結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命分析方法1

1、結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命分析方法摘 要：本文簡(jiǎn)單介紹了在結(jié)構(gòu)件疲勞壽命分析方法方面國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r，重點(diǎn)講解 了結(jié)構(gòu)件壽命疲勞分析方法中的名義應(yīng)力法、局部應(yīng)力應(yīng)變法、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)度法四大 方法的估算原理。疲勞是一個(gè)既古老又年輕的研究分支，自Wohler將疲勞納入科學(xué)研究的范疇至今， 疲勞研究仍有方興未艾之勢(shì)，材料疲勞的真正機(jī)理與對(duì)其的科學(xué)描述尚未得到很好的解 決。疲勞壽命分析方法是疲分研究的主要內(nèi)容之一，從疲勞研究史可以看到疲勞壽命分 析方法的研究伴隨著整個(gè)歷史。金屬疲勞的最初研究是一位德國(guó)礦業(yè)工程帥風(fēng)W.A.J.A1bert在1829年前后完成的。 他對(duì)用鐵制作的礦山升降機(jī)鏈條進(jìn)行了反復(fù)加載試驗(yàn)，以

2、校驗(yàn)其可靠性。1843年，英 國(guó)鐵路工程師W.J.M.Rankine對(duì)疲勞斷裂的不同特征有了認(rèn)識(shí)，并注意到機(jī)器部件存在 應(yīng)力集中的危險(xiǎn)性。1852年-1869年期間，Wohler對(duì)疲勞破壞進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。他發(fā) 現(xiàn)由鋼制作的車軸在循環(huán)載荷作用下，其強(qiáng)度人大低于它們的靜載強(qiáng)度，提出利用S-N 曲線來(lái)描述疲勞行為的方法，并是提出了疲勞“耐久極限”這個(gè)概念。1874年，德國(guó) 工程師H.Gerber開(kāi)始研究疲勞設(shè)計(jì)方法，提出了考慮平均應(yīng)力影響的疲勞壽命計(jì)算方 法。Goodman討論了類似的問(wèn)題。1910年，O.H.Basquin提出了描述金屬S-N曲線的經(jīng) 驗(yàn)規(guī)律，指出：應(yīng)力對(duì)疲勞循環(huán)數(shù)的雙對(duì)數(shù)圖在很

3、大的應(yīng)力范圍內(nèi)表現(xiàn)為線性關(guān)系。 Bairstow通過(guò)多級(jí)循環(huán)試驗(yàn)和測(cè)量滯后回線，給出了有關(guān)形變滯后的研究結(jié)果，并指出 形變滯后與疲勞破壞的關(guān)系。1929年B.P.Haigh研究缺口敏感性。1937年H.Neuber指 出缺口根部區(qū)域內(nèi)的平均應(yīng)力比峰值應(yīng)力更能代表受載的嚴(yán)重程度。1945年M.A.Miner 在J.V.Palmgren工作的基礎(chǔ)上提出疲勞線性累積損傷理論。L.F.Coffin和S.S.Manson各 自獨(dú)立提出了塑性應(yīng)變幅和疲勞壽命之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，即CoffinManson公式，隨后 形成了局部應(yīng)力應(yīng)變法。中國(guó)在疲勞壽命的分析方面起步比較晚，但也取得了一些成果。浙江大學(xué)的彭禹，

4、郝志勇針對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)部件多軸疲勞載荷歷程提取以及在真實(shí)工作環(huán)境下的疲勞壽命等 問(wèn)題，以發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸部件為例，提出了一種以有限元方法，動(dòng)力學(xué)仿真分析以及疲勞分 析為基礎(chǔ)的聯(lián)合仿真多軸疲勞壽命預(yù)測(cè)方法；吉林大學(xué)的范平清，薛海英，譚慶昌利用 PRO/E, MSC/NASTRAN，MSC/FATIGUE軟件對(duì)MB-1新型客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行了疲勞壽命 分析，同時(shí)給出了疲勞壽命分布的云紋圖；上海匯眾汽車制造有限公司的王成龍，張治 應(yīng)用MSC/FATIGUE，結(jié)合疲勞臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，對(duì)汽車安全零件-控制臂進(jìn)行了疲勞分析等等。 疲勞壽命計(jì)算方法發(fā)展也伴隨著其他學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展。1疲勞壽命及其方法簡(jiǎn)介1.1疲勞及疲勞壽命1

