疲勞可靠性設計PPT課件

1、1 在一百多年前，隨著蒸汽機的出現(xiàn)和鐵路運輸?shù)陌l(fā)展，機車車軸經(jīng)常發(fā)生意外的破壞，即在滿足靜強度的條件下，經(jīng)歷了一段時間的使用，會突然發(fā)生斷裂。 二次世界大戰(zhàn)前后，約有20 架英國惠靈頓號重型轟炸機疲勞破壞 機械結(jié)構(gòu)在滿足靜強度時,仍發(fā)生疲勞破壞 在交變應力遠小于極限強度的情況下，破壞也可能發(fā)生 靜強度可靠性設計不包含壽命問題第1頁/共40頁2疲勞失效的特征 疲勞失效的特征 在交變應力遠小于極限強度的情況下，破壞也可能發(fā)生 疲勞破壞不是立即發(fā)生，而是要經(jīng)歷一段時間，甚至是很長的時間 疲勞破壞前，即使對于塑性材料，也像脆性材料一樣沒有顯著的殘余變形，即無顯著塑性變形的脆性斷裂。因此事先的維護和檢修

2、不易察覺出來，這就表現(xiàn)出疲勞破壞的危險性。第2頁/共40頁3疲勞破壞斷口 起點 在某一點產(chǎn)生微小的裂紋：“疲勞源” 發(fā)生在局部高應力或高應變區(qū)域 裂紋形成區(qū) 放射區(qū) 光滑區(qū) 裂紋快速擴展區(qū) 最后破壞區(qū) 粗糙區(qū) 大量滑移位移第3頁/共40頁4疲勞失效的斷口特征第4頁/共40頁5疲勞裂紋形成機理 累積損傷破壞過程 疲勞裂紋的萌生 在交變載荷作用下，材料發(fā)生局部滑移。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，滑移線在某些局部區(qū)域內(nèi)變粗，并形成滑移帶，其中一部分滑移帶為駐留帶。進一步增加循環(huán)次數(shù)，駐留滑移帶上可以形成擠出峰、擠入槽現(xiàn)象，這就是疲勞裂紋的萌生。 表面缺陷或材料內(nèi)部缺陷起著尖缺口的作用，使應力集中，促進疲勞裂紋

3、的形成。 實際工程構(gòu)件的疲勞裂紋大都在零件表面缺陷、晶界或第二相粒子處萌生。第5頁/共40頁6疲勞裂紋形成機理 裂紋穩(wěn)定擴展 疲勞裂紋的穩(wěn)定擴展按其形成機理與特征的不同又可分為兩個階段： 1疲勞裂紋穩(wěn)定擴展第一階段 疲勞裂紋穩(wěn)定擴展的第一階段是在裂紋萌生后，在交變載荷作用下立即沿著滑移帶的主滑移面向金屬內(nèi)部伸展。此滑移面的取向大致與正應力成45角，這時裂紋的擴展主要是由于切應力的作用。 2疲勞裂紋穩(wěn)定擴展第二階段 疲勞裂紋按第一階段方式擴展一定距離后，將改變方向，沿著與正應力相垂直的方向擴展。此時正應力對裂紋的擴展產(chǎn)生重大影響。這就是疲勞裂紋穩(wěn)定擴展的第二階段。疲勞裂紋擴展第二階段斷面上最重要

4、的顯微特征是疲勞條帶，又稱疲勞輝紋。 裂紋不穩(wěn)定擴展導致的迅速斷裂 疲勞裂紋擴展的一、二階段示意圖第6頁/共40頁7疲勞失效判據(jù) 無限壽命設計 設計應力低于疲勞極限 安全壽命設計 在規(guī)定的使用期限內(nèi)不能產(chǎn)生疲勞裂紋 破損安全設計 裂紋被檢出之前，裂紋不會導致整個結(jié)構(gòu)破壞。這要求裂紋及時檢出，并發(fā)展速度較慢。 損傷容限設計 首先假設結(jié)構(gòu)中預先存在裂紋，再用斷裂力學的方法計算分析這些裂紋的擴展規(guī)律。此種方法適用于裂紋擴展速率較慢，且具有高韌性的材料。第7頁/共40頁8基本概念 交變應力 應力循環(huán) 應力的每一個周期性變化稱做一個應力循環(huán) “最大應力”、 “最小應力” 、“平均應力 ” 在應力循環(huán)中，

