疲劳与断裂第十章疲劳寿命预测和抗疲劳设计

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1、第十章疲劳寿命预测和抗疲劳设计10.1概述10.2损伤容限分析中的损伤累积方法10.3耐久性设计概述返回主目录1由于疲劳问题的复杂性和分散性，任何预测方法都只能给出统计正确的平均疲劳寿命。第十章疲劳寿命预测和抗疲劳设计10.1概述裂纹起始(萌生)寿命Ni：从开始使用到出现工程可检的裂纹ai为止；裂纹扩展寿命NP：从ai扩展到临界裂纹尺寸aC的寿命。总寿命N=Ni+NP；21.关于寿命预测方法的一般要求具有较高的精度和可靠性。即使用寿命或实验数据应在预测值及其分散带内。有较普遍的适用范围。适用于不同的载荷谱、不同的材料、构件和环境，至少也

2、要知道该方法的正确性条件。不要求过多的、逐一硬配的实验参数。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。32.寿命预测方法分类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。考虑缺口根部或裂尖复杂情况之一部分的方法。如Neuber理论；Willenberg模型等。试图描述缺口根部或裂纹尖端真实情况的方法。如Elber的裂纹闭合理论。利用实际谱序实验结果的方法。例如，相对Miner理论，Wheeler迟滞模型等。以恒幅疲劳试验为基础

3、考虑实际谱的影响43.疲劳设计方法无限寿命设计：不萌生裂纹：SaSf裂纹不扩展：KKth有限寿命设计：依据S-N、-N曲线和Miner理论、相对Miner理论进行。恒幅载荷S-N曲线e-N曲线寿命预测有限寿命设计变幅载荷Miner累积损伤理论随机载荷雨流计数5不同疲劳设计方法之间相互补充、完善，以满足不同的情况、不同的要求。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

4、构损伤状态，考虑维修经济性。综合控制安全、功能和经济。610.2损伤容限分析中的损伤累积方法1.损伤容限设计原理smax使用寿命损伤长度a结构强度或载荷sR

5、概率统计分析。smax使用寿命损伤长度a结构强度或载荷剩余强度曲线a0损伤增长曲线正常工作载荷检查期acai可检裂纹长度8在任意第i个循环下，由谱可知i和Ri，有：(da/dN)iai/Ni=f(i,ai,Ri)注意Ni=1，可算得ai。2.随机载荷谱下的损伤累积方法A)逐循环直接求和法特点是：适用性广，可用于各种载荷谱；可考虑载荷间的相互作用。但N大，计算费时。sNo于是，裂纹尺寸和对应的循环次数为：ai=a0+ai；N=Ni逐循环累积损伤，将给出随机谱下的a-N曲线。9B)线性近似数值积分法适用于含较长等幅

6、块的载荷谱。基本假设是：在某段等幅循环中，裂纹扩展a内，da/dN近似保持为常数。损伤累积方法为：1)由载荷谱确定载荷水平j下的maxj、minj、Rj和Nj。2)计算(da/dN)j=f(j,aj,Rj)3)选取适当的a(控制精度，如a0.01a)，计算N=a/(da/dN)j。sNssmaxminjjNj104)比较N与Nj。若N＞Nj,则aj＜a,满足精度。令aj=Nj(da/dN)j,aj+1=aj+aj,返回1)。若N＜Nj,则aj＞a,精度不够。取aj=a,Nj=Nj-N,aj=a

7、j+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。sNssmaxminjjNj11C)龙格-库塔法(Runge-Kutta)利用泰勒级数构造多项式导出的一种数值积分方法。代替线性近似中求da/dN。四阶R-K法微分方程y'=f(x,y)初始条件x=x0时，y=y0xn+1=xn+h时，y=yn+1-yn=(k1+2k2+2k3+k4)/6应用于裂纹扩展da/dN=f(a)(a对应于y,N对应于x)N=N0时，a

8、=a0.Nn+1=Nn+N时，a=an+1-an=(k1+2k2+2k3+k4)/612由此，从n=0,1,…,n,n+1递推计算。特点是：精度比线性近似更好。一次可计算更多的循环，节省计算时间。y'=