疲勞與斷裂資料

疲勞與斷裂資料第1頁/共199頁★基本知識與概念★基于S-N曲線中高周疲勞設(shè)計方法★基于局部應(yīng)力應(yīng)變法的低周疲勞設(shè)計方法★基于斷裂力學(xué)應(yīng)力強度因子的裂紋結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計方法★專業(yè)領(lǐng)域的疲勞設(shè)計方法★

現(xiàn)代疲勞分析工具第2頁/共199頁零件的主要失效形式斷裂、磨損和腐蝕。緩慢的過程突變行為斷裂靜態(tài)斷裂動態(tài)斷裂疲勞斷裂沖擊斷裂第3頁/共199頁

結(jié)構(gòu)或材料在交變載荷作用下，即使所受的應(yīng)力低于屈服強度（變形處于彈性范圍內(nèi)），經(jīng)過若干次循環(huán)后，也會發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。

交變載荷是指隨時間變化的載荷，載荷可以是力、位移、溫度或應(yīng)力、應(yīng)變等。第4頁/共199頁第一代噴氣客機（英國的彗星式一型）因失事而被勒令停飛。該型客機于投入服務(wù)后，接連兩次在巡航中解體，在立刻禁飛之后，經(jīng)過反復(fù)模擬測試而復(fù)制出機體解體是金屬疲勞所引起。疲勞引起的大型災(zāi)難性事故第5頁/共199頁

1979年5月25日，一架滿載乘客的美國航空公司DG-10型三引擎巨型噴氣客機，從芝加哥起飛不久，就失去了左邊一具引擎，隨即著火燃燒，然后爆炸墜地。機上273名乘客和機組人員無一幸免。這是世界航空史上最悲慘的事件之一。事后，有關(guān)當局對這架失事飛機的殘骸進行檢查后發(fā)現(xiàn)，這架飛機上連接一具引擎與機翼的螺栓因金屬疲勞折斷，從而導(dǎo)致引擎燃燒爆炸。第6頁/共199頁

1985年8月12日晚上7時許．日本航空公司的一架波音747寬體客機，撞在群馬縣附近的山上，機上509名乘客和15名機組人員僅4人獲救外。其余52O人全部罹難，這是世界民航史上單機發(fā)生的最大空難事件。

對飛機殘骸的分析和同“黑匣子”記錄儀進行對照后，飛機起飛12分鐘后，發(fā)生了“異常的沖擊”，同時，壓力隔板損壞，飛機密封性能的破壞使機艙內(nèi)急劇減低壓力，導(dǎo)致飛機垂直尾翼損壞并在空中分解。第7頁/共199頁事故分析發(fā)現(xiàn)，這架飛機幾年前發(fā)生過小失事，飛機尾舷材料疲勞而損壞過，檢修工作進行得很馬虎，在沒有徹底排除病根的情況下就算檢修完畢，并交付使用。這次飛行，由于高度上升過程的速度快，機艙內(nèi)外的氣壓發(fā)生急劇變化，機艙內(nèi)空氣壓縮機受到的壓力比機艙外大得多。于是，這一裝置在一個臨界時刻承受不了這種壓力，使液壓系統(tǒng)受損，導(dǎo)致強大的氣流吹進垂直尾翼內(nèi)，使升降航和方向航失去控制，尾翼上部和方向舵在一瞬間被撕裂而墜落。第8頁/共199頁

1998年德國一列高速列車在行駛中突然出軌。事故是因為一節(jié)車廂的車輪內(nèi)部疲勞斷裂而引起，導(dǎo)致了近50年來德國最慘重鐵路事故的發(fā)生。第9頁/共199頁

2002年華航CI611號航班的波音747﹣200型客機，在從臺灣飛港途中，突然從地面的雷達熒光屏上消失。據(jù)報道，地面航空管制部門并沒有收到無線電通話或是二級雷達顯示的求救信號。臺“飛安會”公布事故調(diào)查報告，華航飛機由于金屬疲勞，造成空中解體，華航維修不當是重要原因。第10頁/共199頁疲勞、腐蝕和磨損是引起飛機等機械設(shè)備和裝置的事故的3種主要模式。據(jù)國外資料統(tǒng)計，飛機等由結(jié)構(gòu)引發(fā)的故障，80%以上是由疲勞失效引起的。疲勞是否發(fā)生主要取決于兩個方面因素：■一方面是自身的內(nèi)部因素，即結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計、材料和加工質(zhì)量等；■另一方面是外部因素，即實際使用載荷等。第11頁/共199頁

軸葉輪

疲勞斷裂破壞第12頁/共199頁

轉(zhuǎn)子軸疲勞開裂

疲勞斷裂破壞第13頁/共199頁疲勞的一般特征發(fā)生在應(yīng)力水平遠小于材料的靜強度極限下。疲勞破壞在宏觀上無明顯塑性變形，近似脆斷。對材料的缺陷十分敏感；是一個累積的過程，即裂紋形成、擴展、斷裂。疲勞破壞常具有局部性質(zhì)，因此改變局部設(shè)計可以明顯延長結(jié)構(gòu)壽命（細節(jié)設(shè)計）。疲勞斷口在宏觀和微觀上均具有特征，可以借助斷口分析判斷是否屬于疲勞破壞。第14頁/共199頁疲勞的分類

（1）按應(yīng)力狀態(tài)：彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、復(fù)合疲勞等；

（2）按環(huán)境：腐蝕疲勞、熱疲勞、高溫疲勞、接觸疲勞等；

（3）按循環(huán)周期：高周疲勞、低周疲勞；

（4）按破壞原因：機械疲勞、腐蝕疲勞、熱疲勞。（5）按初始狀態(tài)：無裂紋零件和裂紋零件的疲勞第15頁/共199頁疲勞失效的過程和機制。介紹估算裂紋形成壽命的方法，以及延壽技術(shù)。介紹一些疲勞研究的新成果。金屬疲勞的基本概念和一般規(guī)律。

本講座主要介紹疲勞研究、設(shè)計及分析的具體目的：▲精確地估算機械結(jié)構(gòu)的零構(gòu)件的疲勞壽命，簡稱定壽，保證在服役期內(nèi)零構(gòu)件不會發(fā)生疲勞失效；▲采用經(jīng)濟而有效的技術(shù)和管理措施以延長疲勞壽命，簡稱延壽，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。第16頁/共199頁循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力（交變應(yīng)力、疲勞應(yīng)力）是指應(yīng)力隨時間呈周期性的變化。循環(huán)應(yīng)力-時間圖

——應(yīng)力歷程

常用導(dǎo)出量：平均應(yīng)力

m=(max+min)/2應(yīng)力幅a=(max-min)/2

應(yīng)力比或循環(huán)特性參數(shù)R=min/max應(yīng)力幅度（應(yīng)力變程）D=max-min第17頁/共199頁設(shè)計：用max，min

，直觀；試驗：用m，a

，便于加載；分析：用a，R，突出主要控制參量,便于分類討論。0StR=-1對稱循環(huán)max=-min0StR=1靜載max=min0StR=0脈沖循環(huán)min=0主要控制參量：a；重要影響參量：R應(yīng)力比R反映了載荷的循環(huán)特性。如第18頁/共199頁