5、.1.1疲勞定義及分類疲勞用來(lái)表達(dá)材料在循環(huán)載荷作用下的損傷和破壞。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）在1964 年發(fā)表的報(bào)告金屬疲勞試驗(yàn)的一般原理中對(duì)疲勞所做的定義是：“金屬材料在應(yīng)力 或應(yīng)變的反復(fù)作用下所發(fā)生的性能變化叫做疲勞”這一描述也普遍適用于非金屬材料。對(duì)疲勞可以從不同的角度進(jìn)行分類。在常溫下工作的結(jié)構(gòu)和機(jī)械的疲勞破壞取決于 外載的大小。從微觀上看，疲勞裂紋的萌生都與局部微觀塑性有關(guān)，但從宏觀上看，在 循環(huán)應(yīng)力水平較低時(shí)，彈性應(yīng)變起主導(dǎo)作用，此時(shí)疲勞壽命較長(zhǎng)，稱為應(yīng)力疲勞或高周 疲勞；在循環(huán)加力水平較高時(shí)，塑性應(yīng)變起主導(dǎo)作用，此時(shí)疲勞壽命較短，稱為應(yīng)變疲 勞或低周疲勞不同的外部載荷造成不同的疲

6、勞破壞形式，由此可以將疲勞分為：機(jī)械疲勞-僅由 外加應(yīng)力或應(yīng)變波動(dòng)造成的疲勞失效；蠕變疲勞-循環(huán)載荷同高溫聯(lián)合作用引起的疲勞 失效；熱機(jī)械疲勞-循環(huán)載荷和循環(huán)溫度同時(shí)作用引起的疲勞失效；腐蝕疲勞-在存在侵 蝕性化學(xué)介質(zhì)或致脆介質(zhì)的環(huán)境中施加循環(huán)載荷引起的疲勞失效；滑動(dòng)接觸疲勞和滾動(dòng) 接觸疲勞-載荷的反復(fù)作用與材料間的滑動(dòng)和滾動(dòng)接觸相結(jié)合分別產(chǎn)生的疲勞失效：微 動(dòng)疲勞-脈動(dòng)應(yīng)力與表面間的來(lái)回相對(duì)運(yùn)動(dòng)和摩擦滑動(dòng)共同作用產(chǎn)生的疲勞失效。機(jī)器 和結(jié)構(gòu)部件的失效大多數(shù)是由于發(fā)生上述某一種疲勞過(guò)程造成的。1.1.2疲勞壽命疲勞壽命是指結(jié)構(gòu)或機(jī)械直至破壞所作用的循環(huán)載荷的次數(shù)或時(shí)間。所謂疲勞破壞 或疲勞失效

7、的定義或準(zhǔn)則是多種多樣的。從疲勞損傷發(fā)展過(guò)程看，有二階段疲勞壽命模 型、三階段疲勞壽命模型和多階段疲勞壽命模型。二階段模型將疲勞壽命分為裂紋形成 和裂紋擴(kuò)展（圖1所示）：結(jié)構(gòu)或材料從受載開(kāi)始到裂紋達(dá)到某一給定的裂紋長(zhǎng)度a。為止的循環(huán)次數(shù)稱為裂紋形成壽命，此后裂紋擴(kuò)展到臨界裂紋長(zhǎng)度氣為止的循環(huán)次數(shù)稱 為裂紋擴(kuò)展壽命；從疲勞壽命預(yù)測(cè)的角度看，這一給定的裂紋長(zhǎng)度與預(yù)測(cè)所采用的壽命 性能曲線有關(guān)。三階段模型認(rèn)為疲勞損傷過(guò)程由無(wú)裂紋、小裂紋和大裂紋三個(gè)階段組成 （圖2所示），其中：a u為小裂紋的上限尺寸，a L為小裂紋的下限尺寸，為工程裂 紋尺寸;上述各裂紋尺寸與材料和外載有關(guān)。多階段模型將小裂紋階段

