疲劳寿命预测频域方法分析与比较
疲劳寿命预测和抗疲劳设计PPT课件
Nj
N
2)计算 (da/dN)j=f(sj , aj , Rj)
3) 选取适当的a(控制精度，如a0.01a)，
计算 N=a/(da2/0d21N)j。
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4) 比较N与Nj。
s
若N＞Nj, 则aj＜a,
smaxj
满足精度。令aj=Nj(da/dN)j, sminj
aj+1=aj+aj, 返回1)。
Nj
N
若N＜Nj, 则aj＞a, 精度不够。 取aj=a, Nj=Nj-N, aj=aj+aj, 返回2)。
5) 直到 aj=ac或载荷谱结束为止。
特点是：da/dN大时，一次计算较少的循环； da/dN较小时，一次可计算较多的循环。 既保持一定精度，又能节省计算时间。
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C) 龙格-库塔法 (Runge-Kutta)
恒幅载荷
S-N曲线 -N曲线
寿命 预测
有限寿 命设计
随机 载荷
雨流 计数
变幅 载荷
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Miner 累积损伤理论
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损伤容限设计：考虑裂纹，以检查保安全。
裂纹如何扩展？结构或构件的剩余强度如 何随裂纹扩展下降？如何确定检查周期？ 综合控制缺陷尺寸、剩余强度及检查周期。
耐久性经济寿命分析：
考虑裂纹群及其扩展，考虑使用载荷下的 结构损伤状态，考虑维修经济性。 综合控制安全、功能和经济。
计算费用低，至少要比实物疲劳试验低。
最好能用于裂纹起始和扩展二阶段寿命预测。
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2. 寿命预测方法分类
以恒 幅疲 劳试 验为 基础
不考虑缺口根部或裂尖高应力区复杂情况的 简单方法。例如，S-N曲线，Miner理论, Paris 或Forman的裂纹扩展公式等。
疲劳寿命预测方法概述_龙老虎
如 发动 机气 缸 阀 门弹 簧
。
、
汽 轮 机叶 片
、
一 般机 械等 仁 J 是 一 种控制 疲劳 裂纹萌 生 的疲 劳寿 命 预测 方 法
Z
,
疲劳 寿 命预 测
控 制裂 纹 发
展 阶段 段
基 本 原理 理
控制 裂纹 纹 萌生
控制 扩 裂纹 展纹
断裂 力 学方 法
唯 象方法 法
,
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损 伤容 限
疲 劳设 计
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永 远 不 会 断裂
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另 一 种 无 限寿命 设 计 方 法 是 从 断裂 力学 的角 度 认 为 当 零 件 的应 力 强 度 因 子 幅
,
八 K
小于
,
该 材 料 的疲 劳 裂纹 扩 展 门槛 值 时 就 不 会 有疲 劳裂 纹扩展 发 生 从而 该零 件 也 永 远 不 会断 裂 具有 无 限寿 命 会断 裂
2 2
.
,
。
基于机械振动的疲劳分析与预测方法
基于机械振动的疲劳分析与预测方法随着现代工程设计要求越来越高，疲劳分析和预测在机械工程领域中变得尤为重要。
由于长期的运行和重复载荷的作用，机械零件可能会出现疲劳失效，这对于工程设备的安全性和可靠性都是一个巨大的威胁。
因此，通过准确预测零件的寿命和疲劳性能，可以指导设计人员去优化设计，提高产品的寿命，并且减少维修和使用成本。
机械振动是导致疲劳失效的主要原因之一。
