机械结构的疲劳与断裂力学研究
断裂力学在钢桥的疲劳和断裂中的应用
断裂力学在钢桥的疲劳和断裂中的应用作者：熊茜曾令宏来源：《城市建设理论研究》2013年第03期摘要：随着经济的发展和交通量的增大，我国交通线上存在了大量老龄钢桥，这些老龄钢桥承受着日益繁重的交通荷载，其疲劳剩余寿命己受到桥梁管理部门的高度重视。
为确保老龄钢桥的使用安全，避免不必要的维护与更换，分析老龄钢桥疲劳与断裂的原因与疲劳破坏机理十分必要。
利用断裂力学对钢桥的疲劳与断裂进行科学的分析，进行疲劳寿命估算，在实际工程中具有重要的意义。
关键词:钢桥,老龄化,疲劳,断裂，破坏机理，断裂力学，研究意义。
中图分类号：C913.32 文献标识码：A 文章编号：一．钢桥疲劳脆断的形式及原因由于日益繁重的交通荷载，钢桥构件上出现了大量因疲劳和脆断而引起的局部破坏。
一般都是在快速解理断裂之前疲劳裂纹即已扩展到表面，很少例外。
常常有几种不同类型的裂纹出现在钢桥结构的不同细节上。
1、出于小间隙处的面外变形引起的疲劳裂纹大多数出现在主梁腹板部分。
当该变形引起的开裂出现在桥梁上时，在修复之前会有大量裂纹形成。
由该变形引起的小间隙处的循环应力振幅往往很高，因此在结构体系中同时会形成许多裂纹。
但是，疲劳强度较低的细节部分成较大的内部缺陷可能只产生一条很大的裂纹。
在别处出现很大的损伤之前就能检测出来并修复那些潜在的裂纹部位。
面外变位引起的疲劳裂纹出现在各种桥梁结构中，其中有悬索桥、设有横梁的双主梁桥、多片主梁桥、系杆拱桥和箱梁桥。
裂纹最初形成在平行于结构设计所考虑的拉应力平面内。
这些平行于拉应力的裂纹如果能在转变到垂直于预定荷载产生的拉应力方向之前就被发现并修复，则它们就不会损伤结构的性能。
发生这许多裂纹是因为把这种被口焊接部件作为次要构件或附连件考虑，以至既没有建立焊缝质量判别标淮，又没有要求对受影响的焊缝进行无损探伤检验。
连续纵向加劲肋的拼接处是属于这一类型的普通情况。
与此类似的情况是在竖向加劲肋和水平节点板之间用挡板来施焊的坡口焊缝。
疲劳与断裂4ppt课件第四章节应变疲劳
多轴应变疲劳研究
总结词
多轴应变疲劳是工程结构中常见的应力 状态，研究多轴应变疲劳对于提高结构 的安全性和可靠性具有重要意义。
VS
详细描述
多轴应变疲劳涉及到多个方向的应力分量 ，其断裂行为和寿命预测比单轴应变疲劳 更为复杂。因此，需要深入研究多轴应变 疲劳的机制和规律，包括多轴应变疲劳的 损伤演化、寿命预测和实验技术等。
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02
应变疲劳的实验研究
应变疲劳实验方法
实验对象
选择一定数量的受试者，可以是 不同年龄、性别和身体状况的人 群，以探究应变疲劳在不同个体 之间的表现。
实验设计
设计合理的实验方案，包括应变 方式、应变时间、恢复时间等， 确保实验过程科学、严谨。
实验操作
在实验过程中，确保受试者按照 规定的应变方式进行操作，并记 录相关数据。
影响应变疲劳的因素包括材料特性、应力水平、温度、环 境条件等。
要点二
详细描述
材料的特性，如硬度、韧性、强度等，对应变疲劳有显著 影响。高硬度和脆性的材料更容易发生应变疲劳。应力水 平，特别是低应力幅值和高循环应变，也是影响应变疲劳 的重要因素。温度和环境条件，如湿度、腐蚀介质等，也 会对应变疲劳产生影响。在高温和腐蚀环境中，材料的抗 应变疲劳性能通常会降低。
01
根据实验结果分析，总结应变疲劳在不同个体之间的表现和规
律。
提出研究建议
02
根据实验结论，提出对应变疲劳进一步研究的建议和方法，为
相关领域的研究提供参考。
应用前景展望
03
