机械零件疲劳寿命预测方法
机械零件的疲劳与寿命预测研究
机械零件的疲劳与寿命预测研究引言机械零件的疲劳寿命预测是现代工程学中的重要课题之一。
在高速、高负荷、长期运行的工况下，机械零件容易发生疲劳破坏，从而影响机械设备的安全性和可靠性。
因此，准确预测机械零件的疲劳寿命对于提高机械设备的使用寿命和可靠性具有重要意义。
一、疲劳与机械零件寿命疲劳是材料在交变载荷下发生的渐进性断裂现象，是机械零件在工作过程中最常见的失效形式之一。
在机械设备运行中，由于外界作用力的不断作用，机械零件会产生应力的集中和周期性变化，进而引发疲劳失效。
因此，了解机械零件的疲劳行为以及寿命预测具有重要意义。
二、疲劳损伤累积理论疲劳损伤累积理论是预测机械零件疲劳寿命的基础。
根据这一理论，机械零件在每一个疲劳循环中都会产生一定的损伤，这些损伤会逐渐累积，最终导致零件失效。
通过对零件在不同载荷下的应力-循环次数曲线进行分析，可以预测零件的疲劳寿命。
此外，还可以通过应力集中系数、材料的疲劳强度等参数来预测疲劳寿命。
三、常用的疲劳寿命预测方法1. 经验公式法经验公式法是疲劳寿命预测的一种简单有效的方法。
该方法基于历史数据和经验公式，通过分析零件的应力、载荷等参数，得到疲劳强度系数和载荷振幅系数，从而得出零件的疲劳寿命。
然而，由于该方法基于经验公式，其精度有限，容易受到应力分布和加载历史的影响。
2. 基于材料力学的方法基于材料力学的方法是一种物理模拟的疲劳寿命预测方法。
该方法通过材料的断裂力学性能和疲劳性能来预测零件的疲劳寿命。
该方法准确性较高，但需要大量的试验数据和复杂的分析方法来确定材料的力学性能参数。
3. 有限元法有限元法是一种基于数值模拟的疲劳寿命预测方法。
该方法通过建立机械零件的有限元模型，分析其受力状态和应力分布，进而预测零件的疲劳寿命。
该方法能够更准确地模拟零件在复杂载荷下的应力分布，但需要耗费大量的计算资源。
四、疲劳寿命预测的挑战与发展方向疲劳寿命预测仍然存在一些挑战，例如模型的精度和复杂性，以及材料参数的准确性等。
零件剩余疲劳寿命预测方法与产品可再制造性评估研究
研究方法
本研究采用了文献调研和现场调查相结合的方法，系统地搜集和整理了钢结 构剩余疲劳寿命评估的相关文献。同时，通过现场调查获取了实际工程中的钢结 构数据及其疲劳损伤情况。在分析过程中，本研究建立了基于物理和统计理论的 数学模型，并采用有限元分析软件对模型进行求解。
结果与讨论
通过对比分析，本研究发现，基于数据驱动和人工智能的方法在预测钢结构 剩余疲劳寿命方面具有较高的准确性和可靠性。此外，疲劳荷载和材料性能等因 素对钢结构剩余疲劳寿命的影响也得到了充分考虑。然而，现有的评估方法仍存 在一定的局限性，例如对于复杂荷载条件和不同材料性能的考虑尚不充分，需要 进一步完善和改进。
实验结果与分析
通过对实验数据进行统计分析，我们发现球轴承的疲劳裂纹萌生和扩展速率 受多种因素影响，如载荷、转速、材料属性等。通过对这些影响因素的综合考虑， 我们构建了一个深度学习模型，实现了对球轴承疲劳剩余寿命的准确预测。与其 他传统方法相比，该模型具有更高的预测精度和稳定性。
结论与展望
本次演示通过对球轴承疲劳剩余寿命分析与预测方法的研究，提出了一种基 于深度学习的寿命预测模型。该模型可有效提高球轴承剩余寿命预测的准确性和 稳定性，为机械设备的预防性维护提供了有力支持。然而，仍有一些问题需要进 一步研究和探讨，如：
另一方面，随着环保压力的增大和资源紧张的情况加剧，产品的可再制造性 评估将需要更加系统和全面的方法。例如，可以利用大数据和等技术，对产品的 全生命周期数据进行深度挖掘和分析，以提供更准确的可再制造性评估结果。
