疲勞分析簡(jiǎn)介

1、PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 1耐久性和疲勞分析概述耐久性和疲勞分析概述PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 2什么是耐久性什么是耐久性? 耐久性是耐久性是“保證其經(jīng)久耐用的能力!” 可靠性是可靠性是“在規(guī)定的條件下、在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定的功能的機(jī)會(huì)!”PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Sof

2、tware CorporationS1 - 3從實(shí)踐角度，疲勞是：從實(shí)踐角度，疲勞是： 在不斷變化下的負(fù)載作用下導(dǎo)致失效的過程，并且實(shí)際應(yīng)力值低于屈服強(qiáng)度; 由裂紋萌生和隨后的裂紋擴(kuò)展組成，裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展是塑性變形不斷循環(huán)的結(jié)果。疲勞定義疲勞定義參照BS 7608:“疲勞是指反復(fù)應(yīng)力作用下裂紋或裂紋群的產(chǎn)生和逐步擴(kuò)展所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)部件破壞的現(xiàn)象”PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 4疲勞的物理基礎(chǔ)疲勞的物理基礎(chǔ)疲勞失效通常開始于樣品或部件的表面疲勞失效通常開始于樣品或部件的表面

3、疲勞失效開始于小的微觀裂紋，因此對(duì)微小的應(yīng)力增加都非常敏感疲勞失效開始于小的微觀裂紋，因此對(duì)微小的應(yīng)力增加都非常敏感疲勞的過程包含從持續(xù)的滑移帶上微小裂紋的生成到持續(xù)彈塑性變形下疲勞的過程包含從持續(xù)的滑移帶上微小裂紋的生成到持續(xù)彈塑性變形下長(zhǎng)裂紋的擴(kuò)展整個(gè)過程長(zhǎng)裂紋的擴(kuò)展整個(gè)過程PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 5小裂紋產(chǎn)生的原因很多小裂紋產(chǎn)生的原因很多: 第二相粒子的裂變或界面脫離(cracking or debonding of second phase particles

4、); 表面上的自然劃痕和加工痕; 腐蝕坑或晶間腐蝕; 鑄造氣孔; 鍛造成型留下的圈痕; 脆面層疲勞的物理基礎(chǔ)疲勞的物理基礎(chǔ)(續(xù)續(xù))PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 6裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展: STAGE I AND IIPAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 7Persistent SlipBand FormationStage ICrack GrowthS

5、tage IICrack Growth1mm裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展: STAGE I AND II (續(xù)續(xù))PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 8疲勞壽命計(jì)算方法概述疲勞壽命計(jì)算方法概述PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 9疲勞壽命方法疲勞壽命方法S-N (Stress-Life方法方法)名義或局部彈性應(yīng)力與總壽命的關(guān)系E-N (Strain-Life方法

6、方法)局部應(yīng)變與裂紋萌生壽命的關(guān)系LEFM (裂紋擴(kuò)展方法裂紋擴(kuò)展方法) 應(yīng)力強(qiáng)度與裂紋擴(kuò)展速率的關(guān)系所有的方法均都基于相似性原理所有的方法均都基于相似性原理PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 10也稱為應(yīng)力也稱為應(yīng)力-壽命和全壽命方法壽命和全壽命方法評(píng)估產(chǎn)生嚴(yán)重失效的總疲勞壽命評(píng)估產(chǎn)生嚴(yán)重失效的總疲勞壽命疲勞壽命由對(duì)數(shù)應(yīng)力疲勞壽命由對(duì)數(shù)應(yīng)力-循環(huán)循環(huán)(S-N)曲線計(jì)算曲線計(jì)算該方法適合于長(zhǎng)壽命疲勞失效問題，因?yàn)樵摲椒ㄊ腔诿x彈性應(yīng)力，即使有該方法適合于長(zhǎng)壽命疲勞失效問題，因?yàn)?/p>

7、該方法是基于名義彈性應(yīng)力，即使有小的塑性發(fā)生。小的塑性發(fā)生。疲勞壽命評(píng)估與失效概率相關(guān)，因?yàn)槠趬勖u(píng)估與失效概率相關(guān)，因?yàn)镾-N曲線上有一定的分散性。曲線上有一定的分散性。S-N 方法方法PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 11snomnomsNotched ShaftUnnotched ShaftStress AmplitudeLife in CyclesS-N 方法方法 相似理論相似理論The life of this . . . . . . . . . . . . . .

