基于疲劳损伤累积理论的零件疲劳寿命评估
第三章_线性疲劳累积损伤理论
在 值已知的情况下，尺度参数 可用回复期 内疲劳载荷长期分析得到的对应某一超越概率的 应力范围表示。通常是用超越概率为
P(S SL ) 1 / N L
的应力范围 S L来表示。其含义是，在该回复期内 的全部 N L次应力范围循环中，大于 S L 的应力范围 仅可能出现一次。可得
S L P( S S L ) 1 P( S S L ) 1 F ( S L ) exp
第三章 线性疲劳累积损伤理论
若构件在某恒幅交变应力范围S作用下，循环破 坏的寿命为N，则可以定义其在经受n次循环时的 损伤为D＝n/N n=0则D＝0，n=N则D＝1时，破坏。 构件在应力范围Si作用下经受ni次循环的损伤为 Di=ni/Ni.则在K个应力范围Si作用下，各经受
ni次循环则可定义其总损伤为
DT Dij =
i 1 j 1 nS nH
T m nS n H (1 ) pi p j f 0ij 2 2m0ij A 2 i 1 j 1
m
随机谱与循环计数法
• 恒幅载荷作用下的疲劳寿命估算，可直接 利用S-N曲线。变幅载荷谱下的寿命预测可 用Miner理论加以解决。 现在进一步研究随 机载荷的处理。 • 将不规则的、随机的载荷—时间历程转化 为一系列循环的方法，称为“循环计数 法”。计数法有很多种，本课只讨论简单、 实用且与变幅循环载荷下的应力—应变响 应一致的简化雨流计数法。
统计特征，应力范围的短期分布可用连续的理论
概率密度函数来描述。实际分析时，航速一般取 为一个定值。综合所有海况和航向的应力范围短 期分布以及各海况和航向出现的频率，就得到了 应力范围的长期分布，其形式是分段连续的。
飞机结构疲劳寿命评估和监测
飞机结构疲劳寿命评估和监测飞机作为一种特殊的交通工具，其结构疲劳寿命的评估和监测是非常重要的。
随着飞机使用年限的增加和使用环境的变化，飞机的结构疲劳问题也逐渐显现，为此，正确评估和监测飞机结构疲劳寿命有助于保证飞机的安全，提高运营效率，延长飞机的使用寿命。
一、疲劳寿命评估的原理和方法飞机结构疲劳问题的产生主要是由于重复载荷作用下的应力集中引起的。
因此，疲劳寿命评估的方法主要是根据应力与应变的关系来计算材料的寿命。
目前，疲劳寿命评估的方法主要有三种：1. 线性累积损伤理论线性累积损伤理论主要是通过计算结构受到的载荷，然后根据载荷大小与疲劳裂纹扩展速率的关系，计算结构的寿命。
2. 非线性累积损伤理论非线性累积损伤理论是线性累积损伤理论的改进版，其主要原理是在载荷峰值附近引入非线性因素，通过式子对剪切模量进行校正，进而计算疲劳损伤。
3. 特征点法特征点法主要是通过对飞机结构进行疲劳试验，在不同载荷下统计不同时间点的损伤情况，然后根据损伤情况计算出疲劳寿命。
以上三种方法，都可以通过结构疲劳试验，得到对飞机结构的疲劳寿命评估结果，以便做出相应的监测和维修决策。
二、疲劳寿命监测技术疲劳寿命监测技术是在飞机运行期间对其结构进行实时监测，提现结构的健康状况，以便及时发现问题，并采取相应措施加以解决。
目前，常用的疲劳寿命监测技术主要有以下几种：1. 应力测量技术应力测量技术是通过在结构上安装应变传感器来测量结构受到的载荷，从而判断结构的健康状况。
应力测量技术可以应用于飞机的不同部位，如机翼、舵面、机身等，在运行期间实时监测其结构的健康状况。
2. 振动监测技术振动监测技术是通过安装加速度传感器，对飞机结构的振动情况进行实时监测，以此来了解结构的健康情况，并判断是否需要进行维修或更换。
振动监测技术主要应用于飞机的发动机、飞行控制系统等。
3. 超声波检测技术超声波检测技术是一种非接触性检测技术，通过向结构中发送超声波信号，然后测量反射回来的信号，以此来判断结构的健康状况。