总结来说，零件剩余疲劳寿命预测方法和产品可再制造性评估研究是具有重 要实际意义和广泛应用前景的研究领域。通过不断的研究和创新，我们将能够更 好地理解和掌握零件的疲劳特性以及产品的再制造性，为工业生产和环境保护做 出更大的贡献。
机械零部件的材料疲劳寿命评估与预测
机械零部件的材料疲劳寿命评估与预测在机械工程领域中，材料的疲劳寿命评估与预测一直是一项关键性的工作。
机械零部件在长时间的工作过程中，由于受到加载和环境等多种因素的影响，往往会出现材料的疲劳破坏，这对机械设备的正常运行和安全性产生了很大的影响。
因此，准确地评估和预测机械零部件的疲劳寿命对于提高机械设备的可靠性和安全性至关重要。
疲劳寿命评估与预测是通过对零部件的材料疲劳性能进行测试和分析，来确定其寿命的过程。
评估的目的是通过检测材料的疲劳性能来确定其在特定工况下的工作寿命。
预测的目的是通过数学模型和计算方法，根据材料的特性和工况条件，来预估零部件的疲劳寿命。
评估和预测的过程需要综合考虑材料的组织性能、应力状态、工况条件等因素。
在材料疲劳寿命评估与预测中，一个重要的指标是疲劳强度。
疲劳强度是材料在疲劳加载下的抗疲劳破坏能力，它取决于材料的强度、硬度、韧性和断裂韧度等因素。
通过对材料的疲劳强度进行测试和分析，可以确定材料在不同工作条件下的疲劳寿命。
其中，疲劳寿命曲线是评估和预测疲劳寿命的重要工具。
疲劳寿命曲线是通过对材料进行长期的疲劳加载试验得到的一种曲线。
它描述了材料在一定工作条件下的疲劳寿命与加载循环次数的关系。
在实际情况中，由于材料的复杂组织性能和工作条件的多变性，疲劳寿命曲线往往是一个复杂的非线性曲线。
为了准确地评估和预测疲劳寿命，需要对疲劳寿命曲线进行适当的数学处理和分析。
在疲劳寿命评估与预测中，还需要考虑加载循环的影响。
加载循环是指材料在工作过程中所受到的交变加载。
不同的加载循环会对材料的疲劳性能产生不同的影响。
通常情况下，疲劳寿命会随着加载循环的增加而减小，这是由于材料的强度和抗疲劳性能会随着加载循环的增加而逐渐降低。
因此，在评估和预测疲劳寿命时，需要充分考虑加载循环的影响。
除了加载循环，环境因素也是影响疲劳寿命的重要因素之一。
例如，温度、湿度、腐蚀等环境条件会对材料的疲劳性能产生影响。
有些环境条件下，材料的疲劳寿命会大幅减少，甚至会导致材料的疲劳破坏。
机械设计中的疲劳分析与寿命预测
机械设计中的疲劳分析与寿命预测在机械设计领域，疲劳分析与寿命预测是至关重要的环节。
这不仅关系到机械设备的可靠性和安全性，还直接影响着生产效率和经济效益。
首先，我们来了解一下什么是机械疲劳。
简单来说，机械疲劳就是在循环载荷的作用下，材料或结构逐渐产生裂纹并扩展，最终导致失效的现象。
这种循环载荷可以是周期性的振动、拉伸、压缩等。
想象一下，一根反复弯曲的铁丝，经过多次弯曲后最终会断裂，这就是一个典型的机械疲劳的例子。
疲劳失效与静载荷下的失效有很大的不同。
在静载荷下，材料通常会在达到其强度极限时发生一次性的断裂。
然而，疲劳失效往往是在远低于材料的静态强度极限的应力水平下发生的，而且是经过多次的循环加载才会出现。
这就使得疲劳分析变得更加复杂和具有挑战性。
那么，为什么要进行疲劳分析呢？原因很简单，就是为了提前预测机械部件可能的失效时间，从而采取相应的预防措施。
例如，在航空领域，飞机的机翼和发动机部件在飞行过程中会承受无数次的循环载荷，如果不进行准确的疲劳分析和寿命预测，就可能会导致严重的飞行事故。