振动会引起零件发生应力集中，进而引发裂纹的产生和扩展。
因此，理解和分析机械振动对零件疲劳失效的影响，是进行疲劳分析和预测的关键。
疲劳分析的第一步是获取零件的振动数据。
现代技术使得获取振动数据变得更加容易，例如振动传感器和数据采集系统的应用，可以实时地测量并记录零件的振动情况。
通过将实测的振动数据与工作循环进行对比分析，可以获得零件在使用过程中的应力历史。
在得到了零件的应力历史之后，接下来的关键问题是如何建立与振动应力相关的疲劳寿命模型。
疲劳寿命模型是基于实验数据和理论假设来建立的，并且可以通过进一步的试验数据验证和修正。
一般而言，疲劳寿命模型可以分为应力和应变控制两种类型。
应力控制模型将零件的疲劳寿命与振动应力的幅值和频率直接相关联，而应变控制模型则是通过振动应力与零件的应力响应之间的关系来预测疲劳寿命。
通常情况下，疲劳寿命模型会采用统计方法进行建立。
统计方法可以用来描述振动应力与疲劳寿命之间的概率分布关系。
通过分析试验数据，可以建立疲劳寿命模型的概率分布函数，并且可以获得相应的疲劳寿命参数，例如平均寿命和可靠度。
除了建立疲劳寿命模型之外，疲劳分析和预测还需要考虑其他的影响因素，例如材料的强度和韧性，零件的几何形状，以及工作条件的变化等。
这些因素会对零件的疲劳寿命产生重要影响，因此在进行疲劳分析和预测时，一定要综合考虑各种因素。
对于复杂的工程结构，进行疲劳分析和预测可能涉及到数值模拟。
数值模拟可以通过建立材料和几何模型，并且考虑载荷情况、边界条件和材料本身的疲劳参数来预测结构的疲劳寿命。
通过频域信号进行疲劳分析
中国机械工程科技期刊CHINA MECHANICAL ENGINEERING1998年11月第9卷第11期基于功率谱密度信号的疲劳寿命估计Andrew Halfpenny 林晓斌译摘要简单回顾当前存在的从功率谱密度信号计算疲劳寿命的方法，并将说明Dirlik方法能给出与传统时域疲劳计算方法最为接近的结果。
关键词疲劳分析功率谱密度随机加载频率分析中国图书资料分类法分类号TP202传统上根据时域载荷信号求得疲劳损伤，这种时域信号通常是应力或应变。
用时域信号表达周期性载荷很方便，但是用它准确地描述随机加载过程却需要非常长的信号记录。
对于有限元分析来说，处理很长的时域加载信号非常困难。
随机加载条件下的疲劳计算可用另一种方法，即根据压缩的频域信号，随机载荷及响应信号用功率谱密度(PSD)函数分类，动态结构模拟成为一个线性传递函数。
获取一个功率谱密度应力信号通常比获取一个时域应力信号要容易，以一个复杂有限元模型的动态分析为例，进行一个快速的频率响应(传递函数)分析比进行一个时域瞬态动力分析要方便，因为后者的计算量很大。
海上石油工业在80年代初期就遇到这样一个问题：一个石油钻井平台是一个非常复杂的结构，受随机风力及海浪的冲击，一个典型的设计分析也许要考虑70多种施加在结构上的载荷组合。
因为这些载荷是随机的，并且是动态的激发结构，所以使得分析变得更加复杂。
对于这种情况，人们已经证明在时域中进行瞬态动力分析是不可能的。
一个基于频域的有限元分析能够大大简化这个问题。
设计人员现在可以在有限元模型上进行频率响应分析，以求取波高和结构中应力之间的传递函数。
然后将这一传递函数乘以波高功率谱密度，即可获取应力功率谱密度。
为了能将这些快速频域技术用于疲劳分析，我们需要一种方法，从应力功率谱密度推出疲劳损伤。
本文将首先简单回顾时域应力—寿命(S—N)分析技术，然后介绍基于频域的分析方法，最后给出一个比较研究。
1 时域S—N分析方法任何一个疲劳分析总是从结构或零部件的响应开始。
飞行器结构的疲劳寿命预测与延长技术
飞行器结构的疲劳寿命预测与延长技术飞行器作为现代航空工程的关键组成部分，其结构的安全性和可靠性都至关重要。
而结构的疲劳寿命预测与延长技术，可以有效提高飞行器的使用寿命，保证飞行安全。
本文将探讨飞行器结构的疲劳寿命预测与延长技术，为飞行器的运行和维护提供有益的参考。