桥式起重机载荷谱获取方法及疲劳剩余寿命评估
载荷谱推导
通过对响应的分析和处理，推导出 桥式起重机的载荷谱。
优缺点
有限元分析法能够模拟桥式起重机 的复杂工况，但需要专业的有限元 分析软件和较高的计算成本。
载荷谱推导法
历史载荷数据收集
收集桥式起重机在过去一段时间内的历史载荷数据。
基于概率模型的剩余寿命评估
概率模型
应用场景
优点
缺点
该模型基于概率论和统计学原理 ，通过建立结构或材料的疲劳寿 命与各种不确定性因素之间的概 率关系，预测其剩余寿命。
适用于具有较多不确定性因素且 难以准确确定其影响的情况。
能够综合考虑各种不确定性因素 ，给出较为全面的寿命预测结果 。
需要大量数据支持，计算较为复 杂。
基于断裂力学的剩余寿命评估
应用场景
适用于已知起重机各部件的初始裂纹长 度、应力水平、裂纹扩展速率等参数的
情况。
断裂力学模型
该模型基于材料的断裂力学理论， 通过分析裂纹在应力作用下的扩展 过程，预测结构或材料的剩余寿命
。
A
B
C
D
缺点
对数据要求较高，不适用于所有材料和 应力水平。
优点
考虑了裂纹的扩展特性，对材料内部损 伤的监测更为准确。
案例二
基于载荷谱的疲劳寿命评 估
利用桥式起重机的载荷谱数据，结合材料的 疲劳特性，对其疲劳寿命进行评估。
维护计划制定
根据疲劳寿命评估结果，制定合理的维护计划，包 括定期检查、维修、更换零部件等。
总结
通过疲劳剩余寿命评估可有效制定针对性的 维护计划，提高桥式起重机的使用效率和安 全性。
案例三
疲劳分析方法
疲劳寿命分析方法摘要：本文简单介绍了在结构件疲劳寿命分析方法方面国内外的发展状况, 重点讲解了结构件寿命疲劳分析方法中的名义应力法、局部应力应变法、应力应变场强度法四大方法的估算原理。
疲劳是一个既古老又年轻的研究分支，自Wohler 将疲劳纳入科学研究的范畴至今，疲劳研究仍有方兴未艾之势，材料疲劳的真正机理与对其的科学描述尚未得到很好的解决。
疲劳寿命分析方法是疲分研究的主要内容之一，从疲劳研究史可以看到疲劳寿命分析方法的研究伴随着整个历史。
金属疲劳的最初研究是一位德国矿业工程帅风W.A.J.A1bert 在1829 年前后完成的。
他对用铁制作的矿山升降机链条进行了反复加载试验，以校验其可靠性。
1843 年，英国铁路工程师W.J.M.Rankine 对疲劳断裂的不同特征有了认识，并注意到机器部件存在应力集中的危险性。
1852 年-1869 年期间，Wohler 对疲劳破坏进行了系统的研究。
他发现由钢制作的车轴在循环载荷作用下，其强度人大低于它们的静载强度，提出利用S-N曲线来描述疲劳行为的方法，并是提出了疲劳“耐久极限”这个概念。
1874年，德国工程师H.Gerber 开始研究疲劳设计方法，提出了考虑平均应力影响的疲劳寿命计算方法。
Goodman讨论了类似的问题。
1910年，O.H.Basquin提出了描述金属S-N曲线的经验规律，指出：应力对疲劳循环数的双对数图在很大的应力范围内表现为线性关系。
Bairstow 通过多级循环试验和测量滞后回线，给出了有关形变滞后的研究结果，并指出形变滞后与疲劳破坏的关系。
1929年B.P.Haigh研究缺口敏感性。
1937年H.Neuber 指出缺口根部区域内的平均应力比峰值应力更能代表受载的严重程度。
1945 年M.A.Miner 在J.V.Palmgren 工作的基础上提出疲劳线性累积损伤理论。
L.F.Coffin 和S.S.Manson 各自独立提出了塑性应变幅和疲劳寿命之间的经验关系，即Coffin —Man son公式，随后形成了局部应力应变法。
基于损伤容限设计的疲劳裂纹扩展寿命估算
Ｚｈ ｏ Ｚｈ ａ ｉ—ｐｎｇ，Ｌ ｎ—ｙ ｎ ｉ ｉＸｉ ｏｇ