8、 . . is the same as the life of this . . . . .if both are subject to the same nominal stressPAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 12也稱作局部應(yīng)變方法，裂紋萌生方法，和應(yīng)變也稱作局部應(yīng)變方法，裂紋萌生方法，和應(yīng)變-壽命方法。壽命方法。E-N方法是汽車行業(yè)里評(píng)估壽命方法中最常用的一個(gè)。方法是汽車行業(yè)里評(píng)估壽命方法中最常用的一個(gè)。實(shí)際上，裂紋萌生意味著已經(jīng)有實(shí)際上，裂紋萌生意味著已經(jīng)有1-2m

9、m的裂紋發(fā)生。這往往在部件壽命中占的裂紋發(fā)生。這往往在部件壽命中占較高比例。較高比例。 許多汽車部件的設(shè)計(jì)允許使用中出現(xiàn)大的塑性變形許多汽車部件的設(shè)計(jì)允許使用中出現(xiàn)大的塑性變形(特別是在試車場(chǎng)特別是在試車場(chǎng))。這種情。這種情況下況下 E-N方法比基于忽略塑性變形的方法比基于忽略塑性變形的S-N方法更好。方法更好。E-N 方法方法PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 13The crack initiation life here . . . . . is the same as i

10、t is here . . . . .if both experience the same local strainseeE-N方法方法- 相似理論相似理論P(yáng)AT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 14 也稱作“低周期疲勞” 或“局部應(yīng)變方法” 局部應(yīng)變可以是彈性或塑性，因此它適于低周期疲勞。NPlastic (Low CycleFatigue Line)Elastic (High CycleFatigue Line)應(yīng)變應(yīng)變-壽命壽命 (E-N)曲線曲線PAT318A, Secti

11、on 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 15/sN1000 CyclesLow CycleRegion(EN Method)High CycleRegion(SN or EN Method)Infinite Life107 CyclesE-N CurveS-N CurveS-N & E-N 曲線在高周期區(qū)域重合因?yàn)槊x應(yīng)力是線彈性的E-N 也能用到低周期區(qū)域。S-N不能, 因?yàn)樵搮^(qū)域不存在線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系S-N和和E-N疲勞曲線比較疲勞曲線比較PAT318A, Section 1, October 2

12、012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 16裂紋擴(kuò)展裂紋擴(kuò)展(LEFM)方法方法裂紋萌生后剩余的壽命是多少裂紋萌生后剩余的壽命是多少?一個(gè)已經(jīng)或即將發(fā)生裂紋的部件其安全壽命或相應(yīng)監(jiān)測(cè)計(jì)劃是怎樣的一個(gè)已經(jīng)或即將發(fā)生裂紋的部件其安全壽命或相應(yīng)監(jiān)測(cè)計(jì)劃是怎樣的?裂紋擴(kuò)展方法是以線彈性斷裂力學(xué)裂紋擴(kuò)展方法是以線彈性斷裂力學(xué)(LEFM)為基礎(chǔ)的為基礎(chǔ)的它將應(yīng)力強(qiáng)度因子和裂紋擴(kuò)展速率聯(lián)系起來它將應(yīng)力強(qiáng)度因子和裂紋擴(kuò)展速率聯(lián)系起來采用逐個(gè)循環(huán)計(jì)算來預(yù)測(cè)壽命采用逐個(gè)循環(huán)計(jì)算來預(yù)測(cè)壽命它被廣泛應(yīng)用在航空，船舶和能源領(lǐng)域它被廣泛應(yīng)用在航空，船舶和能源領(lǐng)域PAT

13、318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 17This crack . . . . . . . grows at the same rate as this oneif both experience the same stress intensity factors裂紋擴(kuò)展方法裂紋擴(kuò)展方法- 相似理論相似理論P(yáng)AT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 18Total Life = C

14、rack Initiation + Crack GrowthS-N Local Strain LEFMNf = Ni + Np方法總結(jié)方法總結(jié)This is an interesting view of the 3 methods but is practically flawed because in reality the S-N and E-N approaches are just slightly different versions of the same type of approach.PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012