在汽车工业中，发动机的零部件、悬挂系统等也都需要进行疲劳分析，以确保车辆的可靠性和耐久性。
在进行疲劳分析时，需要考虑多个因素。
材料的特性是其中的关键之一。
不同的材料具有不同的疲劳性能，比如强度、韧性、硬度等。
此外，材料的表面质量也会对疲劳寿命产生影响。
一个表面粗糙的零件相比于表面光滑的零件，更容易产生疲劳裂纹。
载荷的特征也是重要的考虑因素。
载荷的大小、频率、波形等都会影响疲劳寿命。
比如，高频的载荷往往会导致更短的疲劳寿命。
零件的几何形状和尺寸同样不容忽视。
尖锐的转角、孔、槽等部位容易产生应力集中，从而加速疲劳裂纹的形成。
为了进行准确的疲劳分析和寿命预测，工程师们通常会采用多种方法和技术。
实验方法是其中一种常见的手段。
通过对实际零件进行疲劳试验，可以直接获得其疲劳寿命的数据。
然而，这种方法往往成本高、周期长，而且对于一些大型复杂的结构不太适用。
机械设计中的疲劳寿命预测方法
机械设计中的疲劳寿命预测方法在机械设计领域，确保零部件和结构在长期使用中的可靠性是至关重要的。
疲劳寿命预测作为评估机械部件耐久性的关键手段，对于预防故障、优化设计和降低维护成本具有重要意义。
疲劳是指材料在循环载荷作用下，经过一定次数的循环后产生的局部永久性结构变化，进而导致裂纹萌生和扩展，最终可能引发部件失效。
疲劳寿命则是指材料或结构在疲劳作用下，从开始加载到发生失效所经历的循环次数。
准确预测疲劳寿命可以帮助设计师在产品开发阶段就采取有效的措施来提高产品的质量和可靠性。
目前，常见的疲劳寿命预测方法主要包括以下几种：实验方法是疲劳寿命预测的基础。
通过对实际材料或部件进行疲劳试验，可以直接获得其在特定载荷条件下的疲劳寿命数据。
然而，这种方法往往成本高昂，且试验周期长。
此外，由于实际工作条件的复杂性，很难完全模拟所有的工况，因此实验结果可能具有一定的局限性。
应力寿命法（SN 法）是一种广泛应用的传统方法。
它基于材料的应力水平与疲劳寿命之间的关系。
通过对大量实验数据的统计分析，建立应力幅与疲劳寿命的 SN 曲线。
在实际应用中，只需知道部件所承受的应力幅，就可以根据 SN 曲线估算其疲劳寿命。
但 SN 法通常假设材料是均质的，且不考虑裂纹的萌生和扩展过程，对于一些存在应力集中或复杂载荷的情况，预测结果可能不够准确。
应变寿命法（εN 法）则考虑了材料的塑性变形。
它基于材料的应变幅与疲劳寿命之间的关系。
该方法适用于低周疲劳情况，即在较高应变幅下，材料的塑性变形起主导作用。
应变寿命法对于分析具有局部塑性变形的部件疲劳寿命具有较好的效果，但同样存在一定的局限性，例如对于多轴应力状态的处理较为复杂。
损伤力学方法从微观角度研究材料的损伤演化过程。
通过建立损伤变量与载荷循环次数的关系，来预测疲劳寿命。
这种方法能够考虑材料内部的微观缺陷和损伤积累，但模型参数的确定较为困难，且计算量较大。
裂纹扩展法主要关注裂纹萌生后的扩展阶段。
某型机械零件的疲劳寿命预测模型
某型机械零件的疲劳寿命预测模型某型机械零件的疲劳寿命预测模型探讨机械零件在长期运行过程中，受到不同程度的载荷和环境影响，会逐渐疲劳损伤，最终引发失效。
因此，研究零件的疲劳寿命预测模型，对于保证机械设备的可靠性和寿命具有重要意义。
疲劳寿命预测模型是一种通过分析零件的应力-应变状态以及疲劳损伤累积情况，预测零件疲劳失效的方法。
这种模型所依据的理论基础主要包括材料力学、疲劳损伤理论和概率统计等方面。
在实际应用中，我们需要确定合适的疲劳寿命预测模型，并根据具体情况进行参数的选择和优化。
首先，我们需要选择一种适用于该型机械零件的疲劳寿命预测模型。