（ａ ｚｏ ｏ ｔ ｈｉ ｃｌｇ ， ａｚｏ ａｓ ７ ０５ ，ｈｎ ） Ｌ ｎｈｕｐｌ ｅ ｎ ｏｅ ｅ Ｌ ｎｈｕＧ ｎｕ ３ ０ ０ Ｃ ｉ ｙｃ ｃ ｌ ａ
研 穷与 分 析
・
机械研究与应 用 ・
基 于损 伤 容 限设计 的疲 劳 裂 纹 扩展 寿 命 估 算
赵志平， 李新勇
（１ 兰州工业高等专科学校 ， 肃 兰州 ． 甘 ７０ ５ ） ３ ｏ ０
摘
要： 从损 伤容限设 计概 念出发 ， 以断裂力学理论为基础 ， 在承认零构件 内具有初始缺 陷的基础上 ， 用著名 的 Ｐｒ 应 ａ － ｉ裂 纹扩展速 率公 式， ｓ 以对 １２ ００冷轧薄钢板在承受单轴恒 幅循环载荷下的寿命 次数的估算为例 ， 绍 了一种 介 简单 实用 的疲 劳寿命 估算方 法， 从而为技术人 员在进 行含 裂纹件 的疲 劳裂 纹扩展寿命计 算 中提供 一定的理
论依据 。
关键词 ： 疲劳； 损伤容限设计； 劳裂纹扩展 ； 疲 寿命估算
中图分类号 ：Ｇ １ Ｔ １３ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：０６—４ １ （０ ０ ０ ０ ４ ０ １０ ４ ４ ２ １ ）３— ０ ２— ２
Ｅｓｉ ａ ｉ ｎ ｔ ｅ ｌｆ ｆｔ ａ ｇ ｅ ｃ ａ ｋ ｏ ｇ ｔｏ ｂ ｓ ｄ ｔｍ ｔｏ ｈ ｉｅ ｏ ｈｅ ｆ ｔ ｕ ｒ ｃ ｐｒ ｐａ ａ ｎ ａ ｅ ｉ ｉ
ｃａ ｋ ． ｒｃ ｓ Ｋｅ ｒ ｓ ａ ｇ ｅ ａ ａ ｅ ｔｌｒ ｃ ｅ ｉ ｙ ｗｏ ｄ ：ｆ ｔ ｕ ｕ ｒｃ ｒ ｐ ｇ ｔ ｎ；ｌ ｅ ｅ ｔ ｔ ｎ ａ ｇ ｅ ｃ ａ ｋ ｐ ａ ａｉ ｉ ｏ ｏ ｉ ｓｉ ｉ ｆ ｍａ ｏ
多工况下的机械结构疲劳损伤累积预测与寿命评估方法
多工况下的机械结构疲劳损伤累积预测与寿命评估方法引言随着现代工程设计越来越追求高效性和可靠性，对于多工况下的机械结构疲劳损伤累积预测与寿命评估方法的研究变得尤为重要。
机械结构的疲劳损伤累积是由于多个循环载荷下的应力和应变叠加引起的。
本文将探讨现有的机械结构疲劳损伤累积预测方法，并介绍应力和应变的测量技术。
同时，生命评估方法将被提出，并给出案例分析。
1. 多工况下的机械结构疲劳损伤累积预测方法多工况下的机械结构疲劳损伤累积预测方法是通过将不同工况下的载荷进行组合，对疲劳寿命进行估计。
常用的方法有基于振动信号的震动模型法和基于载荷历程的统计分析法。
1.1 震动模型法震动模型法是一种基于振动信号的疲劳损伤预测方法。
该方法通过测量振动信号，分析其频谱特性和时间特性，然后将其转换为疲劳损伤累积。
1.2 统计分析法统计分析法是一种基于载荷历程的疲劳损伤预测方法。
它将载荷历程分解为若干个循环载荷，然后利用疲劳试验数据建立循环载荷和疲劳寿命之间的关系。
2. 应力和应变的测量技术应力和应变是机械结构疲劳损伤累积预测和寿命评估的重要参数。
常用的测量技术有应变计、压力传感器和数字图像相关。
2.1 应变计应变计是一种常见的应力应变测量仪器，可以用于测量结构件上的应变。
它可分为电阻应变计、光学应变计、压阻应变计等不同类型。
2.2 压力传感器压力传感器是一种用于测量压力的传感器，通常用于测量液压系统中的压力。
它可以直接安装在结构上，用于测量结构受到的压力载荷。
2.3 数字图像相关数字图像相关是一种非接触式测量技术，通过对结构变形前后的图像进行比较，可以确定结构的位移和应变。
这项技术适用于复杂形状的结构。
3. 生命评估方法生命评估方法是对机械结构寿命进行预测和评估的方法。
常用的方法有有限元法、统计方法和人工神经网络方法。
3.1 有限元法有限元法是一种基于结构力学理论和数值计算的方法，通过建立结构的有限元模型，模拟不同工况下的载荷作用，预测结构的寿命。
