船舶疲劳课件.ppt

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1、第一章绪论第一节什么是疲劳？1现象：铁丝反复折断2定义：美国试验与材料协会（ASTM）在“疲劳试验及数据统计分析之有关术语的标准定义”（ASTME206-72）中规定：在某点或某些点承受交变应力且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中发生的局部的永久结构变化的发展过程，称为疲劳。3疲劳问题的特点Ⅰ只有在承受交变应力作用的条件下，疲劳才会发生。随时间交替变化的应力，也可称为扰动载荷。变化可以是有规则的，也可以是不规则的，甚至是随机的。Ⅱ疲劳破坏起源于高应力或高应变的，一般是几何形状变化或材料缺陷等引起应力

2、集中的局部细节；Ⅲ疲劳破坏是在足够多次的交变载荷作用后，形成裂纹或完全断裂的现象。Ⅳ疲劳是一个发展的过程。划分成三个阶段：裂纹萌生（起始）扩展断裂注：在疲劳分析中经常用到的参数应力范围：应力幅值：平均应力：应力比：反映循环特性当时，对称循环当时，脉动循环当时，静载荷4疲劳研究的目的1）疲劳寿命：从结构开始使用到裂纹萌生，扩展并最后断裂，这个过程所经历的时间或交变载荷作用次数，称为“寿命”。它取决于载荷水平作用次数或时间及原材料抵抗疲劳破坏的能力。2）目的：研究寿命预报的方法Ntotal=Ninitiation+Npr

3、opagationNinitiation：起始寿命，由应力－寿命关系，应变－寿命关系Npropagation：扩展寿命，由断裂力学方法第二节疲劳破坏机理1断口的宏观特征<1>有裂纹源、疲劳裂纹扩展区和最后断裂区三个部分；<2>裂纹扩展区断面较光滑、平整，通常可见“海滩条带”，有腐蚀痕迹；<3>裂纹源通常在高应力局部或材料缺陷处；<4>与静载破坏相比,即使是延性材料也没有的明显的塑性变形；<5>工程实际中的表面裂纹一般称半椭圆形。2疲劳裂纹萌生机理金属大多是多晶体，各晶粒有各自不同的排列方位。在高应力作用下，材料晶粒中

4、易滑移平面的方位若与最大作用剪应力一致，则将发生滑移。滑移可以在单调载荷下发生，也可以在循环载荷下发生。在较大载荷作用下发生粗滑移和在较小的循环载荷作用下发生细滑移。在循环载荷作用下，材料表面发生滑移带“挤出”和“凹入”，进一步形成应力集中，导致微裂纹产生。应当注意，滑移主要是在晶粒内进行的。深度大于几个微米的少数几条滑移带穿过晶粒，称为“持久滑移带”，微裂纹正是由这些持久滑移带发展而成的。滑移带的发展过程与施加的载荷及循环次数有关，随着循环次数的增加，滑移线越来越密集，越来越粗。3疲劳裂纹扩展机理疲劳裂纹在高应力处

5、由持久滑移带萌生，是由最大剪应力控制的。形成的微裂纹与最大剪应力方向一致。在循环载荷作用下，由持久滑移带形成的微裂纹沿45度最大剪应力作用面继续扩展或相互连接。此后，有少数几条裂纹达到几十微米的长度，逐步汇聚成一条主裂纹，并由沿最大剪应力面扩展逐步转向沿垂直于载荷作用线的最大拉应力面扩展。裂纹沿45度最大剪应力面的扩展是第1阶段的扩展，在最大拉应力面内的扩展是第2阶段的扩展。从第1阶段向第2阶段转变所对应的裂纹尺寸主要取决于材料和作用应力的大小，但通常都在0.05mm内，只有几个晶粒的尺寸。第1阶段裂纹扩展的尺寸虽小

6、，对寿命的贡献却很大，对于高强度材料，尤其如此。与第1阶段相比，第2阶段的裂纹扩展较便于观察。Laird直接观察了循环应力作用下延性材料中裂纹尖端几何形状的改变，提出了描述疲劳裂纹扩展的“塑性钝化模型”，如图所示。（a）给出了循环开始时的裂纹尖端形状；随着循环应力的增加，裂纹逐步张开，裂尖材料由于应力集中而沿最大剪应力方向滑移（b）；应力进一步增大，裂纹充分张开，裂尖钝化成半圆形，开创出新的表面（c）；卸载时已张开的裂纹要收缩，但新开创的裂纹面却不能消失，将在卸载引入的压应力作用下失稳而在裂纹尖端形成凹槽形（d）；最

7、后，在最大循环压应力作用下，又成为尖裂纹，但其长度已增加了一个小长度（e）。下一个循环，裂纹又张开、钝化、扩展、锐化，重复上述过程。这样，每一个应力循环，将在裂纹面上留下一条痕迹。第三节疲劳断裂研究方法疲劳断裂问题需要研究载荷谱、裂纹萌生及扩展规律、构件细节应力分析，疲劳寿命预测和抗疲劳设计方法，等等。一方面，由于涉及因素多，问题复杂，难以找到解析的、普遍的寿命预报方法；另一方面，工程应用的需求迫切。因此，研究问题时必须抓住主要因素，建立简化模型，逐步深化认识。例如，对于载荷谱，先研究恒幅循环载荷的最简单情况，再考虑

8、变幅载荷下的累积损伤，最后考虑随机载荷。对于裂纹萌生及扩展规律，则先研究不含有缺陷的光滑材料在恒幅循环载荷作用下的裂纹萌生规律，给出应力-寿命、应变-寿命以及不引发裂纹的疲劳极限等的基本关系，在讨论应用于构件时所需要进行的必要的修正，建立裂纹萌生寿命估算方法，满足无限寿命设计、安全寿命设计的要求。再讨论含有裂纹材料的断裂和疲劳裂纹扩展规律，研究