循環(huán)應(yīng)力

穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力

不穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力

非規(guī)律性:如汽車的鋼板彈簧

規(guī)律性:機床的主軸

穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力第19頁/共199頁tσtσ非規(guī)律性規(guī)律性不穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力第20頁/共199頁循環(huán)應(yīng)力變化范圍不變，即波形不變。波形通常是正弦波，此外還有三角波以及其它波形。循環(huán)應(yīng)力-時間圖

——應(yīng)力歷程

穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力

第21頁/共199頁穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力第22頁/共199頁穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力分為下列幾種典型情況：對稱循環(huán)應(yīng)力

σm=0，R＝-1。大多數(shù)軸類零件，通常受到對稱循環(huán)應(yīng)力的作用。第23頁/共199頁不對稱循環(huán)應(yīng)力

σm≠0，R≠-1。第24頁/共199頁不對稱拉伸平均應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力

0＜σm＜σa，-1＜R＜0。比較常見的不對稱循環(huán)應(yīng)力。

——大拉小壓循環(huán)。第25頁/共199頁不對稱壓縮平均應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力

-σa＜σm＜0，-1＜R＜0結(jié)構(gòu)中某些支撐件受到這種循環(huán)應(yīng)力。

——小拉大壓的作用第26頁/共199頁脈動循環(huán)應(yīng)力

σm=σa，R＝0齒輪的齒根和某些壓力容器受到這種脈動循環(huán)應(yīng)力的作用。第27頁/共199頁波動循環(huán)應(yīng)力

σm>σa，0＜R＜1飛機機翼下翼面、鋼梁的下翼緣以及預(yù)緊螺栓等，均承受這種循環(huán)應(yīng)力的作用。第28頁/共199頁靜（循環(huán)）應(yīng)力

σa=0，R＝1靜應(yīng)力是一種特殊的循環(huán)應(yīng)力。第29頁/共199頁s－N疲勞曲線低周疲勞高周疲勞=104第30頁/共199頁

金屬零件疲勞斷裂實質(zhì)上是一個累積損傷過程，可劃分為滑移、裂紋成核、微觀裂紋擴展、宏觀裂紋擴展、最終斷裂幾個過程。疲勞失效機理第31頁/共199頁疲勞裂紋的萌生在交變載荷下，金屬零件表面產(chǎn)生不均勻滑移、金屬內(nèi)的非金屬夾雜物和應(yīng)力集中等均可能是產(chǎn)生疲勞裂紋核心的策源地。滑移帶隨著疲勞的進行逐步加寬加深，在表面出現(xiàn)擠出帶和擠入槽，這種擠入槽就是疲勞裂紋策源地。另外金屬的晶界及非金屬夾雜物等處以及零件應(yīng)力集中的部位（臺階、尖角、鍵槽等）均會產(chǎn)生不均勻滑移，最后也形成疲勞裂紋核心。第32頁/共199頁疲勞裂紋的擴展在沒有應(yīng)力集中的情況下，疲勞裂紋的擴展可分為兩個階段；⑴在交變應(yīng)力的作用下，裂紋從金屬材料的表面上的滑移帶、擠入槽或非金屬夾雜物等處開始，沿著最大切應(yīng)力方向（和主應(yīng)力方向成45°角）的晶面向內(nèi)擴展。擴展速度慢，如沒有應(yīng)力集中，直接進入第二階段。⑵改變方向，沿著與正應(yīng)力相垂直的方向擴展，擴展途徑穿晶并速度很快第33頁/共199頁

裂紋成核后的擴展過程主要包括微觀和宏觀兩個裂紋擴展階段。

整個疲勞過程是滑移－微觀裂紋產(chǎn)生－微觀裂紋的連接－宏觀裂紋擴展直至斷裂失效。

第34頁/共199頁疲勞斷口宏觀形貌特征典型宏觀疲勞斷口分為三個區(qū)域，疲勞源或稱疲勞核心、疲勞裂紋擴展區(qū)和瞬時斷裂區(qū)。

第35頁/共199頁（a）（b）（c）（a）疲勞斷口宏觀形貌（b）疲勞斷口示意圖（c）疲勞條紋的微觀圖象疲勞源疲勞裂紋擴展區(qū)“貝紋”狀花樣瞬時斷裂區(qū)第36頁/共199頁隨材質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)的不同，斷口三個區(qū)的大小和位置不同。1、疲勞源

▼裂紋的萌生地；▼裂紋處在亞穩(wěn)擴展過程中；

▼由于應(yīng)力交變，斷面摩擦而光亮；

▼伴隨加工硬化；

▼隨應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)力大小的不同，可有一個或幾個疲勞源。第37頁/共199頁2、疲勞擴展區(qū)（貝紋區(qū)）

▼斷面比較光滑，并分布有貝紋線；

▼循環(huán)應(yīng)力低，材料韌性好，疲勞區(qū)大，貝紋線細、明顯；

▼有時在疲勞區(qū)的后部，還可看到沿擴展方向的疲勞臺階（高應(yīng)力作用）。第38頁/共199頁3、瞬斷區(qū)

▼一般在疲勞源的對側(cè)；

▼脆性材料為結(jié)晶狀斷口；

▼韌性材料有放射狀紋理，邊緣為剪切唇。第39頁/共199頁提高零件抗疲勞斷裂的方法

1·延緩疲勞裂紋萌生時間；方法有強化金屬合金表面，控制表面的不均勻滑移，如表面滾壓、噴丸、表面熱處理等。另外提高金屬材料的純凈度，減少夾雜物尺度以及提高零件表面完整性設(shè)計水平，盡量避免應(yīng)力集中的現(xiàn)象等，都是抑制或推遲疲勞裂紋產(chǎn)生的有效途徑。2·降低疲勞裂紋擴展的速度；止裂孔法、擴孔清除法（不影響強度的前提下）、刮磨修理法；此外，還可以在裂紋處采用局部增加有效截面或補貼金屬條等降低應(yīng)力水平的方法，以阻止裂紋繼續(xù)產(chǎn)生與擴展。加強次負荷鍛煉；第40頁/共199頁★基本知識與概念★基于S-N曲線中高周疲勞設(shè)計方法★基于局部應(yīng)力應(yīng)變法的低周疲勞設(shè)計方法★基于斷裂力學(xué)應(yīng)力強度因子的裂紋結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計方法★專業(yè)領(lǐng)域的疲勞設(shè)計方法★

現(xiàn)代疲勞分析工具第41頁/共199頁典型的疲勞壽命曲線從加載開始到試件斷裂所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)數(shù)，定義為該試件的疲勞壽命N