常见的模型有Basquin模型、Coffin-Manson模型、Smith-Watson-Topper模型等。
这些模型在描述疲劳寿命方面有不同的适用范围和精度。
在选择模型时，我们需要综合考虑零件的应力-应变特征、材料的疲劳性能以及实际工况等因素。
同时，我们还可以根据实验数据对不同模型进行拟合，选择拟合精度较高的模型。
其次，确定疲劳寿命预测模型中的参数是关键步骤。
模型的参数包括基本方程中的系数和指数，这些参数直接影响了预测结果的准确性和可靠性。
一般来说，我们可以通过实验数据或已有数据资料，采用曲线拟合等方法来确定参数的初值。
然后，我们可以运用优化算法，如遗传算法、粒子群算法等，对参数进行求解和优化，以提高模型的准确性和精度。
除了模型的选择和参数的确定，零件的实际工况也是疲劳寿命预测的重要因素。
在进行预测时，我们需要准确测量并计算零件的应力和应变状态，包括静载荷和动载荷两部分。
同时，环境因素也需要考虑进去，如温度、湿度、腐蚀等。
这些因素都会对零件的疲劳寿命产生影响，因此需要综合考虑。
最后，我们需要对疲劳寿命预测模型的准确性和可靠性进行验证。
这可以通过现场监测、实验验证以及与已有数据的对比等方式来实现。
在验证时，我们需要充分考虑实际工况与模型预测的接近程度，以及疲劳失效的具体形式和机制等因素。
机械零部件的寿命预测与寿命管理
机械零部件的寿命预测与寿命管理机械零部件是现代工业生产的核心组成部分，其寿命的预测和管理对于维持生产的正常运行和降低维修成本具有至关重要的意义。
本文将探讨机械零部件寿命预测与寿命管理的方法和重要性。
一、机械零部件寿命的预测方法1. 经验法经验法是通过对历史数据的分析和总结来预测零部件的寿命。
它基于统计学原理，通过对大量的实际寿命数据进行分析，进行寿命预测。
然而，经验法的缺点是无法适应不同工况和使用环境，因此在特定应用场景下的预测准确性可能会降低。
2. 物理模型法物理模型法是基于零部件的工作原理和物理特性建立的数学模型，通过对模型的求解来预测寿命。
该方法适用于小批量生产的零部件，因为它需要深入了解零部件的结构和功能。
3. 细节应力法细节应力法是通过计算零部件表面或内部的应力分布，结合材料强度和材料疲劳曲线，来预测寿命。
该方法广泛应用于精密机械零件和高负载零件中，对零部件的设计和制造有较高的要求。
二、机械零部件寿命的管理方法1. 预防性维护预防性维护是在零部件发生故障之前，根据预定的维护计划对其进行维护和检修。
通过定期检查和更换易损零部件，延长零部件的使用寿命，并减少由于突发故障带来的停机时间和维修成本。
2. 监测维护监测维护是通过监测零部件的运行状态和性能指标，及时发现并处理潜在的故障。
采用传感器技术和数据采集系统，实时监测零部件的振动、温度、压力等参数，以预测零部件的寿命和故障风险，从而进行针对性维护和修复。
3. 材料选用和设计改进在机械零部件的材料选用和设计中，注重寿命因素的考虑是一种有效的寿命管理方法。
选择具有较高耐磨、耐疲劳和耐腐蚀性能的材料，并采用优化的结构设计，可以显著提高零部件的使用寿命和可靠性。
三、机械零部件寿命预测与寿命管理的重要性1. 降低维修成本机械零部件的故障和更换对生产企业来说是一项庞大的开支。
通过合理预测和管理零部件的寿命，可以在故障发生之前采取相应措施，降低维修成本和停机时间，提高生产效率和产品质量。
机械零件疲劳寿命预测方法研究
机械零件疲劳寿命预测方法研究在现代工业生产中，机械零件的疲劳失效是一个常见且严重的问题。
