疲劳可靠性设计课件.ppt

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1、机械可靠性设计分析1疲劳可靠性设计概述基本概念交变应力S-N曲线P-S-N曲线结构件疲劳强度的修正等寿命图高周疲劳和低周疲劳影响疲劳强度的因素结构件疲劳强度的分散特性疲劳应力——强度干涉模型疲劳可靠性设计分析举例2在一百多年前，随着蒸汽机的出现和铁路运输的发展，机车车轴经常发生意外的破坏，即在满足静强度的条件下，经历了一段时间的使用，会突然发生断裂。二次世界大战前后，约有20架英国‘惠灵顿’号重型轰炸机疲劳破坏机械结构在满足静强度时,仍发生疲劳破坏在交变应力远小于极限强度的情况下，破坏也可能发生静强度可靠性设计不包含寿命问题3疲劳失效的特征疲劳失效的特征在交变应力远

2、小于极限强度的情况下，破坏也可能发生疲劳破坏不是立即发生，而是要经历一段时间，甚至是很长的时间疲劳破坏前，即使对于塑性材料，也像脆性材料一样没有显著的残余变形，即无显著塑性变形的脆性断裂。因此事先的维护和检修不易察觉出来，这就表现出疲劳破坏的危险性。4疲劳破坏断口起点在某一点产生微小的裂纹：“疲劳源”发生在局部高应力或高应变区域裂纹形成区放射区光滑区裂纹快速扩展区最后破坏区粗糙区大量滑移位移5疲劳失效的断口特征6疲劳裂纹形成机理累积损伤破坏过程疲劳裂纹的萌生在交变载荷作用下，材料发生局部滑移。随着循环次数的增加，滑移线在某些局部区域内变粗，并形成滑移带，其中一部分滑

3、移带为驻留带。进一步增加循环次数，驻留滑移带上可以形成挤出峰、挤入槽现象，这就是疲劳裂纹的萌生。表面缺陷或材料内部缺陷起着尖缺口的作用，使应力集中，促进疲劳裂纹的形成。实际工程构件的疲劳裂纹大都在零件表面缺陷、晶界或第二相粒子处萌生。7疲劳裂纹形成机理裂纹稳定扩展疲劳裂纹的稳定扩展按其形成机理与特征的不同又可分为两个阶段：1疲劳裂纹稳定扩展第一阶段疲劳裂纹稳定扩展的第一阶段是在裂纹萌生后，在交变载荷作用下立即沿着滑移带的主滑移面向金属内部伸展。此滑移面的取向大致与正应力成45°角，这时裂纹的扩展主要是由于切应力的作用。2疲劳裂纹稳定扩展第二阶段疲劳裂纹按第一阶段方式

4、扩展一定距离后，将改变方向，沿着与正应力相垂直的方向扩展。此时正应力对裂纹的扩展产生重大影响。这就是疲劳裂纹稳定扩展的第二阶段。疲劳裂纹扩展第二阶段断面上最重要的显微特征是疲劳条带，又称疲劳辉纹。裂纹不稳定扩展导致的迅速断裂疲劳裂纹扩展的一、二阶段示意图8疲劳失效判据无限寿命设计设计应力低于疲劳极限安全寿命设计在规定的使用期限内不能产生疲劳裂纹破损安全设计裂纹被检出之前，裂纹不会导致整个结构破坏。这要求裂纹及时检出，并发展速度较慢。损伤容限设计首先假设结构中预先存在裂纹，再用断裂力学的方法计算分析这些裂纹的扩展规律。此种方法适用于裂纹扩展速率较慢，且具有高韧性的材料

5、。9基本概念交变应力应力循环应力的每一个周期性变化称做一个‘应力循环’“最大应力”、“最小应力”、“平均应力”在应力循环中，两个极值中代数值较大的一个在应力循环中，两个极值中代数值较小的一个最大应力和最小应力的代数平均值10疲劳可靠性基本概念稳定性变应力11疲劳可靠性基本概念规律性不稳定变应力12疲劳可靠性基本概念随机不稳定变应力13疲劳可靠性基本概念14S-N曲线在交变应力下，材料对疲劳的抗力一般用S−N曲线与疲劳极限来衡量。在一定的应力比R下，使用一组标准试样，分别在不同的Smax下施加交变载荷，直至破坏，记下每根试样破坏时的循环次数N。以Smax为纵坐标，破坏

6、循环次数N为横坐标做出的曲线，就是材料在指定应力比R下的S−N曲线。15疲劳可靠性基本概念疲劳强度S对称循环下某一指定循环次数N对应的Sa值，叫做指定循环数N下的“疲劳强度”，可见，只有给出（S,N）两个量才能表示材料的疲劳强度。疲劳寿命N单位：小时、循环次数等持久疲劳极限，指r=-1时的最大应力16等寿命曲线当改变应力比R时，材料的S−N曲线也发生变化。如给出若干个应力比数值，即可得到该材料对应于不同应力比R的S−N曲线族。在常规稳定循环变应力下的疲劳强度设计中，给定寿命下的疲劳强度常以等寿命图（疲劳极限图）代表，等寿命曲线需要大量的不同载荷循环特征(r不同)下的

7、疲劳试验获得。17等寿命图虽然已经有了一些常用材料的等寿命曲线，但当没有时，就需要借助于各种简化的等寿命曲线。a.Goodman直线b.Gerber抛物线c.VonMises-Hencky椭圆18等寿命图19P-S-N曲线P-S-N曲线与S-N曲线相比，给出了对应寿命下的疲劳强度的随机分散特性和对应疲劳强度下的疲劳寿命的分散特性。给定应力水平下，疲劳寿命的分布数据；给定寿命下，疲劳强度的分布数据；持久疲劳极限的分布数据20高周疲劳和低周疲劳疲劳类型高周疲劳低周疲劳定义破坏循环数大于104~105破坏循环数小于104~105应力低于弹性极限高于弹性极限塑性变形无明