。疲勞壽命與應(yīng)力的關(guān)系曲線又稱為S-N曲線，也稱作Wohler曲線。S-N曲線第42頁/共199頁

用若干個標準試件在一定的平均應(yīng)力下，不同的應(yīng)力幅值下進行疲勞試驗，測出斷裂時的循環(huán)次數(shù)N，然后根據(jù)數(shù)據(jù)的平均值繪出S－N曲線，這樣得到的S－N曲線是指存活率為50％的中值S－N曲線。不加說明均指在R＝-1時的S－N曲線。第43頁/共199頁應(yīng)變(低周)疲勞靜斷裂中周疲勞高周疲勞S-Ｎ曲線疲勞壽命曲線可以分為三個區(qū)：無限壽命第44頁/共199頁(1)低循環(huán)疲勞(LowCycleFatigue)區(qū)在很高的應(yīng)力下，在很少的循環(huán)次數(shù)后，結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂，并有較明顯的塑性變形。一般認為，低循環(huán)疲勞發(fā)生在循環(huán)應(yīng)力超出彈性極限，疲勞壽命在103到104次之間。因此，低循環(huán)疲勞又可稱為短壽命疲勞。第45頁/共199頁(2)高循環(huán)疲勞(HighCycleFatigue)區(qū)在高循環(huán)疲勞區(qū)，循環(huán)應(yīng)力低于彈性極限，疲勞壽命長，N＞104

次循環(huán)，且隨循環(huán)應(yīng)力降低而大大地延長。結(jié)構(gòu)在最終斷裂前，整體上無可測的塑性變形，因而在宏觀上表現(xiàn)為脆性斷裂。在此區(qū)內(nèi)，試件的疲勞壽命較長，故可將高循環(huán)疲勞稱為長壽命疲勞。第46頁/共199頁(3)無限壽命區(qū)或安全區(qū)結(jié)構(gòu)在低于某一臨界應(yīng)力幅σlim的應(yīng)力下，可以經(jīng)受無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不斷裂，疲勞壽命趨于無限；即σa≤σlim，N→∞。故可將σlim稱為材料的理論疲勞極限或耐久限。在絕大多數(shù)情況下，S-N曲線存在一條水平漸近線，其高度即為σlim。第47頁/共199頁S-Ｎ曲線中高周疲勞段的規(guī)律在對數(shù)坐標上，S-Ｎ曲線中高周段呈直線。第48頁/共199頁S-Ｎ曲線的獲得例如,45#鋼在對稱循環(huán)應(yīng)力條件下疲勞壽命如下：σa=360MPa,σm=0,N=107σa=385MPa,σm=0,N=106σa=410MPa,σm=0,N=105σa=435MPa,σm=0,N=104

S-Ｎ曲線兩個參數(shù)，試驗往往有多組數(shù)據(jù)，因此要使用擬合確定S-Ｎ曲線的參數(shù)m和C。第49頁/共199頁σN????45#鋼對稱循環(huán)應(yīng)力條件下σ-Ｎ曲線104105106107第50頁/共199頁工程上的定義的疲勞極限：在指定的疲勞壽命下，試件所能承受的上限應(yīng)力幅值。指定壽命通常取N=107cycles。在應(yīng)力比R=-1時測定的疲勞極限記為σ-1。測定疲勞極限常采用升降法。

疲勞極限及其實驗測定疲勞極限：試件可經(jīng)受無限的應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生斷裂，所能承受的極限循環(huán)應(yīng)力幅值。第51頁/共199頁測試條件疲勞極限采用升降法，試件取13根以上。每級應(yīng)力增量取預(yù)計疲勞極限的5％以內(nèi)。第一根試件的試驗應(yīng)力水平略高于預(yù)計疲勞極限。根據(jù)上根試件的試驗結(jié)果，是失效還是通過（即達到循環(huán)數(shù)不破壞）來決定下根試件應(yīng)力增量是減還是增，失效則減，通過則增。直到全部試件做完。第一次出現(xiàn)相反結(jié)果（失效和通過，或通過和失效）以前的試驗數(shù)據(jù)，如在以后試驗數(shù)據(jù)波動范圍之外，則予以舍棄；否則，作為有效數(shù)據(jù)，連同其他數(shù)據(jù)加以利用，按下列公式計算疲勞極限：式中m——有效試驗總次數(shù)；n—應(yīng)力水平級數(shù)；i—第i級應(yīng)力水平；vi—第i級應(yīng)力水平下的試驗次數(shù)。第52頁/共199頁例如某試驗過程如圖所示，共14根試件。預(yù)計疲勞極限為390MPa，取其2.5％約10MPa為應(yīng)力增量，第一根試件的應(yīng)力水平402MPa，全部試驗數(shù)據(jù)波動如圖2，可見，第四根試件為第一次出現(xiàn)相反結(jié)果，在其之前，只有第一根在以后試驗波動范圍之外，為無效，則按上式求得條件疲勞極限如下：

第53頁/共199頁例如某試驗過程如圖所示，共14根試件。預(yù)計疲勞極限為390MPa，取其2.5％約10MPa為應(yīng)力增量，第一根試件的應(yīng)力水平402MPa，全部試驗數(shù)據(jù)波動如圖2，可見，第四根試件為第一次出現(xiàn)相反結(jié)果，在其之前，只有第一根在以后試驗波動范圍之外，為無效，則按上式求得條件疲勞極限如下：

第54頁/共199頁

非對稱循環(huán)應(yīng)力下的疲勞大多數(shù)機械和工程結(jié)構(gòu)的零件，是在非對稱循環(huán)應(yīng)力下服役的。需要考慮平均應(yīng)力或應(yīng)力比對疲勞壽命的影響。σm≠0，R≠-1。第55頁/共199頁例如,45#鋼在非對稱循環(huán)應(yīng)力條件下疲勞壽命如下：σa=325MPa,σm=35MPa,N=107σa=355MPa,σm=35MPa,N=106σa=475MPa,σm=35MPa,N=105σa=400MPa,σm=35MPa,N=104第56頁/共199頁σN????45#鋼非對稱循環(huán)應(yīng)力條件下（平均應(yīng)力35MPa）S-Ｎ曲線104105106107第57頁/共199頁等壽命曲線(極限應(yīng)力線圖)

用于表達不同應(yīng)力比R時疲勞壽命的特性。

第58頁/共199頁不同特征值下的疲勞強度（平均應(yīng)力的影響）討論R的影響就是討論平均應(yīng)力的影響。當a給定時，R增大，m也增大。

當m>0時，即拉伸平均應(yīng)力作用下時，S－N曲線下移，表示同樣應(yīng)力幅作用下壽命下降，對疲勞有不利的影響；當m<0時，即壓縮平均應(yīng)力作用時，S－N曲線上移，表示同樣應(yīng)力幅作用下壽命增加，對疲勞的影響是有利的。第59頁/共199頁