准确预测机械零件的疲劳寿命对于确保机械设备的可靠性、安全性以及降低维护成本具有至关重要的意义。
本文将对机械零件疲劳寿命预测的方法进行深入探讨。
疲劳失效是指在循环载荷作用下，机械零件经过一定次数的应力循环后发生的破坏现象。
这种破坏往往在零件的应力集中部位，如尖角、孔洞、螺纹等地方开始，并逐渐扩展，最终导致零件的断裂。
由于疲劳失效的发生具有随机性和隐蔽性，因此很难通过直接观察来预测其发生的时间。
目前，用于机械零件疲劳寿命预测的方法主要有以下几种：实验法是最直接也是最可靠的方法之一。
通过对机械零件进行实际的疲劳试验，可以获得其在不同载荷条件下的疲劳寿命数据。
然而，这种方法存在着成本高、周期长等缺点，而且对于一些大型或复杂的零件，实验操作难度较大。
应力寿命法（SN 法）是一种常用的疲劳寿命预测方法。
该方法基于材料的疲劳性能曲线（SN 曲线），通过计算零件所承受的应力幅和平均应力，结合材料的 SN 曲线来预测疲劳寿命。
SN 曲线通常是通过大量的疲劳试验获得的，反映了材料在不同应力水平下的疲劳寿命。
在使用 SN 法时，需要准确地确定零件的应力状态，并考虑应力集中、尺寸效应等因素的影响。
但 SN 法对于高周疲劳（应力循环次数大于10^4 次）较为适用，对于低周疲劳（应力循环次数小于 10^4 次）则预测精度较低。
应变寿命法（εN 法）则适用于低周疲劳寿命的预测。
该方法考虑了材料在循环载荷下的塑性应变，通过计算零件的应变幅和平均应变，结合材料的应变寿命曲线来预测疲劳寿命。
与 SN 法相比，εN 法能够更准确地预测低周疲劳寿命，但需要更复杂的应变测量和分析。
局部应力应变法是一种基于零件局部应力应变状态的疲劳寿命预测方法。
该方法通过分析零件在载荷作用下的局部应力应变分布，结合材料的疲劳性能数据来预测疲劳裂纹的萌生和扩展寿命。
局部应力应变法考虑了应力集中、表面加工状态等因素对疲劳寿命的影响，因此在预测复杂零件的疲劳寿命时具有较高的精度。
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n1 = Α1N L , n2 = Α2N L , …, nk = ΑkN L (11)
∑ N
L
k i= 1
Αi
Ni
=
1
(12)
又设 N L 为最大应力级 S 1 作用下材料破坏的循环
数, 则根据材料疲劳的 S 2N 曲线, 有
N 1 N i = (S i S 1) m
(13)
代入式 (12) , 得到估计疲劳寿命的计算式为
2Π - ∞
(3)
称式 (3) 中的 x f 为与失效概率 P f 相联系的安全寿
命, 按定义可靠度为
R ( t > tR ) = (1
∫∞
2Π) exp (- t2 2) d t (4) -∞
式 中, tR = (x R + Λ) Ρ, x R = Λ+ tR Ρ, 称 x R 为与可靠
度 R 相联系的安全寿命。
k
∑ N L = N 1
Αi (S i S 1) d
(15)
i= 1
可见式 (14) 与式 (15) 十分相似, 因此, 柯特2多兰理
论可以认为是对应于另一种形式疲劳曲线的迈纳公
式。对于低应力损伤分量占的比重较大的场合, 应用 柯特2多兰理论估计的疲劳寿命, 将比用迈纳理论估 计的疲劳寿命较符合实际。
3 工程实例
例 1: 已知某零件承受循环等幅交变应力, 寿命 服从对数正态分布, 即: lg N ～ N (Λ, Ρ) = N (6. 647, 0. 292)。 求: ①给定失效概率 P f = 10- 2, 求安全寿 命。 ②该零件能运转 158 000 次循环而不失效的可 靠度为多少?