8、細(xì)分為三個(gè)階段： 微觀小裂紋，物理小裂紋和結(jié)構(gòu)小裂紋圖3所示），其中：a,1為塑性駐留區(qū)形成尺寸， a為微觀結(jié)構(gòu)小裂紋尺寸，a為物理小裂紋尺寸，a為線彈性斷裂力學(xué)可應(yīng)用的最 ms1psi1小裂紋長(zhǎng)度。上述模型中各階段疲勞壽命之和稱為疲勞全壽命。除上述三個(gè)模型外，還 有不少模型研究了各個(gè)階段的分界點(diǎn)。裂紋形成 L裂紂展:裂紋疝餌 一圖i兩階段疲勞壽命模型口ueL_氣n（J . _ 口 _ 無(wú)裂-M新敢成、大裂紋將裘紋長(zhǎng)度口 裂紋擴(kuò)展壽命 , 全壽命.圖2三階段疲勞破壞模型3 pl4皿1dpskd tJcr無(wú)件 冬觀小裂區(qū)尊小籍怒爭(zhēng)構(gòu)小裘色,大做或紋扁 a小裂紋 Y A圖3多階段疲勞壽命模型1.2

9、確定疲勞壽命的方法簡(jiǎn)介確定結(jié)構(gòu)和機(jī)械疲勞壽命的方法主要有兩類：實(shí)驗(yàn)法和實(shí)驗(yàn)分析法。實(shí)驗(yàn)分析法也 稱為科學(xué)疲勞壽命分析法。確定疲勞壽命的實(shí)驗(yàn)法完全依賴于實(shí)驗(yàn)，是最傳統(tǒng)的方法。他直接通過(guò)與實(shí)際情況 相同或相似的試驗(yàn)來(lái)獲取所需要的疲勞數(shù)據(jù)。這種方法雖然可靠，但是在設(shè)計(jì)階段，或 結(jié)構(gòu)件太復(fù)雜、太昂貴時(shí)，以及在實(shí)際情況的類別數(shù)量太龐大的情況下，無(wú)論從人力、 物力，還是從工作周期上來(lái)說(shuō)，它都是不大可行的。由于工程結(jié)構(gòu)、外載荷和環(huán)境差異， 使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果不具有通用性。確定疲勞壽命的分析法是依據(jù)材料的疲勞性能，對(duì)照結(jié)構(gòu)所受到的載荷歷程，按分 析模型來(lái)確定結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。伴隨著疲勞研究的發(fā)展歷史，研究人員不斷地探

10、索著能 更好地預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)和機(jī)械疲勞壽命的疲勞壽命分析方法。任何一個(gè)疲勞壽命分析方法都包 含有三部分的內(nèi)容：材料疲勞行為的描述；循環(huán)載荷下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)；疲勞累積損 傷法則（圖4所示）。圖4疲勞壽命分析按照計(jì)算疲勞損傷參量的不同可以將疲勞壽命分析方法分為：名義應(yīng)力法、局部應(yīng) 力應(yīng)變法、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)度法、能量法、損傷力學(xué)法、功率譜密度法等。在工程實(shí)踐中 比較實(shí)用的是前三種方法。疲勞壽命分析方法隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元分析的發(fā)展而得到了廣泛的應(yīng)用。在產(chǎn) 品設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員借助這一方法可以比較不同方案的疲勞壽命品質(zhì)的優(yōu)劣，可以校 核產(chǎn)品的疲勞壽命是否滿足設(shè)計(jì)要求，還可以進(jìn)行抗疲勞設(shè)計(jì)。在產(chǎn)品試驗(yàn)前，通過(guò)疲