一、飞行器结构疲劳寿命预测技术飞行器在长时间使用中面临着变形、载荷变化等一系列因素的影响，这些因素均对结构的疲劳寿命产生影响。
因此，准确预测飞行器结构的疲劳寿命至关重要。
1. 应力-寿命曲线法应力-寿命曲线法是目前常用的一种飞行器结构疲劳寿命预测方法。
该方法通过构建应力与寿命的关系曲线，基于材料的强度和断裂韧性等参数，来预测结构在不同工况下的疲劳寿命。
2. 频域法频域法是利用频谱分析的方法对结构进行疲劳寿命预测。
通过对结构在不同频率下的振动响应进行分析，得到应力分布和应力集中的位置，进而预测出结构的疲劳寿命。
3. 数值模拟法数值模拟法是利用计算机辅助工程软件进行模拟分析的方法。
通过建立结构的有限元模型，采用疲劳损伤累积算法，结合载荷与应力分析，来预测结构的疲劳寿命。
二、飞行器结构疲劳寿命延长技术除了预测疲劳寿命外，延长飞行器结构的疲劳寿命同样重要。
通过采取合适的措施，可以延缓结构的疲劳破坏，延长整机的使用寿命。
1. 结构强化与优化设计在飞行器设计阶段，应采取合适的结构强化和优化设计，如加装支撑件、增加表面涂层等，以提高结构的刚度和抗疲劳性能，延长结构的疲劳寿命。
2. 材料改性与应力控制采用改性材料可以提高结构的强度和断裂韧性，增加抗疲劳能力。
同时，合理控制结构的应力分布，避免应力集中和过大的载荷，对延长疲劳寿命具有积极意义。
3. 定期维护与检测飞行器使用过程中，定期对结构进行维护与检测，及时发现和修复潜在的疲劳裂纹和损伤处，能有效延长结构的使用寿命。
4. 疲劳寿命预测与监控建立完善的疲劳寿命预测与监控系统，可以实时监测结构的疲劳损伤程度，预测疲劳寿命，并提前进行修复或更换工作，以延长飞行器的寿命。
机械设计中的重点构件疲劳寿命预测
机械设计中的重点构件疲劳寿命预测概述在机械设计中，构件疲劳寿命的预测是一个关键的问题。
不同于静态负载下的强度分析，疲劳寿命预测需要考虑到构件在长期疲劳循环负载下的损伤累积与失效机制。
本文将从疲劳寿命预测的基本原理、常用的疲劳寿命预测方法以及一些应用实例等方面进行探讨。
基本原理疲劳失效是指在循环应力作用下，构件经历一系列的应力循环后发生的破坏。
疲劳失效与塑性流动、破裂韧性等因素密切相关。
疲劳失效的过程包括应力集中、裂纹形成与传播以及破坏最终发生等多个阶段。
预测构件的疲劳寿命是通过研究这些阶段的微观机制以及疲劳裂纹的形成与扩展规律来实现的。
常用的疲劳寿命预测方法1. 基于应力幅与寿命曲线的寿命预测方法这种方法根据对不同寿命曲线的分析与整理，通过构件所受到的应力幅大小来预测其疲劳寿命。
常见的方法包括SN曲线法、Langer法等。
这些方法适用于相对简单的加载条件下，能够提供较为准确的寿命预测结果。
2. 基于损伤累积的寿命预测方法这种方法通过对构件在每个疲劳循环中的损伤累积进行计算，来预测其疲劳寿命。
主要的损伤累积模型有线性累积模型、有效应力法、威弗模型等。
这些模型能够较为准确地考虑到疲劳循环负载下的损伤积累过程，从而提供较为可靠的疲劳寿命预测结果。
3. 基于有限元分析的寿命预测方法有限元分析是一种常用的工程分析方法，可以用于模拟和预测构件在各种加载条件下的应力和变形情况。
通过将有限元分析与疲劳寿命预测方法相结合，可以得到更为准确和可靠的疲劳寿命预测结果。
这种方法需要考虑到构件的几何形状、材料特性以及加载条件等因素，因此在实际应用中需要进行一定程度的标定和验证。
应用实例1. 汽车发动机曲轴的疲劳寿命预测在汽车发动机中，曲轴是一个重要的构件，其工作条件复杂且受到多轴加载。
通过有限元模拟与疲劳寿命预测相结合的方法，可以预测曲轴在长期使用过程中的疲劳寿命，从而指导优化设计和制造工艺。
2. 飞机机翼连接件的疲劳寿命预测飞机机翼连接件是承受飞行过程中复杂循环加载的重要构件。
细解Ansys疲劳寿命分析