解: ①利用式 (4) , x f = Λ- tf Ρ, 其中 Λ= 6. 647, Ρ= 0. 292。由 P f = 10- 2查正态分布表得 tf = 3. 0, 代 入上式得: x f = 5. 771, 所以, N f = lg- 1 x f = lg- 1 5. 771= 5. 902×105, 故给定 P f = 10- 2时的安全寿命为 5. 902×105。
Ρ 2Π - ∞
令 t=
(x
Ρ
Λ)
,
d
t=
dx
Ρ, 代入式 (1) , 则有
P f (t) = (1
∫∞
2Π) exp (- t2 2) d t -∞
(2)
记- tf = (x f - Λ) Ρ, x f = Λ- tf Ρ, 按定义失效概率为
P f ( t < tf ) =
∫ 1
∞
exp (- t2 2) d t
②给定 N = 158 000 次, lg N = 5. 198 7, 则 tR = (x R - Λ) Ρ= - 4. 959 9, 查 正 态 分 布 表 得 R = 0. 999 9, 所以, 运转 158 000 次循环的可靠度为 R = 0. 999 99。
例 2: 某零件受不稳定变应力作用, 应力谱统计 划 分 为 9 级, 应 力 水 平 中 最 大 的 一 级 为 S 1 = 20 kN cm 2, 其在相应的疲劳曲线上达到破坏的循 环次数为N = 5. 9×104 次循环。设已知零件疲劳曲 线的斜率为 m = 6, 疲劳极限为 S 0= 10 kN cm 2。 试 分别按迈纳法和柯特2多兰法估计该零件的疲劳寿
= P i 时的疲劳寿命。
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国外建材科技 2005 年 第 26 卷 第 4 期
论有一定的局限性, 但目前仍被广泛地应用着, 主要
原因在于它比较简便, 且 D 作为一个随机变量而
言, 其数学期望为 1, 用它来估计寿命效果比较好。
设 N L 为在变幅载荷下零部件的疲劳寿命, 令
k
∑ Αi= n i
nl 为第 i 级应力 S i 作用下的工作循环
l= 1
次数与各级应力下总的循环数之比, 则有
映出零件的不同失效机理。
2 不稳定变应力的疲劳寿命分析
2. 1 载荷 (应力) 累积频次分布 在各种机械设备中, 有不少零部件且大多为主
要零部件, 是在不稳定变应力条件下工作的。要预测 这些零件的疲劳寿命, 取决 3 个基本因素: 一是零件 上应力谱的形式, 二是在等幅变应力下零件的 S 2N 曲线及其特征, 三是与前二者有关的疲劳损伤累积 理论及其表达式。对于承受随机载荷的零件, 在进行 疲劳计算时, 必须要搞清楚零件上危险点的位置, 以 及在随机载荷作用下危险点上的应力随时间变化的 历程, 这一般可以用实测法得到。将实测所得的应力 2时间历程, 经过适当的计数法统计后可以给出实测 应力累积频次分布。 这种载荷 (应力) 谱不仅是用来 估计零件疲劳寿命的原始资料; 而且也是作为进一 步备在实验室中进行模拟加载试验的基本依据。 在 绘制实测应力累积频次分布图时, 忽略了应力的先 后次序对疲劳的影响。但如果增加应力级数, 则应力 先后次序的影响会减小, 这样在不同的程度加载下, 疲劳寿命差别就不会很大。 现在大多采用 8 个应力 级的试验程序, 认为这就足以代表连续应力2时间历 程了。 2. 2 按疲劳损伤累积理论预测疲劳寿命
k
∑ d 1 + d 2 + … + d k =
d iD
(8)
i= 1
d N
1D
1
+
d N
2D
2
+
…+
d N
kD
k
=
D
(9)
k
∑(d i N i) = 1
(10)
i= 1
式中, D 为总损伤量, d i 为损伤分量, n i 为试件在应
