疲勞分析的各種方法

1、疲勞壽命預(yù)測方法很多。按疲勞裂紋形成壽命預(yù)測的基本假定和控制參數(shù)， 可分為名義應(yīng)力法、局部應(yīng)力一應(yīng)變法、能量法、場強法等。2.4.1.1名義應(yīng)力法 名義應(yīng)力法是以結(jié)構(gòu)的名義應(yīng)力為試驗和壽命估算的基礎(chǔ)， 采用雨流法取出 一個個相互獨立、互不相關(guān)的應(yīng)力循環(huán)，結(jié)合材料的 S -N 曲線，按線性累積損 傷理論估算結(jié)構(gòu)疲勞壽命的一種方法?；炯俣ǎ簩θ我粯?gòu)件（或結(jié)構(gòu)細節(jié)或元件），只要應(yīng)力集中系數(shù) KT 相同，載荷譜相同，它們的壽命則相同 。此法中名義 應(yīng)力為控制參數(shù)。該方法考慮到了載荷順序和殘余應(yīng)力的影響，簡單易行。但該種方法有兩個主要的不足之處：一是因其在彈性范圍內(nèi)研究疲勞問題， 沒有考慮缺口根部的局

2、部塑性變形的影響， 在計算有應(yīng)力集中存在的結(jié)構(gòu)疲勞壽 命時，計算誤差較大； 二是標準試樣和結(jié)構(gòu)之間的等效關(guān)系的確定十分困難， 這 是由于這種關(guān)系與結(jié)構(gòu)的幾何形狀、加載方式和結(jié)構(gòu)的大小、材料等因素有關(guān)。 正是因為上述缺陷， 使名義應(yīng)力法預(yù)測疲勞裂紋的形成能力較低， 且該種方法需 求得在不同的應(yīng)力比R和不同的應(yīng)力集中因子Kt下的S-N曲線，而獲得這些材 料數(shù)據(jù)需要大量的經(jīng)費。 因而名義應(yīng)力法只適用于計算應(yīng)力水平較低的高周疲勞 和無缺口結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。 近年來， 名義應(yīng)力法也在不斷的發(fā)展中， 相繼出現(xiàn)了 應(yīng)力嚴重系數(shù)法（S. ST）、有效應(yīng)力法、額定系數(shù)法（DRF）等。2.1.2.2局部應(yīng)力一應(yīng)變法

3、 局部應(yīng)力一應(yīng)變法的基本思想是根據(jù)結(jié)構(gòu)的名義應(yīng)力歷程， 借助于局部應(yīng)力 -應(yīng)變法分析缺口處的局部應(yīng)力。再根據(jù)缺口處的局部應(yīng)力，結(jié)合構(gòu)件的S-N 曲線、材料的循環(huán)。一曲線、 E -N 曲線及線性累積損傷理論，估算結(jié)構(gòu)的疲勞壽 命。基本假定 :若一個構(gòu)件的危險部位 （點）的應(yīng)力一應(yīng)變歷程與一個光滑小試件 的應(yīng)力一應(yīng)變歷程相同，則壽命相同。此法中局部應(yīng)力一應(yīng)變是控制參數(shù)。局部應(yīng)力一應(yīng)變法主要用于解決高應(yīng)變的低周疲勞和帶缺口結(jié)構(gòu)的疲勞壽 命問題。該方法的特點是可以通過一定的分析、 計算將結(jié)構(gòu)上的名義應(yīng)力轉(zhuǎn)化為 缺口處的局部應(yīng)力和應(yīng)變。 它可以細致地分析缺口處的局部應(yīng)力和應(yīng)變的非線性 關(guān)系，可以考慮載荷

4、順序和殘余應(yīng)力對疲勞壽命的影響。因此，到目前為止，局 部應(yīng)力 -應(yīng)變法是一種比較好的疲勞壽命估算方法。它克服了名義應(yīng)力法的兩個 主要缺陷， 但它亦有本身固有的缺陷。 一是沒有考慮缺口根部附近應(yīng)力梯度和多 軸應(yīng)力的影響。二是疲勞壽命的計算結(jié)果對疲勞缺口系數(shù) K 值非常敏感。而在 實際工作中，精確地確定結(jié)構(gòu)的 K 值是非常困難的，這就影響了局部應(yīng)力一應(yīng) 變法估算疲勞壽命的精度。此外，局部應(yīng)力一應(yīng)變法要用到材料的 C 一一 N 曲 線，而 E 一一 N 曲線是在控制應(yīng)變的條件下進行疲勞試驗而得到的，試驗數(shù)據(jù) 資料比較少，不如 S-N 曲線容易得到，這也影響了該方法的使用。2.1.2.3能量法基本假定

