疲勞分析介紹學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1疲勞分析疲勞分析(fnx)介紹介紹第一頁，共42頁。第1頁/共42頁第二頁，共42頁。n19962379(lnzhu)頸卸荷槽處斷裂后脫軌；n2002年，中華航空611號班機(jī)飛往香港途中高空解體墜毀，225人死亡。第2頁/共42頁第三頁，共42頁。F6前輪球軸斷裂前輪球軸斷裂雙橫臂式前懸掛：廣本雅閣、一汽馬雙橫臂式前懸掛：廣本雅閣、一汽馬6、北奔、北奔-戴克克萊斯勒戴克克萊斯勒300C雅閣、雅閣、F6，其球頭方向是向上的，屬下掛式，承受車重，過度，其球頭方向是向上的，屬下掛式，承受車重，過度(gud)疲勞。疲勞。馬馬6、奔馳等采用是下壓式。、奔馳等采用是下壓式。在汽車上，大約有在汽車上

2、，大約有90%90%以上的斷裂可歸結(jié)為零件的疲勞失效。以上的斷裂可歸結(jié)為零件的疲勞失效。疲勞失效是汽車零件常見疲勞失效是汽車零件常見(chn(chn jin) jin)及危害性最大的一種失效方及危害性最大的一種失效方式。式。疲勞損壞多發(fā)生在承受交變載荷的車架、鋼板彈簧、螺旋彈簧、軸和疲勞損壞多發(fā)生在承受交變載荷的車架、鋼板彈簧、螺旋彈簧、軸和桿類零件。桿類零件?！皵噍S門斷軸門”凱美瑞、銳志、凱美瑞、銳志、F6F6、雅閣、雅閣第3頁/共42頁第四頁，共42頁。points and which may culminate in crack or complete fracture after a

3、sufficient number of fluctuations. ASTM E206-72n在某點或某些點承受擾動應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發(fā)生的局部永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過程，稱為疲勞第4頁/共42頁第五頁，共42頁。n發(fā)展過程n疲勞是從開始使用到最后破壞的發(fā)展過程載荷譜的描述載荷譜的描述(mio sh)與簡化與簡化應(yīng)力集中細(xì)節(jié)處的應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)力集中細(xì)節(jié)處的應(yīng)力應(yīng)變疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的機(jī)理和規(guī)律疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的機(jī)理和規(guī)律（基礎(chǔ)性研究）（基礎(chǔ)性研究）疲勞壽命預(yù)測與抗疲勞設(shè)計方法疲勞壽命預(yù)測與抗疲勞設(shè)計方法（應(yīng)用性研究）（應(yīng)用性研究）第5頁/共42頁第六頁，

4、共42頁。靜力破壞靜力破壞疲勞破壞疲勞破壞一次最大載荷作用下的破壞多次反復(fù)載荷作用下的破壞小于屈服極限或強(qiáng)度極限不發(fā)生破壞遠(yuǎn)小于靜強(qiáng)度極限甚至小于屈服極限就可能破壞通常產(chǎn)生明顯的塑性變形通常沒有外在宏觀的顯著塑性變形，破壞形式像脆性破壞，不易察覺斷口粗粒狀或纖維狀兩個區(qū)域特征：平滑區(qū)，粗粒狀或纖維狀抗力主要取決于材料本身抗力與材料的組成、構(gòu)件的形狀或尺寸、表面加工狀況、使用條件及外部工作環(huán)境有關(guān)第6頁/共42頁第七頁，共42頁。電鏡照片(zhopin)鋁合金疲勞輝紋圖疲勞輝紋是疲勞斷口形態(tài)的電子疲勞輝紋是疲勞斷口形態(tài)的電子金相的最重要特征，金相的最重要特征，可以把疲勞條帶視為判斷?？梢园哑跅l

5、帶視為判斷疲勞破壞的主要依據(jù)。勞破壞的主要依據(jù)。第7頁/共42頁第八頁，共42頁。R.G.1967）。計算(j sun)帶裂紋零件的剩余壽命，損傷容限設(shè)計。n20世紀(jì)20年代用概率統(tǒng)計方法處理疲勞試驗數(shù)據(jù)，60年代后期可靠性理論應(yīng)用到疲勞強(qiáng)度設(shè)計中。n缺口件名義應(yīng)力-應(yīng)變與局部應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系諾伊貝爾公式（德，H.諾伊貝爾，1961），1968年加拿大R.M.韋策爾提出估算零件裂紋形成壽命的方法局部應(yīng)力-應(yīng)變法。第8頁/共42頁第九頁，共42頁。交變應(yīng)力交變應(yīng)力: :構(gòu)件內(nèi)隨時間作構(gòu)件內(nèi)隨時間作(jinzu)(jinzu)周期性變化的周期性變化的應(yīng)力應(yīng)力第9頁/共42頁第十頁，共42頁。應(yīng)力(