為了清楚的表明應(yīng)力幅值和平均應(yīng)力之間的關(guān)系，常把等壽命曲線畫成如下形式。

可以看出：在壽命不變的情況下，應(yīng)力幅隨著平均應(yīng)力的增加而減少，在ADB曲線下面任一點表示在規(guī)定的壽命內(nèi)不發(fā)生破壞。第60頁/共199頁極限應(yīng)力線圖具有相同壽命的不同應(yīng)力組合連線。例如45#鋼107次壽命的應(yīng)力組合：σm=360MPa,σa=0(γ=-1)σm=320MPa,σa=50(γ=?)σm=240MPa,σa=100(γ=?)σm=160MPa,σa=160(γ=0)σm=110MPa,σa=200(γ=?)σm=0MPa,σa=460(γ=1)第61頁/共199頁σaσm??????σ-1σ145#鋼107次壽命的極限應(yīng)力線圖第62頁/共199頁σaσm??????σ-1σ1（σs或σb）45#鋼106次壽命的極限應(yīng)力線圖第63頁/共199頁σaσm??????σ-145#鋼105次壽命的極限應(yīng)力線圖σ1（σs或σb）第64頁/共199頁σaσm??????σ-145#鋼104次壽命的極限應(yīng)力線圖σ1（σs或σb）第65頁/共199頁σaσmGerber√Goodman√SodergoberMorrowσbσsσ-1Cepecen第66頁/共199頁第67頁/共199頁

考慮一種應(yīng)力循環(huán)時，可通過S－N曲線查的構(gòu)件的疲勞壽命，但兩種或兩種以上的應(yīng)力循環(huán)時，就無法直接應(yīng)用S－N曲線估算構(gòu)件的疲勞壽命。第68頁/共199頁疲勞載荷譜按某種規(guī)律隨時間而變化的載荷-時間歷程。疲勞載荷譜示意圖累積疲勞損傷變幅載荷圖示意地表示零件所受的變幅應(yīng)力。第69頁/共199頁疲勞壽命曲線與累積損傷計算示意圖如何根據(jù)等幅載荷下測定的S-N曲線，估算變幅載荷下的疲勞壽命。常用的是Miner線性累積傷法則。第70頁/共199頁若循環(huán)n1次,則造成的損傷度為n1D1；若在應(yīng)力幅σ2下循環(huán)n2次,則造成的損傷度為n2D2=n2/Nf2。Miner法則簡述如下：設(shè)試件在循環(huán)應(yīng)力σ1下的疲勞壽命為N1，若在該應(yīng)力幅下循環(huán)1次，則勞壽命縮減的分數(shù)為1／N1

，即造成的損傷度為D1=1/Nf1;第71頁/共199頁當總損傷度達到臨界值時，發(fā)生疲勞失效。顯然，在恒幅載荷下，損傷度的臨界值為1.0。

若零件所受的變幅載荷有m級，則在不同級的循環(huán)應(yīng)力下所造成的總損傷度為第72頁/共199頁

若將恒幅加載看成變幅載荷的特例，則變幅載荷下?lián)p傷度的臨界值也應(yīng)為1.0。故有

即在變幅載荷下，疲勞總損傷度達到1.0時，發(fā)生疲勞失效。此即Miner線性累積損傷定則。實際情況,損傷度的臨界值從0.X到1X內(nèi)變化。第73頁/共199頁算例

某機械零件在一次運轉(zhuǎn)中所受載荷如下，問該零件在破壞前能運轉(zhuǎn)多少次？應(yīng)力水平niNini/Ni0—41213.5×1030.2857×10-30－343101.2×1040.8333×10-30－2062001.7×1051.176×10-30－1371000>>108

可忽略不及求得即為每次運轉(zhuǎn)的損傷。在該零件破壞前能運轉(zhuǎn)的次數(shù)為L，則得L＝436次第74頁/共199頁Miner理論的優(yōu)缺點缺點：沒有考慮各級載荷的相互影響（加載順序）；沒有考慮低于疲勞極限的應(yīng)力所造成的損傷；沒有硬化、殘余應(yīng)力等因素的影響。優(yōu)點：簡單明了，使用方便；特別適用于隨機變幅載荷下疲勞壽命估算。*疲勞有所謂的加載效應(yīng)，先大載荷后小載荷與先小載荷后大載荷疲勞壽命不同。第75頁/共199頁影響疲勞強度的一些因素應(yīng)力集中應(yīng)力集中是應(yīng)力在受力物體局部區(qū)域內(nèi)明顯提高的現(xiàn)象。應(yīng)力集中對疲勞強度的影響與材料的性質(zhì)有關(guān)，對脆性材料影響較大，對塑性材料則影響較小，實驗表明疲勞裂紋源總是出現(xiàn)在應(yīng)力集中的地方。它使結(jié)構(gòu)的疲勞強度降低，是非常重要的因素。

對于靜強度，采用理論應(yīng)力集中系數(shù)Kt來反映應(yīng)力增高的程度。第76頁/共199頁此時，名義應(yīng)力為則第77頁/共199頁

對于橢圓形在m－m截面上的最大應(yīng)力為圓形孔有一條順著應(yīng)力方向的裂紋有一條垂直應(yīng)力方向的裂紋，應(yīng)力集中嚴重。第78頁/共199頁

對于疲勞強度，采用有效應(yīng)力集中系數(shù)Kf來反映應(yīng)力增高的程度。

其值由實驗確定，不同的材料對應(yīng)力集中的敏感程度是不一樣的，引入敏感系數(shù)q一般q介于0與1之間，塑性材料q值較小，脆性材料q值較大。q＝0，表示材料對應(yīng)力集中沒有任何反映，Kf＝1q＝1，表示材料對應(yīng)力集中非常敏感，Kf＝Kt第79頁/共199頁尺寸效應(yīng)一般來說，零件的疲勞強度隨著其尺寸的增大而降低。原因：尺寸不同，在相同承力形式下，零件的應(yīng)力梯度不同，所含的高應(yīng)力區(qū)大。大尺寸可能含有更多的不利因素，如缺陷、不均勻、各向異性等。尺寸系數(shù)尺寸系數(shù)受材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的均勻性及表面加工狀態(tài)等影響，故分散性較大。第80頁/共199頁表面加工的影響實驗表明，表面粗糙度對疲勞強度的影響是隨著表面光潔度的提高，疲勞強度也提高。表明敏感系數(shù)其他因素的影響環(huán)境因素、加載頻率等，有一個影響系數(shù)反映。第81頁/共199頁真實應(yīng)力（對名義應(yīng)力的修正）有效應(yīng)力集中系數(shù)Kf尺寸系數(shù)表面敏感系數(shù)其他因素影響系數(shù)名義應(yīng)力第82頁/共199頁結(jié)構(gòu)疲勞壽命估算方法根據(jù)載荷譜獲得應(yīng)力譜獲得材料S－N曲線獲得材料等壽命曲線（如果有平均應(yīng)力）計算名義應(yīng)力確定真實應(yīng)力計算各級應(yīng)力譜下?lián)p傷運用累積損傷理論進行壽命估算。該基于S-N曲線的結(jié)構(gòu)疲勞壽命估算方法

——名義應(yīng)力法第83頁/共199頁★基本知識與概念★基于S-N曲線中高周疲勞設(shè)計方法★基于局部應(yīng)力應(yīng)變法的低周疲勞設(shè)計方法★基于斷裂力學(xué)應(yīng)力強度因子的裂紋結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計方法★專業(yè)領(lǐng)域的疲勞設(shè)計方法★