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。
设备维保中的疲劳损伤与剩余寿命评估
目 录
• 设备疲劳损伤概述 • 设备剩余寿命评估方法 • 设备维保策略与优化 • 案例分析与实践
CHAPTER 01
设备疲劳损伤概述
疲劳损伤的定义与类型
疲劳损伤的定义
设备在循环应力或交变应力作用下， 经过一定次数的循环后出现的断裂或 损伤。
疲劳损伤的类型
高周疲劳、低周疲劳、热疲劳、接触 疲劳等。
石油化工设备的疲劳损伤与剩余寿命评估
总结词
石油化工设备在高温、高压、腐蚀等恶劣环 境下运行，其疲劳损伤和剩余寿命的评估对 于保障生产安全至关重要。
详细描述
石油化工设备，如压力容器、管道和阀门等 ，在长期运行过程中会受到各种复杂应力的 作用，导致疲劳损伤。为了确保生产安全， 需要对这些设备进行定期的疲劳损伤和剩余 寿命评估。评估方法包括无损检测、压力测 试和材料性能测试等。
加强人员培训和管理
加强维保人员的培训和管理，提高其技能水平和责任心，确保维 保工作的顺利进行。
CHAPTER 04
案例分析与实践
航空发动机的疲劳损伤与剩余寿命评估
要点一
总结词
要点二
详细描述
航空发动机是飞机的心脏，其性能直接关系到飞行安全。 因此，对其疲劳损伤和剩余寿命的评估至关重要。
航空发动机在高空、高速、高温等极端环境下运行，承受 着巨大的机械应力和热应力。这些应力会导致发动机部件 产生疲劳损伤。为了确保飞行安全，需要对发动机进行定 期的疲劳损伤和剩余寿命评估。评估方法包括无损检测、 振动监测和油液分析等。
疲劳损伤的原因与机理
原因
设备在工作中受到的循环应力超过材 料的疲劳极限。
机理
在循环应力的作用下，微观结构发生 变化，如位错滑移、晶界损伤等，导 致材料强度逐渐降低，最终断裂。
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循环次数和寿命 Ⅳ的比值 ， （ Ｎ） ． ／ ＝１
—
取单位载荷历程 内 ０ 的作用次数为 ， １ 为 ＂ ｉ
各应 力 水平 在单 位 载荷 历 程 内的 总循环 次 数 ， 由于单 位 载荷 历程 内的循 环 比 ／ 是可 用 载荷谱 来 测定
．
６ ０Ｘ ２ｌ （ ＋３Ｇ ． ． ４ ． ６ ｌ ７ ｉ ）
式 中 ： 尺 寸 系数 ； 为 表 面状 态 系数 ； 为平 面 ￡为 应力 断裂 因子 ； 为 非对 称循环 应力 的折 算 系数 。 将 表 １ 的数 值代 人式 （） 中 ４得 ， 于表 ２ 列 。 表２ 非 对称循环应力 计算值
６ ＝０ ＋ 石 ＋ ０ － ｖ －
一
某 车间 ５ｔ 重 设 备上 的 吊钩采 用 ４ 松 螺纹 连 起 ５ 接， 吊钩材 料 为 ３ 调质 钢 ， ５ 每天操 作 过程见 表 ｌ 。
表 １ 名 义应 力 与 循 环 次数
Ｏｉ ＭＰ ＂／ ａ １Ｏ ８ ｌ０ ５ １０ ２ ９ ０
王思伟 ， 高
（ 中船重＿ Ｔ第七一。研 究所 ， 湖北
频
宜昌 ４ ３０） ４ ０ ３
【 摘
要 】 文中基 于疲 劳累积理论 ， 介绍 了变幅应力作用下疲 劳寿命的评估方法 ， 对工程 实践 中关键零部件在 并针
变幅 交 变 力的 作 用 下 易 出现 的 疲 劳破 坏 进 行 了讨 论 ； 并应 用 实例 说 明 了其 评 估 过 程 。
第 １ （ 第 １９ ） 期 总 １期
Ｎｏ１ Ｓ ．（ ＵＭ ．１ ） Ｎｏ１ ９
机 械 管 理 开 发
ＭＥ ＣＨＡＮＩ ＣＡＬ ＭＡＮＡＧＥ ＭＥＮ Ｔ ＡＮＤ ＤＥ ＶＥＬ ＭＥ ０Ｐ ＮＴ
２ １ ２月 ０１ 年
Ｆ ｂ２ １ ｅ ＿０ ｌ
基于疲劳损伤累积理论的零件疲劳寿命评估