力 S i 作用下的工作循环次数。N i 为材料在应力级
S i 下直至破坏的循环数。
就能很好地描述这一特性。 三参数威布尔分布其概
率密度函数为
f (N ) =
b
5
7 5
b- 1
exp -
7b 5
(5)
式中, Х= (N T - N 0 ) , 7 = N - N 0, N 0 为最小寿命
(位置参数) ; N T 为特征寿命, b 为形状参数。当寿命
为 N 时的破坏概率为
F (N ) = 1 - exp [ - (7 5 ) b ]
承受交变载荷的零部件、机器, 其失效形式往 往是疲劳失效, 工程设计的主要任务就是要预测在 交变载荷作用下, 零部件、机器的疲劳寿命。 所谓预 测就是一种估计预报方法, 它是由收集载荷、环境条 件、强度试验, 寿命试验和可靠性试验等数据, 来预 测零部件或系统在现场实际使用性能的一种方法。 零件受循环变幅应力时, 在应力集中处产生最大应 力, 若它小于材料的疲劳极限, 则称为无限寿命设 计, 此时不存在寿命预估问题。而无限寿命设计的依 据是, 零件在交变载荷的作用下, 可以无限长时间的 使用而不损坏。 但对某些只需工作一定期限又要求 重量轻、体积小、可靠度要求高的零部件, 若都按无 限寿命设计必然显得极不合理, 在工作载荷出现高 峰载荷且次数较少时更是如此。为弥补这一缺陷, 可 以考虑允许出现大于疲劳极限的应力, 从疲劳强度 观点看, 这并非导致立即疲劳破坏, 零件仍能工作一 段时间。 这就是有限寿命设计, 它的依据是, 零件在 规定的使用寿命期间不致因交变载荷的作用产生疲 劳损伤而失效, 同时又充分发挥材料的性能, 即零件 在达到使用寿命时, 已经开始逐步丧失工作能力, 这 种设计比无限寿命设计节约大量的材料, 所以在进 行有限寿命设计时, 就存在一个疲劳寿命预估问题。 寿命的预估准确与否, 将直接关系到机器的使用可 靠性与安全性。
理论为迈纳 (M iner) 线性累积损伤理论, 这个理论 假定, 在试件加载过程中, 每一载荷循环都消耗掉试 件一定的有效寿命分数; 疲劳损伤与试件吸收的功 成正比, 这个功与应力的作用循环次数和在该应力 值下达到破坏的循环次数之比成比例, 试件达到破 坏时的总损伤量 (总功) 是一个常量, 它是载荷的简 单函数, 且损伤与载荷作用的次序无关; 各循环应力 产生的所有损伤分量之和等于 1 时, 试件发生破坏。 归纳起来就可得出如下的基本关系式
1 等幅变应力作用疲劳寿命分析
机械零件中, 如轴类及其它传动零件, 它们多半 承受对称或不对称循环的等幅变应力的作用。 根据 这些零件或试件所得到的实验数据进行统计分析, 其分布函数常为对数正态分布或威布尔分布, 分别 讨论。 1. 1 服从对数正态分布的疲劳寿命
在对称循环等幅变应力作用下的试件或零件,
根据大量试验数据的统计, 实际达到破坏时的
总累积损伤量 D 值约在 0. 61～ 1. 45 之间, 而在变
幅载荷下, D 值不但与载荷幅值而且与作用次序有
关, 且差别更大。此外, 按迈纳理论, 累积损伤只产生
在应力大于材料的疲劳极限的范围, 小于材料的疲
劳极限, 则不引起损伤且具有无限寿命。虽然迈纳理
则零件的可靠度为
线外还要应用疲劳损伤累积理论。 常用的累积损伤
exp [ - (7 5 ) b ] 当 N > N 0
R (N ) =
1
当N ≤N 0 (7)
在威布尔分布的应用研究中, 关键是要解决形状参
数 b 的估计。这在有关资料中已介绍得很多了。它和
零件的可靠度和失效率有着密切的联系, 能直接反
1. 2 疲劳寿命服从威布尔分布的情况
正态分布存在明显的缺点, 即无论把应力取得
如何低, 总存在一个失效概率 (尽管它的值是很小
的) , 这等于说不存在失效概率等于零的应力值, 显
然这与疲劳的物理背景不相符, 因为材料或零部件