現(xiàn)代疲勞分析工具第84頁/共199頁名義應(yīng)力法的不足：用彈性力學(xué)計算名義應(yīng)力，當構(gòu)件危險點（應(yīng)力集中較大時）發(fā)生屈服時，誤差較大；修正系數(shù)和試驗曲線多，使用條件難以與實際情況完全吻合，造成誤差。

60年代中期出現(xiàn)了局部應(yīng)力-應(yīng)變法，綜合了在這之前疲勞問題研究的成果(材料的循環(huán)應(yīng)變特性等)，是一種在概念上和方法上與名義應(yīng)力法有較大區(qū)別的構(gòu)件壽命估算方法，主要用于低周疲勞壽命計算方法。第85頁/共199頁局部應(yīng)力-應(yīng)變法主要內(nèi)容包括：在低周疲勞問題中，在循環(huán)應(yīng)力作用下，認為循環(huán)塑性變形是造成疲勞損傷的根本原因，用應(yīng)變描述材料的疲勞現(xiàn)象要比用應(yīng)力描述來得更加直接，其中考慮了材料的記憶特性。載荷計數(shù)采用雨流計數(shù)法。采用局部應(yīng)力-應(yīng)變分析，即應(yīng)力集中部位進行局部應(yīng)力-應(yīng)變計算。損傷累積一般用線性疊加的方法，當損傷累積達到臨界值時，認為材料發(fā)生破壞，所對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)就是估算的壽命。第86頁/共199頁低周疲勞壽命在103～104次的疲勞斷裂稱為低周疲勞。

低周疲勞的循環(huán)應(yīng)力水平較高，往往大于σs而發(fā)生塑性變形，直到斷裂，所以也稱塑性疲勞或應(yīng)變疲勞。如飛機、艦船、橋梁等的斷裂有時是低周疲勞造成的。低周疲勞特點1、應(yīng)力和應(yīng)變之間不再呈直線關(guān)系（類似靜態(tài)拉伸時塑性段不是直線關(guān)系），而經(jīng)加載和卸載后產(chǎn)生回線。2、低周疲勞時，因塑性應(yīng)變較大，不能用σ－N曲線而應(yīng)該用Δε－N曲線來描述。3、一般低周疲勞的疲勞源有多個；4、低周疲勞壽命取決于塑性應(yīng)變振幅，而高周疲勞壽命取決于應(yīng)力振幅。第87頁/共199頁局部應(yīng)力-應(yīng)變法適用于低周疲勞的疲勞設(shè)計方法?；炯僭O(shè)應(yīng)力集中--切口根部形成塑性區(qū),故疲勞裂紋總是在切口根部形成。假想用塑性區(qū)內(nèi)的材料取出做成疲勞試件，按塑性區(qū)內(nèi)材料所受的應(yīng)變譜進行疲勞試驗。第88頁/共199頁靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線

加載，加載，再加載，直至斷裂。循環(huán)應(yīng)力下，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系將如何呢？加載，卸載，再加載，再卸載，直至斷裂。第89頁/共199頁循環(huán)應(yīng)力下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系循環(huán)應(yīng)力下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系—加載，卸載，再加載，再卸載，直至斷裂。第90頁/共199頁第91頁/共199頁循環(huán)應(yīng)力--應(yīng)變曲線在彈性范圍內(nèi)加載和卸載，其變形在宏觀上是可逆的。

當加載超出彈性范圍，應(yīng)變的變化落后于應(yīng)力，形成應(yīng)力-應(yīng)變回線，在循環(huán)加載的初期，應(yīng)力-應(yīng)變回線并不封閉，它的形狀隨循環(huán)數(shù)而改變。因此，要保持循環(huán)應(yīng)變范圍△ε或其塑性分量△εp為常數(shù)，則加于試件上的循環(huán)應(yīng)力幅必須不斷地進行調(diào)整。第92頁/共199頁應(yīng)力-應(yīng)變回線隨循環(huán)次數(shù)變化示意圖,(a)退火銅；(b)加工硬化銅

對于某些合金，要使其△ε或△εp

保持恒定，則必須隨加載循環(huán)數(shù)的增加提高應(yīng)力幅,這種現(xiàn)象稱為循環(huán)硬化；反之，則為循環(huán)軟化。第93頁/共199頁此時，就有一個應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系（一般用塑性應(yīng)變）。一直循環(huán)下去，直到斷裂，就有一個對應(yīng)的塑性應(yīng)變-疲勞壽命（△εp-N）。大部分材料循環(huán)硬化或者循環(huán)軟化后，會進入一個穩(wěn)定循環(huán)狀態(tài)。第94頁/共199頁多個應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，即循環(huán)應(yīng)力--應(yīng)變曲線。相應(yīng)地，多個塑性應(yīng)變-疲勞壽命（△εp-N），即應(yīng)變疲勞曲線。第95頁/共199頁

△ε=△εe

+△εp應(yīng)變疲勞曲線和表達式低周疲勞的疲勞壽命主要由應(yīng)變決定，特別是塑性應(yīng)變范圍，故又將低周疲勞稱為應(yīng)變疲勞或低循環(huán)疲勞?？倯?yīng)變范圍△ε是彈性應(yīng)變范圍△εe與塑性應(yīng)變范圍△εp之和：第96頁/共199頁

應(yīng)變疲勞試驗時，控制總應(yīng)變范圍或者控制塑性應(yīng)變范圍。在給定的△ε或△εp下，測定疲勞壽命N，將應(yīng)變疲勞實驗數(shù)據(jù)在logN-log△ε雙對數(shù)坐標紙上作圖，即得應(yīng)變疲勞壽命曲線。應(yīng)變疲勞壽命曲線第97頁/共199頁在雙對數(shù)坐標中，彈性應(yīng)變-壽命曲線和塑性-壽命應(yīng)變曲線都呈直線狀態(tài)，總應(yīng)變-壽命曲線則可看成是這兩條曲線的相加。第98頁/共199頁應(yīng)變疲勞壽命方程式第99頁/共199頁雨流計數(shù)法

載荷時間歷程往往是隨機的、不規(guī)則的，需要把它處理成一個一個的循環(huán)應(yīng)力，這就需要一種計數(shù)的方法。常用的峰值計數(shù)法、變程計數(shù)法和雨流計數(shù)法等等。其中雨流計數(shù)法被應(yīng)用較多。第100頁/共199頁雨流計數(shù)法

