以疲劳分析为基础的设计——寿比南

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1、以疲劳分析为基础的设计寿比南全国锅炉压力容器标准化技术委员会2007年10月26日Shou_binan@csei.org.cn一、概述疲劳失效低周疲劳的特点载荷循环应力循环产生应力循环的原因疲劳失效静载荷设计和疲劳分析设计（1）材料强度：bsstD（2）金属损伤:S-N曲线（3）分析基础：低周疲劳、虚拟应力压力容器载荷特点（1）应力集中：结构、载荷、材料（2）载荷不稳定（3）影响因素多低周疲劳的特点在循环加载条件下，发生在结构某点处局部的、永久性的损伤递增过程。损伤将产生裂纹，当扩展至贯穿容器的全壁厚，为疲劳失效。高应力（大应变）低周期载荷（工作）循环载荷由初

2、始状态进入新状态，随后又回到初始状态的过程。（1）启动停止循环：（2）正常工作循环：（3）异常工作循环：应力循环应力由某初值开始，经过代数最大值和代数最小值，然后又返回初始值的循环。一个工作循环可以引起一个或多个应力循环产生应力循环的原因间歇操作和开、停工造成工作压力和其它载荷的变化；运行时出现的压力或其它载荷的波动；运行时出现的周期性的温度变化；在正常温度变化时，元件的膨胀或收缩受到了约束；外加的交变机械载荷等。二、设计疲劳曲线1。确定应力循环特性的参数2。低周疲劳中应力变化幅与循环次数的关系3。影响结构抗低周疲劳的因素4。平均应力的影响及修正5。设计疲劳曲线的安全

3、系数1。确定应力循环特性的参数1．平均应力：2．应力变化范围：3．交变应力幅：4．循环特性系数：:静载荷：对称循环：脉动循环2。低周疲劳中应力变化幅与循环次数的关系（1）以实验为基础（2）以应变的幅度来描述2。低周疲劳中应力变化幅与循环次数的关系交变应力幅总应变由虚拟应力Coffin关系式Sa-N关系3。影响结构抗低周疲劳的因素（1）载荷类型：（2）尺寸效应和应力梯度：（3）表面状况：（4）应力集中：（5）平均应力的影响（6）非恒定应力幅的影响（7）环境影响4。平均应力的影响及修正（1）实验条件（2）Goodman修正方程（线性修正）4。平均应力的

4、影响及修正非线性修正（高应变情况）4。平均应力的影响及修正平均应力的最大影响4。平均应力的影响及修正设计疲劳曲线的修正5。设计疲劳曲线的安全系数（1）除高强度螺栓材料外的设计疲劳曲线安全系数（2）高强度螺栓材料的设计疲劳曲线安全系数（3）标准之间的差别（1）除高强度螺栓材料外的设计疲劳曲线安全系数寿命N：20数据分散度：2.0尺寸因素：2.5表面、环境：4.0应力Sa:2.0（2）高强度螺栓材料设计疲劳曲线的安全系数寿命N：5.7实验采用实际螺栓材料和尺寸考虑螺栓的疲劳强度减弱系数平均应力修正的方法不同应力Sa:1.5（3）标准之间的差别JB4732N=20;Sa=2

5、.0Kf=4.0ASMEN=20;Sa=2.0Kf=4.0BS5500N=15;Sa=2.2Kf=2.5三、累积损伤1。工作循环与应力循环2。加载次序的影响3。累积损伤疲劳分析设计的工况：载荷工况（载荷谱）预计循环次数应力循环次数1。工作循环与应力循环加载次序对材料疲劳有影响低周循环大应变材料的高韧性2。加载次序的影响基本假设材料损伤是可以积累的；材料损伤的最终结果与加载顺序无关。3。累积损伤数学表达式3。累积损伤总损伤等于分损伤之和对于多种应力幅四、壳体中的热应力棘轮作用五、疲劳分析方法及设计疲劳曲线的应用1。载荷分析2。结构分析3。应力分析4。交变应力强度幅的求

6、取5。设计疲劳曲线的应用6。疲劳强度较核确定结构的载荷形式、量级、作用区域和波动范围应力分析的计算条件：操作条件结构“设定值”1。载荷分析分析部位的力学模型（1）分析方法（2）位移边界条件（3）力边界条件2。结构分析结构力学模型计算方法计算结果和结论签署3。应力分析（1）主应力方向不随时间改变（2）主应力方向随时间改变4。交变应力强度幅的求取A.确定所考虑点的三个主应力与时间的关系B.计算在整个应力循环中与时间相对应的主应力差（1）主应力方向不随时间改变C.确定主应力差的最大波动范围（1）主应力方向不随时间改变D.计算交变应力强度幅Saltij=Srij/2A.确定所

7、考虑点的六个应力分量与时间的关系B.选取极值点，定义初值C.求取与时间相对应的波动应力分量（2）主应力方向随时间改变D.求取波动主应力E.计算在整个应力循环中的波动主应力差（2）主应力方向随时间改变F.确定所考虑点的三个主应力与时间的关系（2）主应力方向随时间改变G.计算交变应力强度幅Saltij=Srij/2（1）同类、同强度的材料具有相同的抗疲劳性能（2）JB4732附录C给出曲线的限制：图C-1:T375℃的碳钢和低合金钢,N=106图C-2:T425℃的奥氏体高合金钢,N=106图C-3:T420℃的碳钢和低合金钢,N=1011图