11、勞分析可以確定疲勞危險(xiǎn)部位，以確定疲勞試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)控的關(guān)鍵部位。應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)件受循環(huán)載荷的應(yīng)力水平高低和所掌握的材料疲勞性能數(shù)據(jù)、曲線來(lái)適 當(dāng)選擇分析方法。由于實(shí)際結(jié)構(gòu)件所承受的循環(huán)載荷通常是變幅的，因此在選取了適當(dāng)?shù)钠诜治龇?法后，壽命估算大體需要三個(gè)步驟：（1）由工程方法或數(shù)值分析方法計(jì)算結(jié)構(gòu)件危險(xiǎn)部位的應(yīng)力應(yīng)變范圍（變幅）；（2）由應(yīng)力應(yīng)變范圍根據(jù)材料疲勞性能數(shù)據(jù)、曲線獲得對(duì)應(yīng)的疲勞壽命；（3）利用累積損傷理論，計(jì)算整個(gè)載荷譜的疲勞損傷，進(jìn)而獲得結(jié)構(gòu)件的安全壽 命。2名義應(yīng)力法名義應(yīng)力法是最早形成的抗疲勞設(shè)計(jì)方法，它以材料或零件的S-N曲線為基礎(chǔ)，對(duì) 照試件或結(jié)構(gòu)疲勞危險(xiǎn)部位的應(yīng)力集中系

12、數(shù)和名義應(yīng)力，結(jié)合疲勞損傷累積理論，校核 疲勞強(qiáng)度或計(jì)算疲勞壽命。名義應(yīng)力法假定：對(duì)于相同材料制成的任意構(gòu)件，只要應(yīng)力集中系數(shù)K相同，載荷 譜相同。其模型如圖5所示。這一分析方法中名義應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)為控制參數(shù)。圖5中Kt為 應(yīng)力集中系數(shù)，帥為加在試件上的名義應(yīng)力。圖5名義應(yīng)力法的基本假設(shè)（三試件疲勞壽命相同）2.1名義應(yīng)力法估算結(jié)構(gòu)疲勞壽命的步驟名義應(yīng)力法估算結(jié)構(gòu)疲勞壽命的步驟如圖6所示:圖6名義應(yīng)力法疲勞壽命估算的步驟（1）確定結(jié)構(gòu)件中的疲勞危險(xiǎn)部位；（2）求出危險(xiǎn)部位的名義應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)K ；T（3）根據(jù)載荷譜確定危險(xiǎn)部位的名義應(yīng)力譜；（4）應(yīng)力插值法求出當(dāng)前應(yīng)力集中系數(shù)和應(yīng)力水平

13、下的S-N曲線。（5）應(yīng)用疲勞損傷累積理論，求出危險(xiǎn)部位的疲勞壽命。2.2材料性能數(shù)據(jù)名義應(yīng)力法計(jì)算疲勞壽命所需的材料性能數(shù)據(jù)是：對(duì)于有限壽命分析，需要各種KT 下的材料的S-N曲線或等壽命曲線；對(duì)于無(wú)限壽命設(shè)計(jì)，需要各種Kt下材料的疲勞極 限圖。盡管目前已積累了大量的S-N曲線，但是實(shí)際結(jié)構(gòu)和載荷是復(fù)雜的，新材料在不斷 產(chǎn)生并在工程實(shí)踐中得到應(yīng)用，因此現(xiàn)有的S-N曲線是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。根據(jù)名義應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)%查S-N曲線通常都要進(jìn)行多次插值計(jì)算。首要插 值得到當(dāng)前%下的S-N曲線族（如圖7），然后插值得到當(dāng)前平均應(yīng)力Sm或應(yīng)力比人下 的S-N曲線族（如圖8所示），最后插值求得當(dāng)前Sa或Sma

14、x下的疲勞壽命。在工程實(shí)踐 中，由于某些試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)因樣本小而偏離正常值，使得插值結(jié)果不穩(wěn)定，甚至不可用。 為保證插值計(jì)算的穩(wěn)定性，可采用下面方法進(jìn)行多項(xiàng)式插值計(jì)算。圖7不同%下的S-N曲線心圖8不同S下的S-N曲線根據(jù)S-N曲線的形狀，采用多項(xiàng)式插值其次數(shù)不宜高于2次。為使插值結(jié)果比較穩(wěn) 定，先選取插值點(diǎn)七附近n個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合多項(xiàng)式，求出多項(xiàng)式的系數(shù)，然后求出插值點(diǎn)七處的值。一般3 n 5,插值多項(xiàng)式為y = a + a x + a x2 = 1 x x2a0aa2 J（1）對(duì)于n個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)（xy），i按式（1）有:y1y2X1X2X 2 1X 22yn Jr 、a0aa1I 2J（2）或