5、 :由相同的材料制成的構(gòu)件 （元件或結(jié)構(gòu)細節(jié) ），如果在疲勞危險區(qū)承 受相同的局部應(yīng)變能歷程，則它們具有相同的疲勞裂紋形成壽命。能量法的材料性能數(shù)據(jù)主要是材料的循環(huán)應(yīng)力一應(yīng)變曲線和循環(huán)能耗一壽 命曲線。雖然在現(xiàn)有的能量法中均假設(shè)各循環(huán)的能耗是線性可加的， 而事實上由 于循環(huán)加載過程中材料內(nèi)部的損傷界面不斷擴大， 因此能耗總量與循環(huán)數(shù)之間的 關(guān)系是非線性的。 這一關(guān)鍵問題導(dǎo)致了能量法難于運用于工程實際。 因此能量法 可能不是一種十分合理和有前途的方法。2.1.2.4場強法基本假設(shè) :由相同的材料制成的構(gòu)件 （元件或結(jié)構(gòu)細節(jié) ），如果在疲勞失效區(qū)域 承受相同應(yīng)力場強度歷程， 則具有相同疲勞壽命。

6、此法的控制參數(shù)是應(yīng)力場強度。 用場強法預(yù)測結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋的形成壽命時，需要循環(huán)應(yīng)力一應(yīng)變曲線和 S-Nf 曲線（或£ -Nf曲線），分析計算較復(fù)雜。由上述四種疲勞壽命預(yù)測方法各自的特點可知， 不同的已知條件需采用不同 的預(yù)測方法。如對于具有大量的疲勞性能數(shù)據(jù)的材料制成的連接件或結(jié)構(gòu)件可采 用名義應(yīng)力法 ;對于具有復(fù)雜的幾何外形且承受復(fù)雜載荷作用下的一些結(jié)構(gòu)件可 采用局部應(yīng)力一應(yīng)變法，尤其是瞬態(tài)的循環(huán)。一曲線和£ -Nf曲線相結(jié)合的方法； 應(yīng)力場強法可以用于與局部應(yīng)力一應(yīng)變法相同的材料疲勞性能數(shù)據(jù)即循環(huán) a 一 曲線和 S-N 或£ -Nf 曲線。2.2斷裂力學(xué)方法

7、 斷裂力學(xué)理論是基于材料本身存在著缺陷或裂紋這一事實， 以變形體力學(xué)為 基礎(chǔ)，研究含缺陷或裂紋的擴展、 失穩(wěn)和止裂。 通過對斷口定量分析得出構(gòu)件在 實際工作中的疲勞裂紋擴展速率（適用較廣泛的是Paris疲勞裂紋擴展速率公式）, 合理地對零、 部件進行疲勞壽命估算， 確定構(gòu)件形成裂紋的時間， 評價其制造質(zhì) 量，有利于正確分析事故原因。 事實上這種方法解決了工程中許多災(zāi)難性的低應(yīng) 力脆斷問題，彌補了常規(guī)設(shè)計方法的不足，現(xiàn)已成為失效分析的重要方法之一。疲勞斷裂是結(jié)構(gòu)零、 部件失效的主要模式。 據(jù)統(tǒng)計， 由于結(jié)構(gòu)部件失效導(dǎo)致 的重大事故中的85%八-90%與疲勞斷裂有關(guān)。根據(jù)斷裂力學(xué)的觀點，金屬結(jié)構(gòu)件