2013-08-29 17:16 by:有限元来源:广州有道有限元ANSYS Workbench 疲劳分析本章将介绍疲劳模块拓展功能的使用:–使用者要先学习第4章线性静态结构分析.•在这部分中将包括以下内容:–疲劳概述–恒定振幅下的通用疲劳程序，比例载荷情况–变振幅下的疲劳程序,比例载荷情况–恒定振幅下的疲劳程序，非比例载荷情况•上述功能适用于ANSYS DesignSpacelicenses和附带疲劳模块的更高级的licenses.A. 疲劳概述•结构失效的一个常见原因是疲劳,其造成破坏与重复加载有关•疲劳通常分为两类:–高周疲劳是当载荷的循环（重复）次数高(如1e4 -1e9)的情况下产生的. 因此，应力通常比材料的极限强度低. 应力疲劳（Stress-based）用于高周疲劳.–低周疲劳是在循环次数相对较低时发生的。
塑性变形常常伴随低周疲劳，其阐明了短疲劳寿命。
一般认为应变疲劳（strain-based）应该用于低周疲劳计算.•在设计仿真中, 疲劳模块拓展程序（Fatigue Module add-on）采用的是基于应力疲劳（stress-based）理论，它适用于高周疲劳. 接下来，我们将对基于应力疲劳理论的处理方法进行讨论.…恒定振幅载荷•在前面曾提到, 疲劳是由于重复加载引起:–当最大和最小的应力水平恒定时, 称为恒定振幅载荷. 我们将针对这种最简单的形式，首先进行讨论.–否则，则称为变化振幅或非恒定振幅载荷…成比例载荷•载荷可以是比例载荷, 也可以非比例载荷:–比例载荷, 是指主应力的比例是恒定的,并且主应力的削减不随时间变化. 这实质意味着由于载荷的增加或反作用的造成的响应很容易得到计算.–相反, 非比例载荷没有隐含各应力之间相互的关系,典型情况包括:•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.…应力-寿命曲线•载荷与疲劳失效的关系，采用的是应力-寿命曲线或S-N曲线来表示:–若某一部件在承受循环载荷, 经过一定的循环次数后,该部件裂纹或破坏将会发展，而且有可能导致失效–如果同个部件作用在更高的载荷下,导致失效的载荷循环次数将减少–应力-寿命曲线或S-N曲线,展示出应力幅与失效循环次数的关系•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:–材料的延展性, 材料的加工工艺–几何形状信息,包括表面光滑度、残余应力以及存在的应力集中–载荷环境, 包括平均应力、温度和化学环境•例如,压缩平均应力比零平均应力的疲劳寿命长,相反,拉伸平均应力比零平均应力的疲劳寿命短.•对压缩和拉伸平均应力,平均应力将分别提高和降低S-N曲线.•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•设计仿真为用户提供了如何把结果和S-N 曲线相关联的选择,包括多轴应力的选择•双轴应力结果有助于计算在给定位置的情况–平均应力影响疲劳寿命,并且变换在S-N曲线的上方位置与下方位置(反映出在给定应力幅下的寿命长短)•对于不同的平均应力或应力比值,设计仿真允许输入多重S-N曲线(实验数据)•如果没有太多的多重S-N曲线(实验数据),那么设计仿真也允许采用多种不同的平均应力修正理论–早先曾提到影响疲劳寿命的其他因素,也可以在设计仿真中可以用一个修正因子来解释…总结•疲劳模块允许用户采用基于应力理论的处理方法，来解决高周疲劳问题.•以下情况可以用疲劳模块来处理:–恒定振幅,比例载荷(参考B节)–变化振幅,比例载荷(参考C节)–恒定振幅,非比例载荷(参考D节)•需要输入的数据是材料的S-N曲线:–S-N曲线是疲劳实验中获得,而且可能本质上是单轴的,但在实际的分析中，部件可能处于多轴应力状态–S-N曲线的绘制取决于许多因素, 包括平均应力. 在不同平均应力值作用下的S-N曲线的应力值可以直接输入, 或可以执行通过平均应力修正理论实现.B. 疲劳程序(基本情况)•进行疲劳分析是基于线性静力分析, 所以不必对所有的步骤进行详尽的阐述.