探讨应变疲劳在生产、生活等方面的应用前景，为实际应用提
供指导。
03
应变疲劳的数值模拟
数值模拟方法
疲劳断裂的基本特征
疲劳断裂的基本特征疲劳断裂是一种金属和材料在长时间的应力作用下逐渐产生裂纹并最终失效的现象。
它是一种破坏行为，常见于机械结构和工程材料中。
疲劳断裂的基本特征包括裂纹形成、裂纹扩展和失效破坏。
疲劳断裂的形成通常经历三个阶段。
首先是应力集中，也就是在材料表面或内部出现应力集中的区域。
这种应力集中可以由缺陷、凹槽、划痕等引起。
其次是裂纹的形成，应力集中区域的材料开始发生微小的裂纹，这些裂纹通常是微观的，难以察觉。
最后是裂纹的扩展，随着应力的作用，裂纹逐渐扩展，最终导致材料的失效。
疲劳断裂的特点是裂纹的扩展是一个渐进性的过程。
在应力作用下，裂纹从微小到逐渐扩展，直到达到材料的强度极限。
这个过程被称为裂纹的扩展阶段。
裂纹扩展的速度受到多个因素的影响，包括应力水平、应力周期、材料的力学性能等。
一般来说，应力水平越高、应力周期越大、材料的力学性能越差，裂纹扩展的速度越快。
疲劳断裂的失效破坏通常是突然发生的。
在裂纹扩展到一定程度后，材料的强度将急剧下降，裂纹会迅速扩展并导致材料的失效。
这种失效破坏是突然发生的，没有明显的预警信号。
因此，对于承受疲劳载荷的结构和材料，必须进行定期的检测和维护，以防止疲劳断裂的发生，确保结构的安全性。
为了预防和控制疲劳断裂，人们采取了许多措施。
首先是改善材料的力学性能，提高材料的韧性和强度，减少裂纹扩展的速度。
其次是设计合理的结构，避免应力集中的出现，减少裂纹的形成。
此外，还可以采用表面处理、应力涂层、热处理等方法来提高材料的抗疲劳性能。
在使用过程中，要注意控制应力水平和应力周期，避免过大的应力作用。
疲劳断裂是一种常见的材料失效形式，它具有裂纹形成、裂纹扩展和失效破坏等基本特征。
了解疲劳断裂的特点，对于改善材料的抗疲劳性能、设计合理的结构以及确保结构的安全性具有重要意义。
通过采取合适的预防和控制措施，可以有效地避免疲劳断裂的发生，延长材料和结构的使用寿命。
材料的疲劳损伤与断裂ppt课件
S
S
S
S
0
t0
t0
t0
t
三角波
正弦波
矩形波
梯形波
26
材料的疲劳性能
27
材料的疲劳性能
材料的疲 劳性能
材料的循环变形特性 - relationship
载荷寿命关系 -N curve -N curve
疲劳裂纹扩展特性 da/dN curve
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材料的疲劳性能
拉伸应力-应变关系
σ-ε
S-e
σ ε
m
max min
2
a
max min
2
r min / max
疲劳极限应力图
41
疲劳强度的影响因素
Gerber Parabola
Modified Goodman line
42
疲劳强度的影响因素
等效应力幅
43
疲劳强度的影响因素
疲 劳 裂 纹 通 常 起始于零件表面 表 面 状 况 对 疲 劳寿命有很大的 影响 表 面 光 洁 度 越 高，形成疲劳裂 纹的时间越长。
S
S
S
0 恒幅循环
t
0
变幅循环
t
0 随机载荷
t
疲劳载荷的类型
23
疲劳的基本概念
恒幅循环参数
平均应力
Sm=(Smax+Smin)/2 (1) 应力幅
Sa=(Smax-Smin)/2 (2) 应力范围
S=Smax-Smin
(3)
应力比 R=Smin/Smax
设计：用Smax，Smin ，直观； 试验：用Sm，Sa ，便于加载； 分析：用Sa，R，突出主要控制参量, 便于分类讨论。 24
疲劳性能