5、兩個極值中代數(shù)值較大的一個 在應力循環(huán)中，兩個極值中代數(shù)值較小的一個 最大應力和最小應力的代數(shù)平均值第8頁/共40頁9疲勞可靠性基本概念 穩(wěn)定性變應力第9頁/共40頁10疲勞可靠性基本概念 規(guī)律性不穩(wěn)定變應力第10頁/共40頁11疲勞可靠性基本概念 隨機不穩(wěn)定變應力第11頁/共40頁12疲勞可靠性基本概念第12頁/共40頁13S-N曲線 在交變應力下，材料對疲勞的抗力一般用S N 曲線與疲勞極限來衡量。在一定的應力比R 下，使用一組標準試樣，分別在不同的Smax 下施加交變載荷，直至破壞，記下每根試樣破壞時的循環(huán)次數(shù)N 。以Smax 為縱坐標，破壞循環(huán)次數(shù)N 為橫坐標做出的曲線，就是材料在指定

6、應力比R 下的S N 曲線。第13頁/共40頁14疲勞可靠性基本概念 疲勞強度S 對稱循環(huán)下某一指定循環(huán)次數(shù)N 對應的Sa 值，叫做指定循環(huán)數(shù)N 下的“疲勞強度”，可見，只有給出（ S , N ）兩個量才能表示材料的疲勞強度。 疲勞壽命N 單位：小時、循環(huán)次數(shù)等 持久疲勞極限，指 r=-1 時的最大應力第14頁/共40頁15等壽命曲線 當改變應力比R 時，材料的S N 曲線也發(fā)生變化。如給出若干個應力比數(shù)值，即可得到該材料對應于不同應力比R 的S N 曲線族。 在常規(guī)穩(wěn)定循環(huán)變應力下的疲勞強度設計中，給定壽命下的疲勞強度常以等壽命圖（疲勞極限圖）代表，等壽命曲線需要大量的不同載荷循環(huán)特征(r不

7、同)下的疲勞試驗獲得。第15頁/共40頁16等壽命圖 雖然已經(jīng)有了一些常用材料的等壽命曲線，但當沒有時，就需要借助于各種簡化的等壽命曲線。 第16頁/共40頁17等壽命圖第17頁/共40頁18P-S-N曲線 P-S-N曲線與S-N曲線相比，給出了對應壽命下的疲勞強度的隨機分散特性和對應疲勞強度下的疲勞壽命的分散特性。 給定應力水平下，疲勞壽命的分布數(shù)據(jù)； 給定壽命下，疲勞強度的分布數(shù)據(jù)； 持久疲勞極限的分布數(shù)據(jù)第18頁/共40頁19高周疲勞和低周疲勞疲勞類型高周疲勞低周疲勞定義破壞循環(huán)數(shù)大于104105破壞循環(huán)數(shù)小于104105應力低于彈性極限高于彈性極限塑性變形無明顯塑性變形有明顯塑性變形應

8、力-應變關系線性關系非線性關系設計變量應力應變第19頁/共40頁20影響疲勞強度的因素 工作條件 載荷特征（應力狀態(tài)、循環(huán)特征、高載效應等） 載荷交變頻率 使用溫度 環(huán)境介質(zhì) 材料特性 化學成分 金相組織 纖維方向 內(nèi)部缺陷 零件幾何形狀及表面狀態(tài) 缺口效應：對疲勞強度影響極大。應力集中點，形成疲勞源。 表面光潔度：對疲勞強度影響很大，表面缺陷降低疲勞強度。 尺寸效應：尺寸增大而降低，可由對比試驗測得。 表面防腐蝕：腐蝕造成表面粗糙，促使產(chǎn)生疲勞裂紋，降低疲勞強度。 表面熱處理及殘余應力（表面冷作硬化、表面熱處理、表面涂層） 高頻淬火、氮化 、滲碳、噴丸強化、磙子滾壓第20頁/共40頁21結(jié)構(gòu)

9、件疲勞強度的分散特性 在常規(guī)疲勞強度計算中，結(jié)構(gòu)件的疲勞強度可由材料標準試件的疲勞強度考慮各種修正系數(shù)得到。為了簡化計算，可視各種影響因素相互獨立。 標準試件的疲勞強度；標準試件的疲勞強度； 尺寸系數(shù)；尺寸系數(shù)； 表面加工系數(shù)；表面加工系數(shù)； 表面強化系數(shù)；表面強化系數(shù)； 有效應力集中系數(shù)；有效應力集中系數(shù)；21frrkSSrS12fk第21頁/共40頁22結(jié)構(gòu)件疲勞強度的分散特性 零件疲勞強度的均值和變異系數(shù)分別為：零件疲勞強度的均值和變異系數(shù)分別為：21frrkSS212212212222121frkfrfrfrfrSkSkSkSkS第22頁/共40頁23復合疲勞應力復合強度干涉模型第23