15、記作:（3）式中 A = a a1a2 M用最小二乘法計(jì)算系數(shù)A：（4）T XtY將插值點(diǎn)xo和系數(shù)A帶入式（2），就可得到所要的插值結(jié)果。因?yàn)镾-N曲線在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系上較好地符合二次曲線，所以當(dāng)y代表疲勞壽命時(shí)，要先對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求對(duì)數(shù)，然后再插值。 i2.3名義應(yīng)力法的種類在名義應(yīng)力法的發(fā)展中，除了傳統(tǒng)的名義應(yīng)力法外，還出現(xiàn)應(yīng)力嚴(yán)重系數(shù)（SSF） 法、有效應(yīng)力法、細(xì)節(jié)額定系數(shù)法（DRF）等。SSF法是針對(duì)航空結(jié)構(gòu)緊固件疲勞問(wèn)題 而發(fā)展起來(lái)的一種抗疲勞設(shè)計(jì)方法，在航空結(jié)構(gòu)的抗疲勞設(shè)計(jì)中發(fā)揮了很好的作用。3局部應(yīng)力應(yīng)變法應(yīng)變疲勞方法又稱局部應(yīng)變法或者局部應(yīng)力-應(yīng)變方法，主要用于承受應(yīng)力水平較 高的

16、構(gòu)件壽命估算。該方法將作用于機(jī)構(gòu)細(xì)節(jié)的名義應(yīng)力譜，通過(guò)彈塑性分析，轉(zhuǎn)換為 結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)危險(xiǎn)點(diǎn)的局部應(yīng)力譜，然后通過(guò)當(dāng)量循環(huán)的方法，把局部譜用計(jì)數(shù)方法得到的 應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)等效于光滑試件的應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)，最后由光滑試件的應(yīng)變（或轉(zhuǎn)換為當(dāng)量 應(yīng)變）-壽命曲線估算結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)點(diǎn)的疲勞損傷，進(jìn)而預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。該方法的特 點(diǎn)是：1直接考慮了結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)點(diǎn)局部材料塑性變形的影響；2壽命估算所需的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線相對(duì)較少，一種材料僅需2040個(gè)實(shí)驗(yàn)件。應(yīng)變疲勞分析方法的一個(gè)最基本假設(shè)是等應(yīng)變-損傷假設(shè)。其模型如圖9所示，圖 中Sr為缺口試件的名義應(yīng)力，為光滑試件的名義應(yīng)力。該假設(shè)認(rèn)為：相同的應(yīng)力-應(yīng)變循環(huán) （應(yīng)變范圍和

17、應(yīng)變均值均相同）引起材料的疲勞損傷是相同的，而不管這個(gè)應(yīng)力-應(yīng)變 循環(huán)是來(lái)自常幅或是變幅加載，也不管這個(gè)應(yīng)力-應(yīng)變循環(huán)是作用在光滑試件的材料上， 或者作用在構(gòu)件缺口根部的材料上。由此可見(jiàn)，應(yīng)變疲勞分析方法是以每個(gè)應(yīng)力-應(yīng)變 循環(huán)為基本的損傷計(jì)算單位，由每一循環(huán)所造成的損傷，利用線性累積損傷理論估算構(gòu) 件的疲勞壽命。圖9局部應(yīng)變應(yīng)力法的基本假設(shè)3.1局部應(yīng)力應(yīng)變法估算結(jié)構(gòu)疲勞壽命的步驟用局部應(yīng)力應(yīng)變法估算結(jié)構(gòu)疲勞壽命，首先估算疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)的彈塑性應(yīng)力應(yīng)變歷 程，然后對(duì)照材料的疲勞性能數(shù)據(jù)，按照疲勞累積損傷理論，進(jìn)行疲勞損傷的積累，最 后得到構(gòu)件的疲勞壽命，其步驟如圖10所示。圖10局部應(yīng)力應(yīng)變法壽