–疲劳分析是在线性静力分析之后，通过设计仿真自动执行的.•对疲劳工具的添加，无论在求解之前还是之后，都没有关系, 因为疲劳计算不并依赖应力分析计算.•尽管疲劳与循环或重复载荷有关, 但使用的结果却基于线性静力分析,而不是谐分析. 尽管在模型中也可能存在非线性,处理时就要谨慎了,因为疲劳分析是假设线性行为的.–在本节中,将涵盖关于恒定振幅、比例载荷的情况. 而变化振幅、比例载荷的情况和恒定振幅、非比例载荷的情况，将分别在以后的C 和D节中逐一讨论.…疲劳程序•下面用黄色斜体字体所描述的步骤，对于包含疲劳工具的应力分析是很特殊的:–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…几何•疲劳计算只支持体和面•线模型目前还不能输出应力结果,所以疲劳计算对于线是忽略的.–线仍然可以包括在模型中以给结构提供刚性, 但在疲劳分析并不计算线模型…材料特性•由于有线性静力分析,所以需要用到杨氏模量和泊松比–如果有惯性载荷,则需要输入质量密度–如果有热载荷,则需要输入热膨胀系数和热传导率–如果使用应力工具结果(Stress Tool result),那么就需要输入应力极限数据,而且这个数据也是用于平均应力修正理论疲劳分析.•疲劳模块也需要使用到在工程数据分支下的材料特性当中S-N曲线数据–数据类型在“疲劳特性”(“Fatigue Properties”)下会说明–S-N曲线数据是在材料特性分支条下的“交变应力与循环”(“Alternating Stress vs. Cycles”)选项中输入的•如果S-N曲线材料数据可用于不同的平均应力或应力比下的情况, 那么多重S-N曲线也可以输入到程序中•添加和修改疲劳材料特性:•在材料特性的工作列表中,可以定义下列类型和输入的S-N曲线–插入的图表可以是线性的（“Linear”）、半对数的（“Semi-Log”即linear for stress, log for cycles）或双对数曲线（“Log-Log”）–记得曾提到的，S-N曲线取决于平均应力。
钢质天线结构风振疲劳寿命估算方法比较研究
ｖ 一 为 ２ｍ ｓ ＝ ， 个 工况 出现 的概 率 为 Ｐ ｊ ＋ ／ ， ０每 ¨在 疲 劳分 析过程 中以 ＝（ｊ ｖ ＋ｖ） ２ ０（ ＋ ｉ ／ ， 风洞 试验 相对 应 的风 向角 ） 来计 算每个 工况 下 的疲劳参 数 。 由 于在进行 疲劳寿 命 分析 之 前 ， 不能 确切知 道结 构 的疲 劳 寿命 ， 须 必
Ｈ 、 ． ８ 方 向）Ｈ 、 ．０ Ｙ方 向 ）Ｈ 和 ３ ３ （ 方 ｚ １４ （ ｚ ２３（ ｚ ．４ 向 ）Ｈ 。 ｚ
根据气象站资料统计获得天线结构处的风速风向 联 合概 率分 布 函 数 。其 次 ， 据 天 线 结 构 的 气 动 弹 性 根
维普资讯 http://wቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
振 第 ２ 第 ２期 ７卷
动
与
冲
击
】 ＯＵＲＮＡＬ Ｂ ＯＦ ＶＩ ＲＡＴＩ ＯＮ ＡＮＤ ＨＯＣＫ Ｓ
钢 质 天线 结构 风 振疲 劳 寿命 估算 方 法 比较研 究
王钦华 ， 顾 明
２０ ９ ） ００ ２
（ 济大学土木工程防灾国家重点实验室 ， 海 同 上
种 方法估 算 的结构 寿命 。
范 围的分 布 可 以通 过 关 键 点 的 应 力 响应 谱 得 出。 Ｇ ｕ 等 ＿ 用 Ｍｏｔ Ｃ ｒ ｌ ｎｅ ａｌ ｏ方法模拟 了关 键点处 的应 力时 程响
应 ， 雨流法 对应 力循 环 进 行计 数 ， 根据 计 数结 果 拟 用 并
截面， 每段 高 度 依次 为 ３ ２ ２ 其 直 径 分别 ４ｍ、 ７ｍ、 ６ｍ， 为 ２４ｍ、１７ ． ． ５ｍ、１ 壁厚 各为 ３ｃ ２ ５ｃ ２ｃ ｍ， ｍ、 ． ｍ、 ｍ。
在距 离 主杆底 部 １２ｍ处 有 四个小 的斜支撑 ， 直径 为 ． 其