10、頁/共40頁24疲勞應力強度干涉模型 復合疲勞應力和復合疲勞強度的一維應力強度干涉模型 僅考慮應力幅和平均應力的分散特性（載荷循環(huán)特征值r為常數(shù)），在疲勞極限圖的等壽命圖上給出干涉模型 疲勞可靠性的計算與前面所述的靜強度應力強度干涉模型相同 穩(wěn)定循環(huán)變應力下的疲勞可靠性設計是其它交變載荷情況下疲勞可靠性分析的基礎，他們可以通過應用等效損傷理論向穩(wěn)定循環(huán)變應力轉(zhuǎn)換。 Miner線性累積損傷理論 循環(huán)比：D=100%第24頁/共40頁25 從干涉模型圖中可看出，在恒定值下的復合從干涉模型圖中可看出，在恒定值下的復合疲勞強度：疲勞強度：其均值：其均值：標準差：標準差： 2122mafSSS2122m

11、afSSS21222222maSmSaSSSSSmaf疲勞可靠性分析設計方法第25頁/共40頁26復合疲勞應力：復合疲勞應力：其均值：其均值：標準差：標準差： 2122mafsss2122mafsss21222222masmsasssssmaf疲勞可靠性分析設計方法第26頁/共40頁27可靠度系數(shù)：可靠度系數(shù)：可靠度：可靠度： 2122ffsSffsS2122ffsSffsSR疲勞可靠性分析設計方法第27頁/共40頁28疲勞可靠性設計分析舉例疲勞可靠性設計分析舉例v例例10-3 如圖如圖10-11所示為某航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子內(nèi)軸，其承受交變彎矩和不變扭矩，所示為某航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子內(nèi)軸，其承受交變彎矩和

12、不變扭矩，受力情況如圖所示?，F(xiàn)假設循環(huán)特征值為確定值，其疲勞強度可靠性設計方法受力情況如圖所示。現(xiàn)假設循環(huán)特征值為確定值，其疲勞強度可靠性設計方法及步驟如下：及步驟如下：第28頁/共40頁29疲勞可靠性設計分析舉例疲勞可靠性設計分析舉例va. 提出設計問題，給出任務剖面提出設計問題，給出任務剖面 該軸的受力情況及結(jié)構(gòu)尺寸如圖該軸的受力情況及結(jié)構(gòu)尺寸如圖10-11所示。轉(zhuǎn)軸材料為所示。轉(zhuǎn)軸材料為40CrNiMoA鋼鋼調(diào)質(zhì)處理。轉(zhuǎn)子作用于軸的載荷為調(diào)質(zhì)處理。轉(zhuǎn)子作用于軸的載荷為F1 ，扭矩，扭矩Mr，轉(zhuǎn)子的重量為，轉(zhuǎn)子的重量為G。軸的一。軸的一端為花鍵連接，考慮可能對中不準而引起徑向力為端為花鍵連

13、接，考慮可能對中不準而引起徑向力為F2。軸的環(huán)境溫度為常溫。軸的環(huán)境溫度為常溫（2126），轉(zhuǎn)速為），轉(zhuǎn)速為n，要求壽命為，要求壽命為NL=10106時的可靠度為時的可靠度為R*，任務為，任務為設計轉(zhuǎn)軸直徑設計轉(zhuǎn)軸直徑d使其滿足可靠度使其滿足可靠度R*。第29頁/共40頁30疲勞可靠性設計分析舉例疲勞可靠性設計分析舉例 b. 確定失效判據(jù) 該軸在交變應力作用下工作，其失效模式為疲勞斷裂。應力分析表明，A-A剖面為危險部位。因此，應根據(jù)該處的應力水平進行疲勞強度可靠性設計。 根據(jù)疲勞情況下的變形能強度理論，該轉(zhuǎn)軸危險部位的彎扭復合應力為：第30頁/共40頁31疲勞可靠性設計分析舉例疲勞可靠性設計分析舉例第31頁/共40頁32疲勞可靠性設計分析舉例疲勞可靠性設計分析舉例第32頁/共40頁33疲勞可靠性設計分析舉例疲勞可靠性設計分析舉例第33頁/共40頁34疲勞可靠性設計分析舉例疲勞可靠性設計分析舉例第34頁/共40頁35疲勞可靠性設計分析舉例疲勞可靠性設計分析舉例第35頁/共40頁36疲勞可靠性設計分析舉例疲勞可靠性設計分析舉例