6、yngl)靜應(yīng)力(yngl)交變應(yīng)力ot穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力脈動循環(huán)應(yīng)力對稱循環(huán)應(yīng)力非對稱循環(huán)應(yīng)力規(guī)律性非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力隨機(jī)性非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力第10頁/共42頁第十一頁，共42頁。穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力對稱對稱(duchn)循循環(huán)應(yīng)力環(huán)應(yīng)力脈動循環(huán)應(yīng)力脈動循環(huán)應(yīng)力非對稱非對稱(duchn)循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力非穩(wěn)定非穩(wěn)定(wndng)循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力規(guī)律性規(guī)律性周期性周期性第11頁/共42頁第十二頁，共42頁。常用常用(chn yn)導(dǎo)出量導(dǎo)出量應(yīng)力幅應(yīng)力幅平均應(yīng)力平均應(yīng)力應(yīng)力比應(yīng)力比（循環(huán)特征系數(shù)）（循環(huán)特征系數(shù)）描述描述(mio sh)交變應(yīng)力的交變應(yīng)力的基本量基本量最大應(yīng)力，最小

7、應(yīng)力最大應(yīng)力，最小應(yīng)力maxmin2/)(minmaxa2/ )(minmaxmmaxminr設(shè)計：用設(shè)計：用max，min，直觀；，直觀；試驗：用試驗：用m，a，便于加載；，便于加載；分析：用分析：用a，r，突出主要控制參量，突出主要控制參量, 便于分類討論。便于分類討論。第12頁/共42頁第十三頁，共42頁。對稱循環(huán)對稱循環(huán)r=-1脈動脈動(midng)循環(huán)循環(huán) r=0或或-靜應(yīng)力靜應(yīng)力 r=1 特例特例主要控制主要控制(kngzh)(kngzh)參量：參量：aa，重要影響參，重要影響參量：量：r r頻率和波形的影響是較次要的。頻率和波形的影響是較次要的。應(yīng)力幅應(yīng)力幅aa反映了交變應(yīng)力在一

8、個應(yīng)力循環(huán)中變化反映了交變應(yīng)力在一個應(yīng)力循環(huán)中變化大小的程度，它是使金屬構(gòu)件發(fā)生疲勞破壞的根本大小的程度，它是使金屬構(gòu)件發(fā)生疲勞破壞的根本原因。原因。第13頁/共42頁第十四頁，共42頁。一般情況下，材料所承受的循環(huán)載荷的應(yīng)力幅越小，一般情況下，材料所承受的循環(huán)載荷的應(yīng)力幅越小，到發(fā)生疲勞破斷時所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)越長。到發(fā)生疲勞破斷時所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)越長。S-NS-N曲線就是材料所承受的應(yīng)力幅水平與該應(yīng)力幅下發(fā)曲線就是材料所承受的應(yīng)力幅水平與該應(yīng)力幅下發(fā)生疲勞破壞時所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線。生疲勞破壞時所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線。（應(yīng)力（應(yīng)力- -壽命曲線）壽命曲線）S-NS-

9、N曲線一般是使用標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行疲勞試驗獲得曲線一般是使用標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行疲勞試驗獲得(hud)(hud)的。規(guī)定的應(yīng)力循環(huán)特征的。規(guī)定的應(yīng)力循環(huán)特征r r（一般為（一般為0 0或或-1-1）試驗條件：(1)純彎曲；(2)完全對稱循環(huán)；(3)應(yīng)力幅恒定；(4)頻率(pnl)在3000-104次分；(5)小試樣有足夠大的過渡圓角，表面拋光。SN曲線一般需要15根試樣確定，由于測試結(jié)果的分散性而應(yīng)用了統(tǒng)計分析。第14頁/共42頁第十五頁，共42頁。在不斷降載時，試樣的循環(huán)次數(shù)不斷增加，若在某應(yīng)力下旋轉(zhuǎn)107次仍不斷裂，即可認(rèn)為此應(yīng)力低于疲勞極限，再選取一較高的應(yīng)力，若在旋轉(zhuǎn)107次的過程中發(fā)生斷裂，然后在