的 已 知值 ， ｎ Ｎ［ 值 为 已知 ； 由 （ ） 可 求 出疲 劳 即 Ｊ Ｌ 则 ３式 寿命 ～ 的值 。
３ 实例 说 明
疲 劳损 伤 是 一 积 累损 伤 的过 程 。 理论 上 ， 零 件 若 仅 在 一个应 力 作用 下循 环 加载 时可 直接 应 用 一～ 曲 线来计算零件 的寿命 ； 同时存在多个应力循环加载 若 时 ， 很 难 确 定 其 联 合 作 用 的 效 果 ， 无 法 直 接 用 就 也 盯 一Ｎ 曲线 来 计 算 零 件 的寿命 。对 于 上 述 问 题 ， 计 设 人 员 可借 助 疲 劳 损 伤 累积 理 论 来 解决 。该 理 论 认 为 零 件在 变 幅应 力 的循 环 作用 下 ， 料 承 受变 应 力 接近 材 或 大 于疲 劳极 限 时 ， 每个 循 环 都使 材 料 内部 产 生 一定 的损 伤 ， 逐 步积 累 ， 且 当损 伤 累积 到临界 值 时就会 出现 破坏 现象 。 ２ 疲 劳寿命 的评估 川 设备零部件在变幅应力作用下应用疲劳损伤累积 理论 进行 寿命评估 时 ， 注意 以下几 个 问题 ： 应 １ 零 部 件 的 寿命 评 估 是 指 盯 ） 一Ｎ 曲 线 的 有 限寿 命 段 的评估 ；） ２ 当疲 劳 寿命 Ｎ １ ， ＜ ０时 将变 幅应 力 视 为静 应 力 处 理 ； ） 力 水 平 ＜ ．ｘ０ 的计 算 应 力 ３应 ０ ７ － 对 疲 劳损伤 不影 响 ， 不计 人 。 可 平面应力下 ， 常用的疲劳寿命评估方法是把多 向 应 力 转化 为 单 向应 力后 ， 利用 单 向稳 定 变应 力 进 行 疲 劳寿命 评 估 。其 转 化方 法 多采 用 变 形 能强 度理 论 ， 当 量 平均应 力 ０ － 和 当量 应力 幅 ０ － 为 ：
随着 工业 技 术 的不 断 发 展 ， 型工 程 设 备 的应 用 新
应 力 单 独 作用 下 材料 的疲劳 寿命 ； ｉ 为 的总 １／ Ｎ
越来越多 ， 然而 ， 在使用过程 中， 某些部件或零件常会 出现断裂的现象 ， 其主要原因是在工作过程 中受到 了 交 变应 力 的影 响 。 因此 ， 于疲 劳损 伤累 积 的理 论 ， 基 讨 论 了变 幅应力 作用 下零 件疲 劳寿 命 的评估 方法 。
行 ｆ
１Ｏ ８ ２
．
ｔＯ ．ｘ１
６ｆ ｉ Ｎ
０． １
备注
值是依 据 求得 的 ， 值， 通过查 ～ Ｎ 疲劳
曲线 获 得 。
ｌＯ ５
５
９
４ ｏ７ ０ ．
３ ０５ ２ ．
１４ ０
ｌ ０
Ｏ２ ． ５
【 关键词 】 疲 劳损伤 累积理论 ； 变幅应力； 评估 【 中图分 类号】 Ｔ Ｉ１ Ｇ ｌ． ８ 【 文献标 识码 】 Ａ 【 编号】 １ ３ ７３ （０ １０— １３０ 文章 ０ —７Ｘ ２ １）１００— ２ ０
式 中 ： 为 名义 应力 作用 的总循 环次 数 ； 为计算
／ 次数 一 ２
５
９
４
由 于 吊 钩 在 工 作 时 党 脉 动 应 力 作 用 ， 据 非 对 称 根
循 环 应力 的计算 方 法 ， 资料 ： ０８ ， 为 ｏ８ ， 查 ￡为 ． ４ ． ５
为 ３ ， 为 ０３ 得 ： ． ６ ．，
＝
南
孤 １ Ｆ
３ ． ４× ８
０．５ ４
√ ——————■■ —————一
１Ｏ ２
式 中 ：＂ 、 ０ Ｉ
、 ／ 为三个 互 相垂 直 方 向上 的平 均应 ＂ ０。
９ ０
４
２ ０４ ４ ． ２５ ６ ．ｘ１ ｏ
０． ２
力 ； ａ 、＂ 、 ａ为 主应 力 幅。 ＂ ０１ Ｏ２ ０３ ａ ＂ 有 了这 两 个 当量 应 力 后 ， 可 根 据 材 料 的 一Ｎ 便
曲线来评估疲劳 寿命 。为便于计算 ， 先对 Ｍ ｎｒ 论 ｉ 理 ｅ 作简单的变换。令总寿命为 Ｎ ：