创新点 研究范围可不可以扩展到 有机物呢，比如肌肉组织， 木头纤维。。。。。
从这里出发，我在想会不 会疲劳不只是一种力学行 为，而对于光电声磁这些 物理行为也有意义
比较确8年出了一起事 故，一列高速列车出轨， 造成100多人死亡
国际民航组织 (ICAO)发表的 “涉及金属疲劳断裂的重大飞机失 事调查”指出： 80年代以来，由金属疲劳断裂 引起的机毁人亡重大事故，平均每 年100次。(不包括中、苏)Int. J. Fatigue, Vol.6, No.1, 1984
②宏观裂纹扩展阶段 （图）
③瞬时断裂阶段 （图）
（3）.抗疲劳性能测定
衡量金属材料的抗疲劳性 能的参数是疲劳极限
单点法、
传统试验方法
疲劳极限的测量方法包括 两大类，传统试验方法和 新实验方法。传统的试验 方法包括，单点法、成组 法、升降法等。新的试验 方法包括热敏电阻测温法、 红外热像法。
成组法、
另一类是外因，包括材料的表面形态和载荷形式
金属疲劳断裂的机理
疲劳断裂过程分为疲劳裂纹的萌生、 稳定扩展、失稳断裂三个阶段
金属疲劳断裂断口分析
对金属的断口进行分析可以得到很所有用的讯息： 对零部件进行疲劳寿命估算 确定构件形成裂纹的时间, 评价其制造质量 正确分析事故原因, 解决工程实际问题
图
疲劳研究的一些 方向 1.对于某种具体材料的疲 劳性能以及断裂的机理， 比如：水泥、混凝土 2.形成关于疲劳寿命预测的 理论，或者利用实验条件对 已有理论进行比较，或者对 其进行修正 3.研究铁磁材料的磁疲劳 性能
升降法
新的试验方法
热敏电阻测温法 红外热像法
4.疲劳寿命
对疲劳寿命进行研 究的工具是：疲劳 寿命曲线又称为 Wohler曲线，习惯 上也称作S-N曲线。
机械设计中的材料强度与疲劳分析
机械设计中的材料强度与疲劳分析机械设计是一门综合应用技术，旨在设计各种机械设备以满足特定的工程需求。
在机械设计中，材料的强度和疲劳分析是不可或缺的重要步骤。
本文将探讨机械设计中的材料强度与疲劳分析的基本概念及其在实际应用中的重要性。
一、材料强度分析材料强度是指材料在承受外部荷载或应力时的抵抗能力。
材料的强度分析对于机械结构设计至关重要，它决定了材料是否足够强大以抵御外界力量的影响，并保证结构的安全性和可靠性。
1.1 材料的应力-应变关系材料在受到外力作用时，产生内部的应力和应变。
应力是单位面积上的力，应变是单位长度上的形变。
材料的强度可以通过应力-应变关系来描述，其中包括弹性阶段、屈服点、塑性阶段和断裂点。
在机械设计中，通常使用材料的弹性模量、屈服强度、抗拉强度等参数来描述材料的强度。
1.2 材料强度分析方法在机械设计中，材料的强度分析可以通过理论计算、实验测试和数值模拟等方法进行。
理论计算方法是根据材料的弹性模型和力学原理推导出的公式来预测材料的强度。
实验测试方法是通过对材料进行拉伸、压缩、弯曲等试验来获取材料的强度参数。
数值模拟方法是利用计算机软件对材料的行为进行模拟和分析，可以提供更详细的应力、应变分布以及材料的破坏情况。
二、疲劳分析疲劳是指在周期性或交变性荷载作用下，材料发生的逐渐累积的微小损伤和失效现象。
疲劳问题在机械设计中经常出现，尤其对于那些在长时间内承受不断循环荷载的机械零件来说，如汽车发动机的曲轴、飞机的机翼等。
2.1 疲劳失效机理疲劳失效是由于材料在应力循环作用下产生微小的裂纹，随着荷载作用次数的增加，裂纹逐渐扩展，并最终导致材料的断裂。
疲劳失效的机理可以通过S-N曲线来描述，其中S表示应力幅，N表示应力循环次数。
S-N曲线是通过实验测试得到的，它描述了不同应力幅下材料的寿命。
2.2 疲劳寿命预测疲劳寿命预测是机械设计中的重要课题。