①將曲線順時針旋轉(zhuǎn)90°，把波峰、波谷想象成一系列房檐，讓雨水在上面流動，根據(jù)雨流跡線來確定載荷循環(huán)；第101頁/共199頁②雨水起流原則：雨水依次在每個峰值或谷值的內(nèi)側(cè)（相對圖而言）或者上方（相對圖而言）沿著斜率方向流下，如圖所示：第一個雨流從1的內(nèi)側(cè)（上方）開始，第二個雨流從峰2的內(nèi)側(cè)（上方）開始，也就是說雨水在屋檐之上流起；第102頁/共199頁③雨流停止原則Ⅰ：凡是起流于波谷的雨流遇到比它更小的谷值（代數(shù)值）便停止，凡是起流于波峰谷的雨流遇到比它更大的峰值（代數(shù)值）便停止，如圖中的始于波谷1的雨流止于7，而始于波峰2的雨流止于止于6；第103頁/共199頁雨流停止原則Ⅱ：雨流凡是遇到上層房檐留下的雨時就停止，如圖中始于波谷5的雨流止于2′，始于波峰4的雨流止于3′，始于波峰8的雨流止于7′，始于波谷13的雨流止于10′；第104頁/共199頁④根據(jù)上面得到的雨流的起點和終點，凡構(gòu)成一個閉合的雨流跡線的形成一個全循環(huán)，取出所有的全循環(huán)，并記錄它們的峰值或谷值。第105頁/共199頁⑤以上進行的是雨流計數(shù)的第一階段，得到的結(jié)果是一個按照雨流計數(shù)法無法繼續(xù)計數(shù)的發(fā)散—收斂波，如圖

，要繼續(xù)進行計數(shù)，就需要把此波改造成使之能使用雨流計數(shù)原則的收斂—發(fā)散波，并取出剩余的全循環(huán)，這就是雨流計數(shù)的第二個階段。第106頁/共199頁⑥雨流計數(shù)法的全部計數(shù)結(jié)果，等于這兩個階段計數(shù)之和。第107頁/共199頁算例：進行雨計數(shù)，得到1–4–7、2–3–2’和5–6–5’三個循環(huán)。第108頁/共199頁本例的材料是汽車用熱軋低碳鋼，其化學(xué)成分為：0.23%C、1.57%Mn、0.016%P、0.022%S、0.01%Si、0.22%Cu，其強度極限σb=540~565MPa，屈服極限σs=315~325MPa，截面縮減率=64~69%，彈性模量E=192000MPa,n’=0.193，K’=1125.9MPa。第109頁/共199頁從0—1加載時，由于是從零起始，循環(huán)σ—ε方程用式擬合，將E=192000MPa、K’=1125.9MPa、n’=0.193、解得?σ=458.3Mpa，?ε=0.012再計算1—2卸載2—3加載3—2’卸載…。第110頁/共199頁

三個應(yīng)力-應(yīng)變循環(huán)2–3–2’、5–6–5’和1–4–7中的應(yīng)力幅值σa、應(yīng)變幅值εa、

平均應(yīng)力σm、平均應(yīng)變εm及彈性應(yīng)變分量εe、塑性應(yīng)變分量εp列入下表。

第111頁/共199頁第112頁/共199頁對于2–3–2’循環(huán)，由于εp>εe,故用εp計算損傷對于5–6–5’循環(huán)，由于εe>εp,故用εe計算損傷。有對于1–4–7循環(huán)，由于εp>εe,故用εp計算損傷第113頁/共199頁根據(jù)Miner法則求疲勞累積損傷，得設(shè)疲勞破壞時載荷循環(huán)塊數(shù)（即載荷—時間歷程的反復(fù)次數(shù)）B為若每個載荷塊經(jīng)歷的時間為h0，則零件的疲勞壽命為

h=B·h0上述計算均可由計算機完成，程序框圖如圖。第114頁/共199頁★基本知識與概念★基于S-N曲線中高周疲勞設(shè)計方法★基于局部應(yīng)力應(yīng)變法的低周疲勞設(shè)計方法★基于斷裂力學(xué)應(yīng)力強度因子的裂紋結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計方法★專業(yè)領(lǐng)域的疲勞設(shè)計方法★

現(xiàn)代疲勞分析工具第115頁/共199頁對a-N曲線求導(dǎo)，即得裂紋擴展速率da／dN，也就是每循環(huán)一次裂紋擴展的距離，單位為m／cycle。疲勞裂紋擴展速率的測定在固定的載荷△P和應(yīng)力比R下進行。實驗時每隔一定的加載循環(huán)數(shù)，測定裂紋長度a，作出a-N關(guān)系曲線。第116頁/共199頁典型的疲勞裂紋擴展速率曲線疲勞裂紋擴展速率曲線可以分為三個區(qū)I區(qū)(近門檻區(qū))II區(qū)(穩(wěn)態(tài)擴展區(qū))III區(qū)(裂紋快速擴展區(qū))第117頁/共199頁I區(qū)為近門檻區(qū)，裂紋擴展速率隨著△K的降低而迅速降低，以至da／dN→0。與此相對應(yīng)△K值稱為疲勞裂紋擴展門檻值，記為△Kth。當△K≤△Kth

時，da／dN＝0。這是裂紋擴展門檻值的物理定義或理論定義。實驗測定的裂紋擴展門檻值常定義為：da／dN＝1-3×10-10m／cycle時的△K值。I區(qū)接近于△Kth

，故又將I區(qū)稱為近門檻區(qū)。第118頁/共199頁II區(qū)為中部區(qū)或穩(wěn)態(tài)擴展區(qū)，對應(yīng)于da／dN＝10-8-10-6m／cycle。在II區(qū)；裂紋擴展速率在logda/dN-log△K雙對數(shù)坐標上呈一直線。第119頁/共199頁III區(qū)為裂紋快速擴展區(qū)，da／dN＞10-6-10-5m／cycle,并隨著△K的增大而迅速升高。當Kmax＝△K／(1-R)=KIC

時，試件或零件斷裂。第120頁/共199頁da/dN-K曲線I低、II中、III高速率三個區(qū)域：I低速率區(qū)：有下限或門檻值Kth

K＜Kth,裂紋不擴展。II高速率區(qū):有上限Kmax=Kc，擴展快，壽命可不計。III中速率區(qū):有對數(shù)線性關(guān)系。主要壽命區(qū)。微解理為主微孔聚合為主條紋為主第121頁/共199頁為了精確地估算零件的裂紋擴展壽命，Paris提出了著名的裂紋擴展速率公式

疲勞裂紋擴展速率表達式式中C，m為實驗測定的常數(shù)，與材料、應(yīng)力比、環(huán)境等因素有關(guān)。顯微組織對m的影響不大，多數(shù)材料的m值在2~4之間變化。注意，Paris公式僅適用于II區(qū)(經(jīng)驗公式)。第122頁/共199頁σyσxσxyσσrθ對于一個含裂紋結(jié)構(gòu)，應(yīng)用斷裂力學(xué)可以解得應(yīng)力場。第123頁/共199頁應(yīng)力強度因子第124頁/共199頁則可以應(yīng)用Paris公式計算裂紋擴展壽命。根據(jù)應(yīng)力歷程可得應(yīng)力強度因子歷程第125頁/共199頁

按式計算裂紋擴展壽命，要選擇合適的裂紋擴展速率公式，確定初始裂紋尺寸ai和臨界裂紋尺寸ac，即積分的上、下限。一般用Paris公式計算裂紋擴展壽命將會給出保守的結(jié)果。零件的裂紋擴展壽命Np，可按下式估算第126頁/共199頁得到?????íìD--D=--)ln()(1]11[)15.0()(1015.015.00aaCaamCNCmmCmmppspsm=2m2第127頁/共199頁解：1.邊裂紋寬板K的表達式：K=1.12s(pa)1/2例1：邊裂紋板a0=0.5mm,載荷為smax=200Mpa。

R=0,材料參數(shù)ss=630MPa,sb=670MPa,

DKth=5.5MPa,Kc=104MPa,裂紋擴展速率為

da/dN=6.9×10-12(DK)3,試估算其壽命。4.

