疲劳强度设计分析基础

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1、疲劳强度设计分析基础主要内容一．疲劳的基本概念二．疲劳分析基本理论三．疲劳设计分析方法四．疲劳分析工程应用案例一．疲劳的基本概念¢强度、刚度和疲劳寿命是对工程机械和结构使用的三个基本要求。¢疲劳是结构失效的最主要原因，85%以上的结构失效为疲劳破坏。疲劳失效每年要造成2000亿美元的损失¢关于疲劳的研究已有150多年的历史，工程师通过对疲劳现象的观察，对疲劳机理的认识，对疲劳规律的研究，在疲劳寿命的预测和抗疲劳技术等方面积累了丰富的知识，对疲劳问题的认识也不断深入，形成了较系统的疲劳分析方法。如何利用现有的这些

2、成果解决工程实际中的疲劳问题，是目前人们需要迫切解决的问题。一．疲劳的基本概念¢疲劳破坏的基本概念¢疲劳破坏的特征¢影响疲劳寿命的因素一．疲劳的基本概念疲劳破坏的定义?¢疲劳定义:这里引述美国试验与材料协会（ASTM）的定义：在某点（或某些点）承受扰动应力，且在足够多的循环扰动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。有时应力值虽然没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的多的情况下就可能发生疲劳破坏。一．疲劳的基本概念疲劳破坏的特征构件疲劳破坏的特征和静破坏有着本质的不同

3、，主要有以下特征：1)承受变载荷（扰动载荷）破坏。扰动载荷随时间变化载荷一．疲劳的基本概念疲劳破坏的特征平滑区2)疲劳破坏产生于局部。疲劳破坏常出现在结构或材料应力大的局部，并不牵涉到整个结构的所有材料。（注意局部细节设计和工艺措施）3)疲劳破坏在断口处明显分为两个区域，即光滑区和粗糙区。（疲劳裂纹扩展区和失稳断裂区）4)疲劳破坏是一个累积损伤的过程。从疲劳裂纹的形成到裂纹扩展，以至最后断裂，粗粒状区是疲劳损伤累积的过程。这一过程中结构经历的疲劳源时间或载荷循环次数称之为疲劳寿命。疲劳破坏的三个发展阶段，裂纹形

4、成（萌生）、裂纹扩展、失稳扩展断裂。疲劳寿命NNtotal=+initiationNpropagation一．疲劳的基本概念影响疲劳寿命的因素影响材料或结构疲劳强度的因素很多，主要有材料本身的性质、零件几何形状、表面质量、表面处理、工作条件等。掌握这些因素对疲劳寿命影响，以便更好进行疲劳设计。1)应力集中的影响结构中不可避免地存在着台阶、各种形状的孔及半径较小的导角等。受力结构在这些区域出现“应力集中”现象，疲劳源一般出现在应力集中处。一．疲劳的基本概念影响疲劳寿命的因素2)载荷形式的影响材料的疲劳特性随加载形

5、式变化！SSS>>ff()弯扭f()拉()3)尺寸的影响不同试件尺寸对疲劳性能的影响，也可用高应力区体积的不同解释。应力水平相同时，试件尺寸越大，存在缺陷或薄弱处的可能性就越大，故大尺寸构件中的疲劳寿命低于小尺寸试件。一．疲劳的基本概念影响疲劳寿命的因素4)表面粗糙度的影响疲劳裂纹源通常发生在结构表面。（表面应力高、表面缺陷多、表面材料易滑动）镜面抛光、精磨、机械加工、热轧、锻造、盐水腐蚀、…5)表面处理的影响表面冷作变形是提高零部件疲劳强度的有效途径，如滚压、喷丸、挤压等，本质上是在表面引入压缩残余应力。表面

6、渗碳或渗氮处理可提高表面材料强度并在材料表面引入压缩残余应力。反之，残余拉应力对疲劳强度有害，如焊接、气割、磨削等都会引起残余拉应力。镀铬或镀镍将在钢材表面引起残余拉应力，使材料疲劳极限下降。一．疲劳的基本概念影响疲劳寿命的因素6)温度和环境的影响金属材料的疲劳极限一般随温度的降低而增加的。但低温下材料的断裂韧性也下降，表现为低温脆性，则易发生失稳断裂。高温将降低材料强度，可能引起蠕变，对疲劳不利。在诸如海水、水蒸气、酸、碱等腐蚀介质环境下的疲劳，称为腐蚀疲劳。腐蚀疲劳对疲劳强度不利。主要内容一．疲劳的基本概念

7、二．疲劳分析基本理论三．疲劳设计分析方法四．疲劳分析工程应用案例二．疲劳分析基本理论¢根据结构作用的循环应力的大小，疲劳可分为应力疲劳和应变疲劳二．疲劳分析基本理论（一）应力疲劳分析理论¢最大循环应力Smax小于材料屈服应力Sy，则称为应力疲劳；因作用的应力循环水平较低，寿命循环次数较高（疲劳寿命N一般大于106次），故称为高周疲劳。f二．疲劳分析基本理论（一）应力疲劳分析理论1.基本S-N曲线材料的疲劳性能用作用循环应力S与到破坏时的循环次数（或寿命）N之间的关系描述。最简单的循环载荷是恒幅循环应力。二．疲劳

8、分析基本理论（一）应力疲劳分析理论1.基本S-N曲线¾S、Smaxmin¾S=(S+S)/2（平均）mmaxmin¾ΔS=S-S（最大变程）maxmin¾S=ΔS/2（循环幅）a¾R=S/S（循环特征（应力minmax比）当S=-S，R=-1，对称循maxmin环；当Smin=0，R=0，脉动循环；恒幅循环应力当R=1，静载）二．疲劳分析基本理论（一）应力疲劳分析理论1.基本S-N曲线