它利用S-N曲线和应力历程来预测材料在给定载荷条件下的疲劳寿命。
断裂力学综述
断裂力学概述关键词：断裂力学；现状；阶段性问题；发展趋势中文摘要：本文主要介绍了断裂力学的4个方面，包括对断裂力学的简单介绍，相关的理论和方法，现阶段存在的问题及技术关键，发展趋势。
英文摘要：Four aspects of fracture mechanics are referred in this paper, including brief introduction about fracture mechanics, related theories and methods, problems and key technologies existing at the present stage, and the development.1.引言断裂力学是近几十年才发展起来了的一门新兴学科，主要研究承载体由于含有一条主裂纹发生扩展（包括静载及疲劳载荷下的扩展）而产生失效的条件。
断裂力学应用于各种复杂结构的分析，并从裂纹起裂、扩展到失稳过程都在其分析范围内。
由于它与材料或结构的安全问题直接相关，因此它虽然起步晚，但实验与理论均发展迅速，并在工程上得到了广泛应用。
断裂力学研究的方法是：从弹性力学方程或弹塑性力学方程出发，把裂纹作为一种边界条件，考察裂纹顶端的应力场、应变场和位移场，设法建立这些场与控制断裂的物理参量的关系和裂纹尖端附近的局部断裂条件。
2.国内外相关研究现状目前，断裂力学总的研究趋势是：从线弹性到弹塑性；从静态断裂到动态断裂；从宏观微观分离到宏观与微观结合；从确定性方法到概率统计性方法。
所以就断裂力学本身而言，根据研究的具体内容和范围，它又被分为宏观断裂力学（工程断裂力学）和微观断裂力学（属金属物理范畴）。
宏观断裂力学又可分为弹性断裂力学（它包括线性弹性断裂力学和非线性弹性断裂力学）和弹塑性断裂力学（包括小范围屈服断裂力学和大范围屈服断裂力学及全面屈服断裂力学）。
工程断裂力学还包括疲劳断裂、蠕变断裂、腐蚀断裂、腐蚀疲劳断裂及蠕变疲劳断裂等工程中重要方面。
疲劳断裂 总结
第三部分疲劳断裂疲劳断裂是金属结构失效的一种主要型式，典型焊接结构疲劳破坏事例表明疲劳断裂几率高，具有广泛研究意义。
疲劳破坏发生在承受交变或波动应变的构件中，一般说来，其最大应力低于材料抗拉强度，甚至低于材料的屈服点，因此断裂往往是无明显塑性变形的低应力断裂。
疲劳断裂过程的研究表明，疲劳寿命不是决定于裂纹产生，而是决定于裂纹增大和扩展。
因此，本章将在介绍疲劳断裂的基本特征和基本概念基础上，利用断裂力学原理着重分析疲劳裂纹的扩展机理、规律、影响因素及疲劳寿命估算。
§3-1疲劳的基本概念在交变载荷作用下，金属结构产生的破坏现象称为疲劳破坏。
为防止结构在工作时发生疲劳破坏传统疲劳设计采用σ―N曲线法确定疲劳强度。
一、应力疲劳和应变疲劳1、应力疲劳在低应力、高循环、低扩展速率的疲劳称为应力疲劳，也叫弹性疲劳。
七特点是在应力循环条件下，裂纹在弹性区内扩展，且裂纹扩展速率低。
2、应变疲劳在高应力、低循环、高扩展速率下的疲劳称为应变疲劳，也叫塑性疲劳。
其特点是应变幅值很高，最大应变接近屈服应变，故疲劳裂纹扩展速率高（达每次循环10-2mm），寿命短（小于104周）。
二、疲劳强度和疲劳极限1、乌勒（Wöhler）疲劳曲线（1）结构在多次循环载荷作用下，在工作应力σ（σmax）小于强度极限σb时即破坏，在不同载荷下使结构破坏所需的加载次数N也不同，表达结构破坏载荷σ和所需加载次数N之间的关系（σ―N）即为乌勒（Wöhler）疲劳曲线。