10、這兩個應(yīng)力之間進(jìn)行內(nèi)插，縮小范圍，直到試樣在旋轉(zhuǎn)107次過程中發(fā)生斷裂或不斷之間的應(yīng)力差小于10MPa，便可求出材料的疲勞極限。通常所指的材料疲勞極限是以107次作參考基準(zhǔn)的。對一般低、中強(qiáng)度鋼，當(dāng)1400MN/m2,如能經(jīng)受住107周次旋轉(zhuǎn)彎曲而不發(fā)生疲勞斷裂，就可憑經(jīng)驗認(rèn)為永不斷裂，相應(yīng)的不發(fā)生斷裂的最高應(yīng)力稱為疲勞極限。對高強(qiáng)度鋼，在S-logN曲線上，即使達(dá)到107周次,曲線仍未出現(xiàn)水平的轉(zhuǎn)折，不存在一個可承受無限周次的循環(huán)而永不斷裂的應(yīng)力，這樣，要求的疲勞壽命越高，工作(gngzu)應(yīng)力越低。因此，對高強(qiáng)度鋼，人為地規(guī)定在108周次時不發(fā)生斷裂的應(yīng)力才是疲勞極限。對鋁合金，不銹鋼取對

11、應(yīng)N =108周次，對鈦合金取107周次的應(yīng)力來確定疲勞極限。疲勞極限是材料抗疲勞能力的重要性能指標(biāo)，也是進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的無限壽命設(shè)計的主要依據(jù)。第15頁/共42頁第十六頁，共42頁。曲線(qxin)分為高周疲勞和低周疲勞兩個部分。一般來說，低周疲勞發(fā)生在10,000個周期之內(nèi)。曲線(qxin)的形狀取決于所測試材料的類型。第16頁/共42頁第十七頁，共42頁。雙對數(shù)(du sh)坐標(biāo)系下S-N曲線被近似簡化成一條直線只對橫坐標(biāo)取對數(shù)(du sh)，此時常把S-N曲線近似簡化成兩條直線斜率：斜率：Basquin準(zhǔn)則準(zhǔn)則注：該公式只適用于高周疲勞階段，壽命一般大于10000次CNm條件疲勞極限條件

12、疲勞極限第17頁/共42頁第十八頁，共42頁。第18頁/共42頁第十九頁，共42頁。第19頁/共42頁第二十頁，共42頁。maxminr大多數(shù)疲勞測試(csh)是在r=-1（對稱循環(huán)應(yīng)力）如果在其他r值下須對S-N曲線修正給定壽命下，循環(huán)應(yīng)力幅與平均應(yīng)力的關(guān)系Haigh曲線(qxin)橫軸m：平均拉應(yīng)力和平均壓應(yīng)力縱軸a：交變常應(yīng)力幅縱軸交點：m0時，a=-1，對稱循環(huán)橫軸交點：a0時，m=b，靜載疲勞極限拉伸強(qiáng)度極限第20頁/共42頁第二十一頁，共42頁。11bma常用平均應(yīng)力修正(xizhng)有古德曼法與戈貝爾法真實測試值位于兩者之間，古德曼法偏于保守古德曼法古德曼法戈貝爾法戈貝爾法1)

13、(21bma索特貝爾格法索特貝爾格法11sma第21頁/共42頁第二十二頁，共42頁。應(yīng)的主要原因。n（3）大尺寸試件含有更多的疲勞損傷源，裂紋萌生的概率高，從而導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度下降。n尺寸系數(shù)：當(dāng)應(yīng)力集中和終加工方法相同時，尺寸問d的試樣或零件的疲勞極限與幾何相似的標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣的疲勞極限之比。11d通常由設(shè)計(shj)手冊查得第22頁/共42頁第二十三頁，共42頁。0maxtK零件存在槽溝、軸肩、孔、拐角、切口等不連續(xù)部分致使截面形狀發(fā)生(fshng)突變，引起比名義應(yīng)力大得多的局部應(yīng)力集中。缺口處的應(yīng)力集中是造成零部件疲勞強(qiáng)大幅度下降的最主要因素。應(yīng)力集中的程度用應(yīng)力集中系數(shù)（又稱理論應(yīng)力集中

14、系數(shù)）Kt來描述。maxmax為最大應(yīng)力，為最大應(yīng)力，00為載荷除以缺口處凈為載荷除以缺口處凈截面積所的得平均截面積所的得平均(pngjn)(pngjn)應(yīng)力（名義應(yīng)應(yīng)力（名義應(yīng)力）。力）。第23頁/共42頁第二十四頁，共42頁。wwofK除非是高強(qiáng)度材料，零件的疲勞極限并非隨Kt降低想象中那樣大，即應(yīng)力(yngl)集中使零件疲勞強(qiáng)度降低的倍數(shù)和它使零件應(yīng)力(yngl)提高的倍數(shù)并不相同。此時應(yīng)力(yngl)集中系數(shù)就無法真實地反映缺口對疲勞強(qiáng)度的影響。因此常用疲勞缺口系數(shù)Kf（fatigue notch factor，又被稱為有效應(yīng)力(yngl)集中系數(shù)）來更直接地反映疲勞強(qiáng)度的真實的降低程

