结构的疲劳失效与疲劳控制设计

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1、控制疲劳失效的结构设计fatiguefailureInmaterialsscience,fatigueistheprogressiveandlocalizedstructuraldamagethatoccurswhenamaterialissubjectedtocyclicloading.Themaximumstressvaluesarelessthantheultimatetensilestresslimit,andmaybebelowtheyieldstresslimitofthematerial.工程结构疲劳设计无

2、限寿命设计：使结构永远不发生疲劳破坏。有限寿命设计：结构在设计年限内不发生疲劳破坏。耐久性设计：应用于结构维修与更换。相关概念交变应力材料疲劳破坏机理材料疲劳强度结构疲劳寿命与疲劳设计交变应力结构在受到交变荷载作用下，会产生交变性的应力交变性载荷通常有两类：工作荷载中的交变荷载环境荷载中交变性荷载交变应力FaaFDCBA交变应力(alternativestress）——应力随时间交替变化FQFFMFatσ随机交变应力（应变）结构受环境荷载作用，大多为随机的动力响应，表现为随机应力。随机荷载作用的结构疲劳分析是结构设计的重

3、要内容。旋转机器的振动结构材料疲劳破坏机理疲劳破坏过程结构的疲劳是由于裂纹不断开裂形成最后的破坏。对于光滑表面是如何导致疲劳破坏的？初始缺陷滑移滑移带初始裂纹(微裂纹)宏观裂纹脆性断裂光滑表面的疲劳破坏疲劳初始裂纹的形成晶粒疲劳断口特征包括两部分:光滑面与粗糙面。疲劳源区疲劳裂纹扩展工程结构的疲劳设计结构疲劳设计的几个概念低周疲劳破坏高周疲劳破坏有限寿命疲劳设计（S-N曲线法）损伤容限疲劳设计（断裂力学法）材料的疲劳S-N曲线获得材料S-N曲线的实验方法加载方法：交变加载，脉动加载。试验制备：弯曲，拉伸I试验过程与曲线获

4、得。疲劳试验加裁交变应力疲劳试件疲劳试验装置对称循环疲劳试验机按照作用的循环应力的大小疲劳低应力，高疲劳周期）高应力，低变疲劳周期Smax－循环应力Sy－屈服应力SmaxSyNf<104Nf>104低周与高周疲劳高周疲劳也称应力控制疲劳,是大多数结构设计依据。低周疲劳也称应变控制疲劳，是结构设计应避免的工况，也是设备检修的依据。关于结构的低周疲劳破坏结构低周疲劳破坏指在很少的应力循环周期内，结构就疲劳破坏了。通常只有几千次。疲劳设计通常要求高周疲劳破坏。低周疲劳通常引起事故。渤海上部管线的振动断裂为低周疲

5、劳破坏。海洋平台冰振引起的低周疲劳冰振引起的上部管线疲劳断裂放空管断口分析放空管的断裂断口宏观特征放空管的断裂断口微观特征疲劳条带间距较大断口与轴线成90。角断口表面有较明显的裂纹源、裂纹扩展区、瞬断区断口表面没有明显的疲劳弧线整个断口高低不平材料的疲劳强度材料的疲劳强度是指光滑试件经过多次各循环加载的破坏强度。通常材料的疲劳强度用S-N曲线表示。S-为破坏强度，N-为对应的循环次数。材料的强度与材料的疲劳强度主要区别？影响结构疲劳寿命因素材料的抗疲劳性能交变应力幅值交变应力性能循环次数结构应力集中无限寿命设计设计条件为

6、，材料的疲劳极限由材料S-N曲线给出。安全寿命设计使构件在有限长设计寿命内，不发生疲劳破坏的设计；以材料S-N曲线和Miner累计损伤理论为基础损伤容限设计假定构件中存在裂纹，用断裂力学、疲劳裂纹扩展分析和试验验证，保证在定期检查中发现裂纹之前，裂纹不会扩展到足以引起破坏。结构疲劳设计方法结构疲劳寿命的估计方法采用有限寿命方法估计，主要有两方面的内容一是交变应力，二是循环次数。恒幅交变应力随机交变应力Palmgren-Miner准则雨流法：时程分析应力谱法Palmgren-Miner准则当材料承受高于疲劳极限应力时，每一

7、个载荷循环都使材料产生一定的损伤，每一个循环造成的平均损伤为1/N（N为对应荷载的疲劳寿命），n次恒幅载荷造成的损伤就是C=n/N.对于变幅的损伤D则为ni为i级载荷的循环次数，Ni为第i级载荷下的疲劳寿命。当损伤累积到了临界值时就发生破坏。计数Miner线性累积损伤理论S（载荷）－N（循环次数）图变幅载荷谱累积损伤度确定构件在设计寿命期的载荷，选取拟用的设计荷载或应力水平选用适合构件使用的的S-N曲线再用S-N曲线，利用Miner线性累积损伤理论，计算损伤判断是否满足疲劳设计要求。利用Miner理论进行疲劳分析的一般步

8、骤随机交变应的统计方法对于恒应力幅的交变应力统计比较方便，但对于随机应力时程则比较麻烦。通常有两种方法：时程分析法频域分析法时域统计法对测量或计算获得的交变应力时程曲线的幅值进行统计，一般采用雨流法，雨流法可以将随机交变应幅值“数”出来，便于采用计算机自动识别。Rainflowcountingalgorithm雨流法