15、 MSC.Software CorporationS1 - 19應(yīng)力壽命應(yīng)力壽命 (S-N) 方法方法PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 20應(yīng)力壽命應(yīng)力壽命 (S-N) 理論理論S-N 方法評(píng)估全壽命，而沒有清楚區(qū)分初始裂紋和裂紋擴(kuò)展方法評(píng)估全壽命，而沒有清楚區(qū)分初始裂紋和裂紋擴(kuò)展它通常要求涉及到幾何模型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是結(jié)構(gòu)它通常要求涉及到幾何模型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是結(jié)構(gòu)S-N曲線曲線材料材料S-N曲線從光滑樣件試驗(yàn)中獲得，隨后可以修改成為反映缺口，表面處曲線從光滑樣件試驗(yàn)中獲得，隨后可以

16、修改成為反映缺口，表面處理等影響的實(shí)際結(jié)構(gòu)的曲線理等影響的實(shí)際結(jié)構(gòu)的曲線PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 21假設(shè)和定義假設(shè)和定義變形可以被分成彈性(可完全回復(fù)的)和塑性(永久變形的)部分應(yīng)力范圍是一個(gè)循環(huán)中的最大、最小應(yīng)力的代數(shù)差應(yīng)力幅值是應(yīng)力范圍的一半PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 22S-N曲線曲線PAT318A, Section 1, October

17、2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 23Wohler的鐵路部件試驗(yàn)設(shè)備的鐵路部件試驗(yàn)設(shè)備(1852 to 1870)早期疲勞試驗(yàn)早期疲勞試驗(yàn)PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 24Stress AmplitudeNotched ShaftUnnotched ShaftLog (fatigue life)Wohler的一些旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一些旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)早期早期S-N曲線曲線PAT318A, Section 1, O

18、ctober 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 25S-N 方法方法S-N 方法用名義應(yīng)力范圍作為疲勞載荷的度量方法用名義應(yīng)力范圍作為疲勞載荷的度量在試驗(yàn)中記錄失效壽命在試驗(yàn)中記錄失效壽命(兩段兩段)試驗(yàn)在表征試驗(yàn)在表征S-N曲線的應(yīng)力范圍的幾個(gè)級(jí)別上進(jìn)行曲線的應(yīng)力范圍的幾個(gè)級(jí)別上進(jìn)行這樣的曲線可以來自光滑試件這樣的曲線可以來自光滑試件,獨(dú)立部件獨(dú)立部件,子裝配或者完整結(jié)構(gòu)子裝配或者完整結(jié)構(gòu)PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS

19、1 - 26S-N 方法的應(yīng)用方法的應(yīng)用S-N 方法的應(yīng)用包括方法的應(yīng)用包括:為設(shè)計(jì)目的建立一個(gè)較好定義的疲勞曲線為設(shè)計(jì)目的建立一個(gè)較好定義的疲勞曲線 確定一個(gè)給定壽命的疲勞強(qiáng)度確定一個(gè)給定壽命的疲勞強(qiáng)度展示一個(gè)提高疲勞壽命的來自材料或者表面處理的影響展示一個(gè)提高疲勞壽命的來自材料或者表面處理的影響為制造挑選材料為制造挑選材料解答使用中失效的問題解答使用中失效的問題PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 27恒幅加載的鋼材展示一個(gè)疲勞極限恒幅加載的鋼材展示一個(gè)疲勞極限-低于這個(gè)應(yīng)力沒

20、有明顯的疲勞損低于這個(gè)應(yīng)力沒有明顯的疲勞損傷發(fā)生傷發(fā)生.疲勞極限與裂紋通過第一晶界的難度、或者占主導(dǎo)地位的微觀障礙有疲勞極限與裂紋通過第一晶界的難度、或者占主導(dǎo)地位的微觀障礙有關(guān)。它可以在幾個(gè)大載荷或腐蝕性環(huán)境里被減少或消除關(guān)。它可以在幾個(gè)大載荷或腐蝕性環(huán)境里被減少或消除鋁合金似乎沒有疲勞極限鋁合金似乎沒有疲勞極限PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 28材料材料 S-N 曲線曲線Log(Stress)Log(Life)Steel or TiAl alloyor steel in

21、seawaterPAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 29S-N 曲線發(fā)散性曲線發(fā)散性由于試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征, 任何給的的S-N曲線關(guān)聯(lián)一定的失效概率更多的關(guān)于S-N的關(guān)系的認(rèn)知可以從描述發(fā)散帶寬(比如+/-3標(biāo)準(zhǔn)偏差)以及平均曲線(50%生存率)獲得。PAT318, Section 16, September 2008Copyright 2008 MSC.Software CorporationS16-30解析的解析的 S-N 曲線曲線靜力極限靜力極限1m2Stress range