18、命估算的步驟（1）確定結(jié)構(gòu)中的疲勞危險(xiǎn)部位；（2）求出危險(xiǎn)部位的名義應(yīng)力譜；（3）采用彈塑性有限元法或其他方法計(jì)算局部應(yīng)力應(yīng)變譜；（4）查當(dāng)前應(yīng)力應(yīng)變水平下的E-N曲線；（5）應(yīng)用疲勞累積損傷理論，求出危險(xiǎn)部位的疲勞壽命。3.2局部應(yīng)力應(yīng)變法的種類用局部應(yīng)力應(yīng)變法計(jì)算疲勞壽命所需的材料性能數(shù)據(jù)是：循環(huán)b-E曲線和E-N曲 線。一個(gè)疲勞壽命估算方法包括三大內(nèi)容：材料疲勞性能的描述、結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)部位的應(yīng)力 應(yīng)變歷程和疲勞累積損傷理論。描述材料循環(huán)b-E曲線和E -N曲線的方法眾多；同樣， 處理其他兩大內(nèi)容的方法也有多種。從理論上講，只要從這三大內(nèi)容的處理方法中各任 姚一個(gè)組合起來(lái)就可形成一種疲勞壽命分

19、析方法。而事實(shí)上，各種疲勞性能描述都有一 定的背景、前提或假設(shè)，因此現(xiàn)在得到廣泛采用的主要是兩種組合，這形成了局部應(yīng)力 應(yīng)變法的兩種算法：即穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法，見(jiàn)表1。表1局部應(yīng)力應(yīng)變法主要種類方 法穩(wěn)態(tài)法瞬志法同部應(yīng)力應(yīng)度修正Neuter法株E： Deuber法計(jì)算方法或彈塑性FEM或彈塑性FEM循臥（J f曲線穩(wěn)志循環(huán)曲張瞬志循環(huán)o-曲線一N曲線Manson-Coffin 公式w如7V曲跋疲勞端積損傷理論太多采用M&T理說(shuō)Mi眼理論穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法的差別在于所采用的循環(huán)a-8曲線和E-N曲線的不同，進(jìn)一步分 析兩者對(duì)于循環(huán)a-8曲線和E-N曲線描述的基本假設(shè)就可以看到這兩種方法的適用 范圍和估算

20、精度的差別。表6. 2對(duì)它們作了一個(gè)簡(jiǎn)單的比較，可以看到它們各有優(yōu)缺 點(diǎn)。表2穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法的比較比轅內(nèi)容穩(wěn)態(tài)法瞬態(tài)法適用范困通常在壽的區(qū)適用對(duì)象1）循環(huán)瞬忘打?yàn)椴幻黠@的材料；2）如果材料的瞬忐行為明健1則對(duì)載荷譜必縝伸雨 流處理任何金屬材料分析精度1）費(fèi)荷糖中的載荷水平差別不大，旦若在1。頃, 則精度高2）裁荷情中小載簡(jiǎn)的傾次銀去，則精度較差高材料數(shù)據(jù)較寥.試驗(yàn)獲取比較容易很少試裝荻取 工作危較大計(jì)算重雜性比較簡(jiǎn)單比較鈕雜4應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度法應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)法基于材料的循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線，通過(guò)彈塑性有限元分析計(jì)算缺口件的應(yīng) 力場(chǎng)強(qiáng)度歷程，然后根據(jù)材料的S-N曲線或8-N曲線，結(jié)合疲勞累積損傷理論，估算 缺口

21、件的疲勞壽命。在此主要介紹應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)（SIF）法估算結(jié)構(gòu)疲勞壽命的基本原理。4.1應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度法基本原理結(jié)構(gòu)件所存在的缺口是一切工程結(jié)構(gòu)的“薄弱環(huán)節(jié)”。無(wú)論是在靜載、疲勞載荷， 還是動(dòng)載荷下，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度都取決于缺口強(qiáng)度。缺口通?？刂浦麄€(gè)結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度和壽 命。在疲勞研究史上，有許多學(xué)者已經(jīng)注意到應(yīng)力峰值點(diǎn)周圍的應(yīng)力梯度與應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng) 對(duì)疲勞壽命或疲勞強(qiáng)度的影響。按照材料的破壞機(jī)理和疲勞損傷的微觀、細(xì)觀與宏觀研究結(jié)果，本文提出了一個(gè)辯證地處理缺口的局部和整體的參數(shù)-場(chǎng)強(qiáng)C來(lái)反映缺口件受 F1載的嚴(yán)重程度，并假定：若缺口根部的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的歷程與光滑試件的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的歷程相同，則兩者具有相同的壽命，見(jiàn)圖1