（2）疲劳曲线在加载次数N很大时趋于水平，若以σ―lgN表示则为两段直线关系（3）图示（略）2、疲劳强度（条件疲劳极限）（1）疲劳曲线上对应于某一循环次数N的强度极限σ即为该循环下的疲劳强度（σr）（2）σr =f（N）σr对应σmax，一般N<1073、疲劳极限（1）结构对应于无限次应力循环而不破坏的强度极限即疲劳极限（2）为σ―lgN疲劳图中的水平渐近线三、应力循环特性1、应力循环中各参数及应力循环特性系数①σmax―应力循环中最大应力值，σmax=σm+σa②σmin―应力循环中最小应力值，σmin=σm-σa③σm=（σmax+σmin）/2--应力循环中平均应力值④σa=（σmax-σmin）/2―应力循环中应力振幅⑤ r=σmin/σmax―应力循环中应力循环特性系数2、特殊循环特性(1)对称交变载荷，r=-1，疲劳强度σ-1(2)脉动载荷，r=0，疲劳强度σ(3)拉伸变载荷，0<r<1，疲劳强度σr拉伸变载荷σmin和σmax均为拉应力，但大小不等，0<γ<1，其疲劳强度用σr，脚标γ用相应的特性系数表示。
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机械结构的疲劳与断裂力学研究疲劳与断裂力学是研究材料和结构在循环加载下疲劳寿命和破裂强度的科学。
在机械结构设计中，考虑到材料的疲劳和断裂特性对于确保结构的安全可靠性至关重要。
本文将探讨机械结构的疲劳与断裂力学研究的重要性，并介绍其主要内容和研究方法。
一、疲劳与断裂力学的重要性
疲劳和断裂是导致机械结构损坏和事故的主要原因之一。
在实际工程中，材料和结构的循环加载往往是不可避免的。
如果不考虑疲劳和断裂的影响，结构在使用过程中可能会发生疲劳开裂、断裂和失效，造成人员伤亡和财产损失。
因此，研究机械结构的疲劳与断裂力学是确保结构安全和可靠运行的关键。
二、疲劳与断裂力学的主要内容
1. 疲劳寿命预测
疲劳寿命预测是疲劳与断裂力学研究的重要内容之一。
通过实验和数值模拟方法，可以预测材料和结构在循环加载下的疲劳寿命。
这有助于确定结构的使用寿命，提前预防结构的疲劳失效。
2. 疲劳裂纹扩展
疲劳裂纹扩展是指疲劳加载作用下裂纹的扩展过程。
了解疲劳裂纹扩展的机理和规律，可以为结构的寿命评估和维修方案提供依据。
疲劳裂纹扩展的研究方法包括实验观测、数值模拟和理论分析。
3. 断裂韧性研究
断裂韧性是指材料抵抗断裂的能力。
在实际工程中，结构的断裂韧
性对结构的安全性具有重要影响。
断裂韧性的研究方法包括冲击试验、断裂韧性测试和数值模拟。
三、疲劳与断裂力学研究方法
1. 实验方法
实验方法是疲劳与断裂力学研究的重要手段之一。
通过设计和进行
疲劳试验、断裂试验等实验，可以获取材料和结构的疲劳寿命、断裂
韧性等相关参数。
实验数据对于验证数值模型的准确性和开发新的疲
劳断裂理论具有重要意义。
2. 数值模拟方法
数值模拟方法通过建立疲劳与断裂的数学模型和计算模型，模拟疲
劳载荷下材料和结构的疲劳寿命和断裂行为。
数值模拟方法具有成本低、实验条件受限程度小等优点，是疲劳与断裂力学研究的重要手段。
3. 理论分析方法
理论分析方法是疲劳与断裂力学研究的基础。
通过建立适当的数学
模型和力学模型，对疲劳和断裂的机理和规律进行分析和推导，以揭
示材料和结构在循环加载下的疲劳寿命和断裂强度。
总结：
机械结构的疲劳与断裂力学研究对于确保结构的安全性和可靠性具
有重要意义。
通过研究疲劳寿命预测、疲劳裂纹扩展和断裂韧性等内容，可以揭示材料和结构在循环加载下的疲劳寿命和破裂强度。
实验、数值模拟和理论分析是疲劳与断裂力学研究常用的方法。
进一步深入
研究和应用疲劳与断裂力学，有助于提高机械结构的安全性和可靠性，降低事故发生风险。