名义应力有限寿命设计法课件.ppt

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1、第5章名义应力有限寿命设计法1有限寿命设计概述有限寿命设计只保证零件/结构在一定使用期内安全使用。允许工作应力超过疲劳极限，按此设计的产品比按无限寿命法设计的产品重量轻，是国外目前机械产品的主导设计思想。有限寿命设计法常称为安全寿命设计法，是无限寿命设计法的直接发展。基本设计参数都是名义应力，设计思想大体相似，都是从材料的S-N曲线出发，再考虑各种影响因素，得出零件的S-N曲线，进行疲劳设计。主要区别在于有限寿命设计法用S-N曲线的左支，无限寿命法用右支。并且S-N曲线斜线部分疲劳寿命各不相同，对材料S-N曲线进行修改时

2、，需要考虑循环数对各系数的影响。无限寿命设计时的设计应力低于疲劳极限，比设计应力低的应力对疲劳强度没有影响，设计时只需按最高应力进行强度校核。有限寿命法的设计应力一般高于疲劳极限，不能只考虑最高应力，而要按照一定累计损伤理论计算总的疲劳损伤。25.2疲劳累计损伤3一.线性累计损伤理论及应用基本介绍累计损伤是有限寿命设计的核心问题，长期受到高度重视与广泛研究。最早进行累计损伤研究的是帕尔姆格伦，于1924年提出了疲劳损伤的线性假设。迈因纳于1945年将此理论公式化，形成著名的“帕尔姆格伦-迈因纳线性累计损伤法则”对于疲劳累

3、计损伤理论，人们提出了数十种损伤假设，但真正有实用价值并被广泛应用的不多。线性累计损伤理论简单实用，在工程上广泛使用的是帕尔姆格伦-迈因纳线性累计损伤法则。损伤的基本概念损伤是对构件危险部位微裂纹生长的度量。材料承受高于疲劳极限的应力时，每一循环都会使材料产生一定的损伤，这种损伤是累计的，达到临界值时，零件就会破坏。累计损伤是建立在试验基础上的。疲劳过程可以看作是达到临界值的累计过程，也可以看作是固有寿命消耗的过程。4迈因纳线性累计损伤的基本假设（1）损伤正比于循环比（损伤比）。对单一循环，用D表示损伤，用n/N表示循环

4、比，则D正比于n/N。（2）试件能够吸收的能量达到极限值，导致疲劳破坏。试件破坏前能够吸收的能量为W，总循环次数为N；在某一循环数时，试件吸收的能量为W1，由于试件吸收的能量与其循环数n1之间存在正比关系，因此存在：（3）疲劳损伤可以分别计算，然后线性叠加。由前面的定义，设构件的加载历史由等r个不同的应力水平构成，各级应力对应的寿命为N1,N2,…,Nr，各应力水平下的实际循环数为n1,n2,…,nr,则可得到构件总的损伤为：当损伤等于1时，零件发生破坏，即（4）加载次序不影响损伤和寿命，即损伤的速度与载荷历程无关。5线

5、性累计损伤理论的优缺点优点：方程简单，运用方便，工程上广泛应用。缺点：线性累计损伤假设的第二项不符合所有情况。大量试验得到：试验结果表明，损伤与加载的次序有关。采用先低后高的加载次序时，损伤累计>1。（裂纹形成时间推迟）采用先高后低的加载次序时，损伤累计<1。（高应力使裂纹形成，低应力使裂纹扩展）从微观上分析，裂纹形成过程与宏观裂纹扩散过程是不同的。因此，每次损伤速度相同的假设是没有充分理由的。没有考虑载荷次序和残余应力的复杂非线性的相互影响，预测结果存在很大的分散性。理论上有如此多的不足，为什么还要在工程上广泛采用？6

6、二.非线性累计损伤理论一.损伤曲线法（马科-斯塔基）(Marco-Starkey)损伤计算公式损伤D与循环比ni/Ni的关系应力水平越低，xi值越大，应力水平越高，xi越接近1。当加载过程从一个应力值过渡到另一个值时，损伤值不变。疲劳损伤与循环应力比的关系OAP表示在应力水平下的损伤曲线。OBP表示在应力水平下的损伤曲线。图中有和x1

7、循环比为：用另1根试件，先在低应力下试验n2次，再在高应力水平下试验至破坏，破坏时的总应力比归一化到低应力水平下的循环比为：若第1根试件先在应力水平下试验n1次的损伤D1与第2根试件在应力水平下试验n2次的损伤D2相等，即：则式（5-3）可以写成：由于x1

8、；在加工硬化的局部区域形成微观空穴或微裂纹；亚微观空穴或裂纹进一步扩展或结合形成宏观裂纹，继而扩展到断裂。）科尔顿-多兰疲劳损伤模型产生永久性疲劳损伤需要一个成核期（可能是数量不多的循环）；应力增加时，遍布于试件各处的裂纹核数目增多；在一定的应力作用下，损伤量随应力增大而增大；对所有的载荷历程来讲，构成试件疲劳失效的