22、1。圖11應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度法模型（5）式中 f 1為缺口場(chǎng)強(qiáng)度；。為缺口破壞區(qū)；V為。的體積”七）為破壞應(yīng)力函數(shù)；）為權(quán)函數(shù)。對(duì)于平面問(wèn)題，上式可寫作: f 1 = 1J f (,冷(r )ds(6)D式中S為區(qū)域D的面積。式中的各參量分別解釋如下：（1）缺口破壞區(qū)。的大小和形狀與疲勞破壞機(jī)理有關(guān)，疲勞裂紋萌生有多種模式，如滑移帶擠入擠 出模型、位錯(cuò)塞積模型、位錯(cuò)反應(yīng)模型等，但不論哪種模式，疲勞裂紋的萌生都與萌生 處數(shù)個(gè)晶粒至數(shù)十個(gè)晶粒內(nèi)疲勞損傷的累積有關(guān)，參見(jiàn)圖12。所謂的疲勞損傷是指由 于“外力”作用下使材料的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可逆的變化。場(chǎng)強(qiáng)法基于這種思想認(rèn)為缺口 疲勞破壞區(qū)只與材料性能有關(guān)。裂紋

23、的萌生總是源于試件的表面、缺口根部的局部高應(yīng)力區(qū)。不同的材料，有 著不同的晶粒尺寸、缺陷分布、微觀結(jié)構(gòu)等微關(guān)特征。對(duì)于疲勞問(wèn)題，。一般為數(shù)個(gè)晶 粒的尺寸。若要作更詳細(xì)的分析，可引入隨機(jī)變量的概念，因?yàn)椴牧系木Я！⑷毕莸任?觀參數(shù)是隨機(jī)變量，而導(dǎo)致了。也是一個(gè)隨機(jī)變量。但是要將疲勞損傷區(qū)域的形狀和大 小與疲勞破壞機(jī)制定量地聯(lián)系起來(lái)，在目前尚有一定的困難。從宏觀力學(xué)的角度，可以 認(rèn)為破壞區(qū)是以缺口根部為圓心的一個(gè)圓或橢圓，正如圖11所示的疲勞破壞區(qū)的形狀， 目前主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定某一類材料的場(chǎng)徑。圖12疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展路徑示意圖（2）破壞應(yīng)力函數(shù)f （氣）f 9）反映了材料和應(yīng)力場(chǎng)兩個(gè)因素對(duì)缺口強(qiáng)

24、度的影響，函數(shù)f （。）的具體形式涉 及到材料的破壞機(jī)理，它回答的問(wèn)題是：處于均勻應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的光滑試驗(yàn)件，導(dǎo)致其疲 勞損傷逐步累積以至疲勞破壞的“驅(qū)動(dòng)力”是什么？材料的強(qiáng)度理論已有了廣泛而深入的研究，材料不同，適用的強(qiáng)度理論也有所 不同。對(duì)于疲勞破壞，情況也有點(diǎn)類似。不同的材料其f （七）不同，在比例加載下，對(duì) 于碳鋼、鋁合金、鈦合金等宏觀各向同性韌性金屬材料，f （。）可用Von Mises等效應(yīng) 力公式；對(duì)鑄鐵類金屬材料，f 9)可用最大應(yīng)力公式；對(duì)于各向異性材料可采用 Tsai-Hill 或 Tsai-Wu 準(zhǔn)則。同時(shí)，f (七.)應(yīng)充分包含了不同應(yīng)力狀態(tài)的影響，即使最大應(yīng)力相同，但若應(yīng) 力狀態(tài)不同，則應(yīng)力強(qiáng)度。1也不同