15、度。w0w0，ww分別為無缺口分別為無缺口(quku)(quku)光滑試樣光滑試樣和缺口和缺口(quku)(quku)試樣的疲勞極限。試樣的疲勞極限。Kt與 Kf之不同在于材料對缺口的敏感度Kt第24頁/共42頁第二十五頁，共42頁。11tfKKq8 . 1)/2079(0254. 0ba和材料性質(zhì)的不均勻性增大時q小。還與缺口(quku)的曲率半徑有關(guān)，因此q并不是材料常數(shù)。經(jīng)驗公式(Peterson)：r:缺口(quku)半徑；a:材料常數(shù)，與材料的強(qiáng)度極限有關(guān))/1/() 1(1raKKtf)/1/(1raq第25頁/共42頁第二十六頁，共42頁。修改修改第26頁/共42頁第二十七頁，共

16、42頁。n零部件表面狀況對疲勞強(qiáng)的影響程度用表面敏感系數(shù)表示。n1.表面加工粗糙度n2.表層(biocng)組織結(jié)構(gòu)n3.表層(biocng)應(yīng)力狀態(tài)第27頁/共42頁第二十八頁，共42頁。高的同時，使缺口敏感性也變高。n對于缺口材料或帶有缺口的零部件，提高其疲勞壽命最有效的方法是合理地進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝選擇等手段來設(shè)法降低或改進(jìn)它的應(yīng)力集中情況。一味地選用高強(qiáng)度鋼材，未必能夠達(dá)到目的，相反在表面較粗糙和尺寸較大的情況下有可能反而使構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度下降。第28頁/共42頁第二十九頁，共42頁。 到目前為止，疲勞強(qiáng)度的設(shè)計實質(zhì)上還是基于大量試驗結(jié)果的估算。近年來已經(jīng)出現(xiàn)了有關(guān)疲勞強(qiáng)度設(shè)計的專用軟件

17、，使得(sh de)這項工作的效率更高和更易趨于合理準(zhǔn)確，但對于它的使用同樣需要具有一定的疲勞強(qiáng)度設(shè)計的經(jīng)驗。 對于新產(chǎn)品的開發(fā)，應(yīng)至少對于某些重要零部件等，同時進(jìn)行試驗研究和試驗驗證。如果受試驗條件等的限制，可以根據(jù)零部件的特點進(jìn)行合理簡化來進(jìn)行模擬性試驗。 諸多紛雜的因素中，對于疲勞強(qiáng)度危害最大的是應(yīng)力集中。因此，從設(shè)計和制造的過程來看，危害最大的第一是結(jié)構(gòu)的不合理；第二是工藝缺陷如焊接缺陷、機(jī)械加工缺陷、材料內(nèi)部缺陷，還包括偶然因素造成的表面?zhèn)鄣鹊龋坏谌遣牧系倪x擇。 第29頁/共42頁第三十頁，共42頁。第30頁/共42頁第三十一頁，共42頁。各種修正：各種修正：平均應(yīng)力平均應(yīng)力應(yīng)力

18、集中應(yīng)力集中表面表面(biomin)(biomin)狀況狀況尺寸效應(yīng)尺寸效應(yīng).第31頁/共42頁第三十二頁，共42頁。第32頁/共42頁第三十三頁，共42頁。第33頁/共42頁第三十四頁，共42頁。疲勞極限。此時，疲勞壽命設(shè)計主要是保證構(gòu)件在設(shè)計的壽命之內(nèi)不發(fā)生疲勞破壞而正常工作，也即設(shè)計使構(gòu)件具有(jyu)有限的疲勞壽命?？紤]到偶然因素的影響，為確保安全在設(shè)計時一般使設(shè)計壽命為使用壽命的數(shù)倍。第34頁/共42頁第三十五頁，共42頁。KKD)11(1KKD)(11KKDnKnmaDaaD1nKnmaDaDa1aD，aD應(yīng)力比為R時的疲勞極限；m，m平均應(yīng)力；，平均應(yīng)力折算(sh sun)系數(shù)，對于Goodman方程有=m/b第35頁/共42頁第三十六頁，共42頁。iiNnDni第第i級應(yīng)力水平下經(jīng)過的應(yīng)力循環(huán)數(shù)；級應(yīng)