強度理論---變幅載荷疲勞壽命預測.

強度理論與方法（4）,變幅載荷譜下的疲勞壽命,1.變幅載荷譜,載荷譜分實測譜和設計譜,三種設計概念,若構(gòu)件在某恒幅應力水平S作用下，循環(huán)至破壞的壽命為N，則循環(huán)至n次時的損傷定義為：D=n/N,若n=0,則D=0，構(gòu)件未受損傷；,D隨循環(huán)數(shù)n線性增長：,若n=N，則D=1，發(fā)生疲勞破壞。,疲勞破壞判據(jù)為：D=1,Di=ni/Ni,2.Miner線性累積損傷理論,Miner累積損傷理論是線性的；損傷和D與載荷Si的作用次序無關。,ni是在Si作用下的循環(huán)次數(shù)，由載荷譜給出；Ni是在Si下循環(huán)到破壞的壽命，由S-N曲線確定。,若構(gòu)件在k個應力水平Si作用下，各經(jīng)受ni次循環(huán)，總損傷為：(i=1,2,.k),線性累積損傷理論與載荷的作用次序無關。,3.Miner理論的應用,變幅載荷下，應用Miner理論，可解決二類問題：已知設計壽命期間的應力譜型，確定應力水平。已知一典型周期內(nèi)的應力塊譜，估算使用壽命。,步驟：,確定載荷譜構(gòu)件S-N曲線,計算Di=ni/Ni；計算D=ni/Ni；若D1，不足,例1已知S-N曲線為S2N=2.51010；設計壽命期間載荷譜如表。試估計最大可用應力水平S。,解：假定載荷P時的應力水平為Si=200MPa。由S-N曲線得到Ni,計算損傷Di，列入表中。,可知，若取S=200MPa,D=1.751,發(fā)生疲勞破壞。再取S=150MPa,算得：D=0.981,可達設計壽命。,總損傷D=Di=ni/Ni=1.75,Di=ni/Ni0.0800.1020.2881.280,解：由S-N曲線算Ni,例2構(gòu)件S-N曲線為S2N=2.51010；若其一年內(nèi)所承受的典型應力譜如表，試估計其壽命。,設構(gòu)件壽命為年，則總損傷應當是D=(ni/Ni)。,計算Di=ni/Ni,一年的損傷為：(ni/Ni)=0.121,(ni/Ni)=0.121,Miner理論給出：D=(ni/Ni)=1故有：=1/(ni/Ni)=1/0.121=8.27（年）,變幅載荷疲勞分析的方法:,1)已知典型周期內(nèi)的應力譜，估算使用壽命l。,典型應力譜(Si,ni),判據(jù)lD=1,S-N曲線,2)已知應力譜型和壽命，估計可用應力水平。,應力譜型(Si？,ni),判據(jù)D=1,S-N曲線,5隨機譜與循環(huán)計數(shù)法,恒幅載荷,變程：相鄰峰、谷點載荷值之差。有正、負變程,反向點：峰或谷斜率改變符號之處。,適于以典型載荷譜段表示的重復歷程。,2.簡化雨流計數(shù)法（rainflowcounting),雨流計數(shù)法要求典型段從最大峰或谷處起止。,簡化雨流計數(shù)方法：,第一次雨流,譜轉(zhuǎn)90，雨滴下流。若無阻擋，則反向，流至端點。,記下流過的最大峰、谷值，為一循環(huán)，讀出S,Sm。,刪除雨滴流過部分，對剩余歷程重復雨流計數(shù)。,簡化雨流計數(shù)結(jié)果：,第一次雨流,雨流計數(shù)是二參數(shù)計數(shù)，結(jié)果均為全循環(huán)。典型段計數(shù)后的重復，只需考慮重復次數(shù)即可。,若轉(zhuǎn)換時R不變，N1、N2可用相同的S-N曲線SmN=C表示時，等損傷轉(zhuǎn)換條件為：n2=n1(N2/N1)=n1(S1/S2)m.,3.不同載荷間的轉(zhuǎn)換,計數(shù)后的多級載荷，如何簡化到有限的載荷級？,不同載荷間轉(zhuǎn)換的原則:損傷等效。,將S1下循環(huán)n1次的載荷，轉(zhuǎn)換成S2下循環(huán)n2次，等損傷轉(zhuǎn)換條件為：n1/N1=n2/N2或n2=n1(N2/N1)N1、N2分別為在(S1,R1)和(S2,R2)下的壽命。,小結(jié),1)應力疲勞是彈性應力控制下的長壽命疲勞。（SmaxSy,Nf103-4次）,2)S-N曲線描述材料的疲勞性能。R=-1時的S-N曲線是基本S-N曲線。S-N曲線：SmN=C,3)Goodman直線反映平均應力或應力比的影響；(Sa/Sa(R=-1)+(Sm/Su)=1(等壽命直線)拉伸平均應力有害。噴丸、冷擠壓引入殘余壓應力可改善疲勞性能。,7)隨機譜可用計數(shù)法計數(shù)。轉(zhuǎn)換成變幅塊譜。雨流法是典型譜二參數(shù)全循環(huán)計數(shù)法。,6)Miner理論可用于變幅載荷下的壽命估算，Miner理論：D=Di=(ni/Ni)=1相對Miner理論：NA=NB(n/N)B/(n/N)A相對Miner理論估算精度更好。,5)缺口應力集中使疲勞強度降低，壽命縮短。高強材料，尖缺口，影響更大。,4)由疲勞極限控制無限壽命設計，即：SaorSmaxSf。,恒幅疲勞應力比R應力幅Sa,已知材料的基本S-N曲線,求壽命Nf=C/Sa,疲勞裂紋萌生壽命分析：,作業(yè)1某結(jié)構(gòu)鋼基本S-N曲線為S2N=2.51010,譜中有R=-1,Sa1=90MPa作用n1=106次的載荷；材料極限強度Su=300MPa。若須轉(zhuǎn)換成Sa2=100MPa，R=0的載荷，試估計循環(huán)數(shù)n2。,解：已知結(jié)構(gòu)的工作載荷為：Sa1=90,R=-1,Sm1=0,n1=106。轉(zhuǎn)換后的載荷為：Sa2=100,R=0,Sm2=100,n2待定。,轉(zhuǎn)換需用S-N曲線。本題中，R=0的S-N曲線未知。,因此，需先將R=0,Sa2=100,Sm2=100,n2待定的載荷；等壽命地轉(zhuǎn)換為R=-1時的載荷Sm=0,Sa(待求),n2。,等壽命轉(zhuǎn)換可利用Goodman方程進行，有：(Sa2/Sa)+(Sm2/Su)=1求得：Sa=150MPa。,問題：將R=0的載荷Sa2=100,Sm2=100,n2；等壽命地轉(zhuǎn)換為R=-1時的Sm=0,Sa,n2。,因為上述轉(zhuǎn)換是等壽命的，故若二者作用次數(shù)同為n2，則也是等損傷的。,于是，問題成為：工作載荷條件：R=-1，Sa1=90,Sm1=0,n1=106等損傷轉(zhuǎn)換為：R=-1，Sa=150,Sm=0,n2？,由等損傷轉(zhuǎn)換條件有：n2=n1(S1/S2)m=106(90/150)2=0.36106故轉(zhuǎn)換后的載荷為：Sa2=100,R=0，Sm2=100,n2=0.36106。