8、 的疲勞破壞是由于主裂紋擴展到臨界尺寸而造成的， 結(jié)構(gòu)的壽命取決于結(jié)構(gòu)危險 部位裂紋的萌生與擴展。 該方法將疲勞斷裂過程分為三個階段。 一是構(gòu)件在交變 力作用下產(chǎn)生初始裂紋（初始裂紋定義至今仍無統(tǒng)一標準，習(xí)慣上為0.5A-1mm）;二是裂紋開始擴展，以致產(chǎn)生較大宏觀裂紋 ；三是裂紋急劇擴展，迅速導(dǎo)致破壞， 它的壽命往往很短，稱瞬間斷裂壽命，工程上不予考察。按裂紋產(chǎn)生的時間，又 可將第一階段定義為始裂壽命，第二階段定義為為裂紋擴展壽命 （習(xí)慣上稱剩余 壽命 ）。對壽命的度量一般以經(jīng)歷的循環(huán)荷載的次數(shù)來表示。該理論認為，疲勞 極限是客觀存在的， 也就是說， 當(dāng)構(gòu)件承受的循環(huán)荷載幅值小于該構(gòu)件材料的

9、疲 勞極限時， 該構(gòu)件不可能因產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致破壞， 即從疲勞壽命角度考察其壽命是 無限的。 此外疲勞壽命不僅與循環(huán)載荷幅值和材料物理、 化學(xué)特性有關(guān)， 還與載 荷的變化頻率有關(guān)，故疲勞壽命有高周疲勞與低周疲勞之分。前述名義應(yīng)力法、 局部應(yīng)力一應(yīng)變法等均是研究始裂壽命。 而剩余壽命的研 究，則較復(fù)雜。目前是一個熱點問題，工程界尚未提出普遍接受的評估手段。近年來，斷裂力學(xué)理論得到了長足的發(fā)展， 但是它還很不完善， 斷裂失效的 機理還不是十分清楚， 所以要應(yīng)用該理論得出簡單而準確可靠的疲勞壽命預(yù)測計 算式還有待時日。2.3 可靠性設(shè)計方法 可靠性設(shè)計方法是應(yīng)用可靠性理論和設(shè)計參數(shù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)， 在給定的

10、可靠性指標下，對零部件、 設(shè)備或系統(tǒng)進行的設(shè)計。 其目的是發(fā)現(xiàn)和確定產(chǎn)品存在的隱 患和薄弱環(huán)節(jié)， 通過預(yù)防和改進， 提高產(chǎn)品的固有可靠性。 但是機械系統(tǒng)的可靠 性研究還很不成熟， 況且用可靠性設(shè)計的方法也不能解決疲勞剩余壽命評估的問 題。2.4 概率斷裂力學(xué)斷裂力學(xué)是基于確定性參數(shù)的估算方法。 概率斷裂力學(xué)是將斷裂力學(xué)中裂紋 尺寸、斷裂韌性、應(yīng)力強度因子、裂紋擴展速率等參數(shù)作為隨機變量，進行可靠 性分析。這樣就提高了斷裂力學(xué)工程分析方法的可靠性。 但該種方法存在一定的 缺陷，一是其涉及到隨機變量和隨機數(shù)目前主要采用正態(tài)分布、 三參數(shù)威布爾分 布來產(chǎn)生，顯然不足以完全反映實際情況 ;二是試驗數(shù)據(jù)

11、不足。故這種方法在實 際應(yīng)用中受到了一定的限制。目前也有人利用模糊數(shù)學(xué)和統(tǒng)計模擬的方法對金屬結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀態(tài)進行綜 合評價，并在此基礎(chǔ)上推算它的剩余壽命 36-381 。這些方法是否可靠，不僅取 決于數(shù)學(xué)方法，還取決于人的主觀因素。2.5 金屬結(jié)構(gòu)疲勞壽命評估理論發(fā)展趨勢 3，一#40 在今后的金屬結(jié)構(gòu)疲勞壽命評估理論中， 專家們一致認為應(yīng)著手以下幾方面 的研究 :理論上側(cè)重研究系統(tǒng)臨界狀態(tài)及多臨界狀態(tài)的優(yōu)化問題，研究多判據(jù)情 況下一次二階矩法 ;研究驗證臨界失效模型的有效方法 ;完善疲勞強度理論及斷裂 力學(xué)方法 ;研究更適合系統(tǒng)的概率失效模型，改進目前計算斷裂概率方法 ;進一步 研究計算可靠度的方法 ; 研究影響系統(tǒng)的敏感性參數(shù)，特別研究對系統(tǒng)的參數(shù)敏 感性分析方法，從而系統(tǒng)