. 桥梁结构的疲劳寿命预测：桥梁结构处于常年加载和环境变化的复杂环境下。
机械设计中的疲劳寿命估算
机械设计中的疲劳寿命估算疲劳寿命估算是机械设计中一个重要的任务，它能够帮助工程师评估机械零件在长期使用过程中可能发生的疲劳破坏。
合理的疲劳寿命估算可以减少机械故障的发生，提高机械设备的可靠性和安全性。
本文将从疲劳寿命的定义、影响因素以及估算方法三个方面进行探讨。
一、疲劳寿命的定义疲劳寿命是指机械零件在循环加载下能够承受的次数，即在特定的载荷条件下，零件发生疲劳破坏前所经历的循环次数。
一般来说，疲劳寿命的表达方式为Nf，单位可以是次数、小时或循环。
二、影响疲劳寿命的因素1.应力水平：应力是导致疲劳破坏的主要原因之一，较高的应力水平会导致疲劳寿命的显著缩短。
2.材料性能：材料的强度、韧性等性能对疲劳寿命有着重要影响。
一般来说，强度较高、韧性较好的材料疲劳寿命相对较长。
3.工作环境：工作环境的恶劣程度、温度、湿度等因素也会对零件的疲劳寿命产生影响。
在腐蚀性环境中工作的零件疲劳寿命通常更短。
4.载荷类型：对于不同类型的载荷，疲劳寿命也会有所不同。
多变载荷和单纯应力载荷下的疲劳寿命表现不同。
5.几何形状：零件的形状、尺寸以及表面质量等也会对疲劳寿命造成一定影响。
三、疲劳寿命估算方法1.基于SN曲线的估算方法：SN曲线是疲劳寿命估算方法中最为常用的一种方法。
它通过试验得到零件在不同循环次数下的应力水平，进而建立起应力水平与疲劳寿命之间的关系曲线。
根据实际工况下的应力水平，可以通过插值或外推的方法预估零件在特定条件下的疲劳寿命。
2.统计学方法：统计学方法是一种基于概率统计理论的疲劳寿命估算方法，它考虑到了不确定性因素对疲劳寿命的影响。
通过统计样本数据，建立概率密度函数或累积分布函数，从而得到零件在一定概率范围内的疲劳寿命。
3.有限元方法：有限元方法是一种基于数值模拟的疲劳寿命估算方法。
它通过建立零件的有限元模型，并考虑材料本构关系和载荷工况，利用有限元软件对零件的应力分布进行分析，从而计算出疲劳寿命。
总结：疲劳寿命估算是机械设计中不可忽视的一环，它可以帮助工程师评估零件的使用寿命和可靠性。
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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
疲劳寿命仿真计算
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
仿真获取应力数据
…对于复杂的机构，可以将多体动力学和有限元分析相结合，从而获得机构工作状态连续应力数据
…用仿真的方法可以代替样机试验，从而能在设计初期进行寿命评估，节省时间提高效率
疲劳寿命计算的不足
…试件和实际零件表面状况差别大
σÆ表面状况对疲劳损伤影响较大
…试件疲劳性能散差大
…损伤线性累积法则存在局限性
Æ例如，不同应力幅值应力加载顺序不同，损
伤不同。