臨界裂紋長度ac？由斷裂判據(jù)有：

Kc=1.12smax(pac)1/2；

ac=68mm3.

長度為a0的初始裂紋是否擴展？

DK=1.12s(pa)1/2=9MPa＞DKth=5.52.

DK=Kmax-Kmin=1.12(smax-smin)=1.12s第128頁/共199頁DKthKc第129頁/共199頁5.估算裂紋擴展壽命Nc：

由裂紋擴展速率方程得：Nc=189500次循環(huán)■討論1：a0和Kc對疲勞裂紋擴展壽命的影響控制a0，可大大提高疲勞裂紋擴展壽命。高強脆性材料Kc低,ac、Nc小，擴展壽命可不計。第130頁/共199頁

延壽技術(shù)1．細化晶粒隨著晶粒尺寸的減小，合金的裂紋形成壽命和疲勞總壽命延長。2．減少和細化合金中的夾雜物細化合金中的夾雜物顆粒，可以延長疲勞壽命。3．微量合金化向低碳鋼中加鈮等，大幅度地提高鋼的強度和裂紋形成門檻值，大幅度地延長裂紋形成壽命。第131頁/共199頁4．減少高強度鋼中的殘余奧氏體例如，將高強度馬氏體綱中的殘余奧氏體由12％減少到5％左右。

5．改善切口根部的表面狀態(tài)切削加工會引起零件表面層的幾何、物理和化學(xué)的變化。6．表面噴丸強化是既能延長裂紋形成壽命，又能延長裂紋擴展壽命的有效方法。第132頁/共199頁★基本知識與概念★基于S-N曲線中高周疲勞設(shè)計方法★基于局部應(yīng)力應(yīng)變法的低周疲勞設(shè)計方法★基于斷裂力學(xué)應(yīng)力強度因子的裂紋結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計方法★專業(yè)領(lǐng)域的疲勞設(shè)計方法★

現(xiàn)代疲勞分析工具第133頁/共199頁專業(yè)領(lǐng)域的疲勞設(shè)計方法抗疲勞設(shè)計思想，主要適用于航空設(shè)計領(lǐng)域。安全壽命設(shè)計破損安全設(shè)計損傷容限設(shè)計耐久性設(shè)計第134頁/共199頁安全壽命設(shè)計安全壽命設(shè)計概念要求飛機結(jié)構(gòu)在使用壽命期內(nèi)不出現(xiàn)宏觀可檢裂紋，這也就是說安全壽命設(shè)計僅考慮裂紋的形成壽命，不考慮裂紋的擴展壽命。由于檢測裂紋手段的限制，裂紋形成壽命實際上是指結(jié)構(gòu)從開始使用到形成一定尺寸裂紋(通常稱為工程可檢裂紋)的使用時間。這段使用時間也稱為安全使用壽命。第135頁/共199頁安全壽命設(shè)計是以結(jié)構(gòu)無初始缺陷假設(shè)為基礎(chǔ)的。安全壽命設(shè)計方法及相應(yīng)的規(guī)范不能夠確保飛機結(jié)構(gòu)的安全性。另外，靠用大的安全壽命系數(shù)來保證安全性和可靠性，又往往使構(gòu)件設(shè)計得太保守，所以，這種設(shè)計方法需要改進。目前在飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計中，已普遍采用損傷容限設(shè)計方法，但是對于認為不宜采用損傷容限概念的結(jié)構(gòu)，例如起落架和發(fā)動機架等，仍然采用安全壽命設(shè)計。第136頁/共199頁破損安全設(shè)計

破損安全是指一個構(gòu)件破壞之后，它承擔(dān)的載荷可能由其他結(jié)構(gòu)件繼續(xù)承擔(dān)，以防止飛機的破壞，或造成剛度的降低過多而影響飛機的正常使用。也就是說，這種設(shè)計思想允許飛機結(jié)構(gòu)有局部破損，但必須保證飛機的安全。第137頁/共199頁

例如，民用飛機機身結(jié)構(gòu)中要求長桁和框緣直接鉚接或點焊在蒙皮上，使機身蒙皮上出現(xiàn)的疲勞裂紋有可能被限制在兩根長桁和框緣組成的格子內(nèi)。有的飛機機身上還加有環(huán)向止裂帶（例如，在DC一10飛機上沿機身框處就有鈦合金止裂帶），這種止裂帶是為了阻止裂紋在環(huán)向應(yīng)力作用下沿縱向不斷擴展而設(shè)置的。如左圖所示三緣條環(huán)形框，當抗剪腹板外部（或內(nèi)部）出現(xiàn)裂紋后，裂紋的擴展會被設(shè)置的中間突緣（角材）限制住。三緣條環(huán)形框

第138頁/共199頁右圖所示為一由三塊整體壁板通過鋁鉚釘連接組成的下翼面，使用中任一塊壁板破裂時，載荷即可通過展向鉚釘傳到相鄰的壁板上去。當然，在設(shè)計時要求鉚釘?shù)倪B接強度，除了負擔(dān)正常的剪切載荷外，還能負擔(dān)這種載荷的傳遞。由三塊整體壁板連接組成的下翼面

第139頁/共199頁損傷容限設(shè)計

損傷容限設(shè)計思想的基本含義是：承認結(jié)構(gòu)在使用前就帶有初始缺陷，但必須把這些缺陷或損傷在規(guī)定的未修使用期內(nèi)的增長控制在一定的范圍內(nèi)，在此期間，結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足規(guī)定的剩余強度要求，以保證飛機結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。第140頁/共199頁

損傷容限的設(shè)計目標通過損傷容限設(shè)計和進行裂紋擴展與剩余強度分析，保證飛機結(jié)構(gòu)在未修使用期內(nèi)，其剩余結(jié)構(gòu)(帶損傷結(jié)構(gòu))仍然能夠承受使用載荷作用，不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的破壞或過分變形。損傷容限設(shè)計的基本方法是：通過損傷容限特性分析與試驗，對可檢結(jié)構(gòu)給出檢修周期，對不可檢結(jié)構(gòu)給出最大允許初始損傷。以保證結(jié)構(gòu)在給定的使用壽命期限內(nèi)，不致由于未被發(fā)現(xiàn)的初始缺陷、裂紋或其它損傷擴展而發(fā)展成災(zāi)難性的破壞事故。第141頁/共199頁耐久性設(shè)計耐久性是指飛機在規(guī)定的期限內(nèi)，飛機結(jié)構(gòu)抵抗疲勞開裂(包括應(yīng)力腐蝕和氫脆所引起的開裂)、腐蝕、熱退化、剝離、脫層、磨損和外來物損傷作用的能力。第142頁/共199頁

耐久性設(shè)計的基本要求是：飛機結(jié)構(gòu)應(yīng)具有大于一個設(shè)計使用壽命的經(jīng)濟壽命。所謂經(jīng)濟壽命是指結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大范圍的裂紋，以致于要修理不經(jīng)濟，不修理又會影響使用功能。在經(jīng)濟壽命內(nèi)，結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)功能消弱或失效，例如油箱滲漏、座艙失壓等。經(jīng)濟壽命指標應(yīng)根據(jù)特定的飛機要求及用戶對飛機性能和維修費用可接受的程度來確定。第143頁/共199頁★基本知識與概念★基于S-N曲線中高周疲勞設(shè)計方法★基于局部應(yīng)力應(yīng)變法的低周疲勞設(shè)計方法★基于斷裂力學(xué)應(yīng)力強度因子的裂紋結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計方法★專業(yè)領(lǐng)域的疲勞設(shè)計方法★

現(xiàn)代疲勞分析工具第144頁/共199頁疲勞分析的步驟●確定應(yīng)力譜●確定材料性能數(shù)據(jù)●計算損傷●評估壽命現(xiàn)代疲勞分析工具■Ansys+Fe-safe■MSC.Nastran+MSC.Fatigue第145頁/共199頁●獲取應(yīng)力譜方法◆實驗測量在應(yīng)力集中的區(qū)域布置應(yīng)變片。◆動力學(xué)仿真獲得載荷譜，使用有限元計算單位載荷下應(yīng)力，獲得應(yīng)力譜。第146頁/共199頁●獲取材料數(shù)據(jù)做一組疲勞測試（正弦應(yīng)力，拉壓或彎曲均可，有國家標準),平均應(yīng)力對壽命有影響。也可以根據(jù)不同的經(jīng)驗公式（如Ｇｏｏｄｍａｎ準則，Ｇｅｒｂｅｒ準則等），由普通的Ｓ－Ｎ曲線（即平均應(yīng)力為０）來計算平均應(yīng)力不為零時對應(yīng)的疲勞壽命。第147頁/共199頁●損傷計算損傷累積的計算方法有很多種，最常用的是線性累計損傷（即Ｍｉｎｅｒ準則。第148頁/共199頁使用MSC工具的疲勞分析MSC.Fatigue簡介應(yīng)力/應(yīng)變分析載荷歷程計算疲勞分析結(jié)論第149頁/共199頁MSC.Fatigue

MSC.Fatigue是MSC與MSC在疲勞和耐久性分析領(lǐng)域的合作伙伴nCode合作開發(fā)的。一般將MSC.Patran作為MSC.Fatigue分析的前后處理軟件工具，從其它MSC的軟件產(chǎn)品中獲得MSC.Fatigue需要的幾何和有限元結(jié)果，例如MSC.Nastran,MSC.Marc和MSC.Dytran。載荷工況可以從MSC.ADAMS?或物理實驗中獲得。材料信息可以從MSC.Fatigue的標準庫中獲得，從MSC.EnterpriseMvision材料數(shù)據(jù)庫中獲得，或者由用戶自己提供。第150頁/共199頁軟件性能:既可與MSC.Patran完全集成，又可獨立使用；支持多種有限元軟件的求解結(jié)果；自帶大量的材料疲勞特性數(shù)據(jù)庫；獨特的隨機載荷條件下的疲勞壽命；獨特的旋轉(zhuǎn)車輪的疲勞分析；具有重設(shè)計循環(huán)能力，進行真實載荷工況仿真；支持Msc.Nastran所有的CWELD選項–ALIGN,GRIDID,ELEMID,PARTPAT&ELPAT,3-層板連接處理,支持XDB和.op2文件；Windows-Unix無限制交互通訊。第151頁/共199頁客戶價值:通過識別需要時間處理的部件的薄弱環(huán)節(jié)，加速創(chuàng)新；所有的可能的載荷工況情況下，對產(chǎn)品進行虛擬試驗，增加產(chǎn)品最終設(shè)計時的信心；使新設(shè)計快速走向市場，避免沉長的物理上“裝與拆”的循環(huán)，而它需要數(shù)周或數(shù)月才能充分地達到正常的循環(huán)壽命時間；最大限度地減少產(chǎn)之間品數(shù)據(jù)傳遞的時間，而此產(chǎn)品與MSC公司的其它仿真工具有很好的集成。最大限度地減少部件保守設(shè)計而節(jié)省費用；通過將此產(chǎn)品作為MSC校園Licensing系統(tǒng)的一部分，節(jié)省在仿真技術(shù)方面的投資。

第152頁/共199頁以柴油發(fā)動機曲軸的疲勞強度分析為例，介紹基于MSC工具的疲勞分析解決方案。工具MSC.AdamsMSC.NastranMSC.Fatigue第153頁/共199頁柴油發(fā)動機曲軸在旋轉(zhuǎn)時，承受周期載荷，因此設(shè)計時必須考慮疲勞破壞因素；柴油發(fā)動機曲軸疲勞屬于高周疲勞問題，適合使用S-N方法預(yù)測壽命；疲勞分析必須首先確定模型的載荷分布與載荷歷程。柴油發(fā)動機疲勞分析特點第154頁/共199頁疲勞分析步驟：利用MSC.Adams，得到作用在模型上的載荷歷程；利用有限元分析軟件(本例采用MSC.Nastran)，得到模型的應(yīng)力/應(yīng)變分布；利用MSC.Fatigue，進行模型的疲勞分析。MSC公司提供的疲勞分析解決方案第155頁/共199頁MSC疲勞分析流程MSC.ADAMS載荷歷程MSC.FATIGUE疲勞分析結(jié)果MSC.NASTRAN應(yīng)力分布第156頁/共199頁2載荷歷程計算第157頁/共199頁載荷歷程計算利用MSC.ADAMS2005/Engine對模型進行仿真分析；從分析結(jié)果，得出疲勞分析所需的載荷歷程。第158頁/共199頁初始計算條件發(fā)動機夾角：發(fā)火夾角120度點火順序：1-5-3-6-2-4活塞行程：135mm缸間距：135mm缸徑：113mm有效連桿長度：217mm軸承數(shù)目：7曲柄軸承直徑：φ75mm曲柄軸承長度：42mm主軸承直徑：φ100mm主軸承長度：37mm止推軸承位置：第七主軸承檔活塞銷直徑：φ45mm活塞銷長度：92mm發(fā)動機爆發(fā)壓力曲線見兩個EXCEL文件，分別為1400轉(zhuǎn)/分和2300轉(zhuǎn)/分的工況。曲軸材料：42CrMoA彈性模量：2.06E5MPa，泊松比：0.3，強度極限：1080MPa，屈服極限：930MPa第159頁/共199頁MSC.ADAMS/Engine模型第160頁/共199頁計算模型第161頁/共199頁計算模型組成44MovingParts(notincludingground)12Point_masss1CylindricalJoints5RevoluteJoints12SphericalJoints19FixedJoints5HookeJoints1AtpointPrimitive_Joints25InlinePrimitive_Joints