22、 ( s) log scale耐久數(shù)耐久數(shù) N (cycles) - log 刻度刻度107(s)1115*108S-N 曲線可以用冪定律表達(dá): N*Sm=const 在對(duì)數(shù)坐標(biāo)中就是一條直線，一般有2段m1m2=0 表示應(yīng)力Se為疲勞極限應(yīng)力If m2 0, 一個(gè)慣例表達(dá)的疲勞極限可以設(shè)定在:N=5*E8PAT318, Section 16, September 2008Copyright 2008 MSC.Software CorporationS16-31MSC Fatigue 中解析中解析S-N曲線曲線*MSC.Fatigue 也給一個(gè)選項(xiàng)提供一族曲線來用于多平均疲勞曲線選項(xiàng)n對(duì)于 S

23、-N 曲線, MSC.Fatigue 在常規(guī)冪定律中用一個(gè)變量 ( N*Sm=const) :S=SRI1*Nb (注: m=-1/b)n兩個(gè)直線可以用b1和b2兩個(gè)疲勞強(qiáng)度指數(shù)來定義 (見下一個(gè)圖)PAT318, Section 16, September 2008Copyright 2008 MSC.Software CorporationS16-32MSC.Fatigue 中解析中解析S-N曲線曲線(續(xù)續(xù))m11b11S=SRI1*Nb (with m=-1/b)PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software Cor

24、porationS1 - 33變幅載荷變幅載荷 米勒定律米勒定律 和和 雨流計(jì)數(shù)法雨流計(jì)數(shù)法PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 34米勒定律米勒定律 塊載荷塊載荷米勒定律指定每一個(gè)循環(huán)是1/Nf 的損傷，Nf是某載荷幅值的失效循環(huán)次數(shù) (通過 S-N 確定)當(dāng)總損傷到達(dá)1的時(shí)候表示失效，如果總損傷D 1 ，壽命預(yù)測(cè)將是1/D次循環(huán)。PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 -

25、 35RangeMeanSN100 MPa60000材料壽命曲線壽命損傷累積%5.060000300=300 Cycles100 MPa=ifiNN損傷米勒損傷計(jì)數(shù)米勒損傷計(jì)數(shù)PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 36PalmgrenMiner 損傷累積原理損傷累積原理PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 37線性米勒損傷理論的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):1. 簡(jiǎn)單2. 測(cè)試結(jié)果通

26、常落在一個(gè)球形區(qū)域 e.g. 在(0.61-1.45)區(qū)間內(nèi)變化,平均值是1.0 缺點(diǎn)缺點(diǎn):假設(shè)應(yīng)力大小不影響損傷比例，例如：試驗(yàn)顯示高應(yīng)力到低應(yīng)力的變化比其它方式會(huì)引起更多損傷 niNfiPAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 38變幅載荷變幅載荷評(píng)估壽命評(píng)估壽命PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 39 應(yīng)力或者應(yīng)變循環(huán):Stress or StrainTimeStr

27、ess or StrainTime時(shí)間歷程峰值提取雨流計(jì)數(shù) 要求循環(huán)范圍和平均值什么促使疲勞斷裂什么促使疲勞斷裂?PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 40SN tests are conducted under constant amplitude sinusoidal loading.Real loading is usually fairly random.The question is: How do we break down real loads into equiva

28、lent cycle ranges so we can use the same SN curves?This done using Rainflow Cycle Counting.VARIABLE AMPLITUDE LOADINGPAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 41RAINFLOW CYCLE COUNTING ORIGINAL DEFINITIONPAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software Co

29、rporationS1 - 42雨流計(jì)數(shù)雨流計(jì)數(shù)關(guān)于雨流計(jì)數(shù)的故事：關(guān)于雨流計(jì)數(shù)的故事：Matsuishi 和和Endo 觀測(cè)雨水成瀑布樣觀測(cè)雨水成瀑布樣從寶塔屋頂流下得到啟發(fā)從寶塔屋頂流下得到啟發(fā).基本規(guī)則：雨流從每一個(gè)拐點(diǎn)開始流下，直到下面任何一個(gè)情基本規(guī)則：雨流從每一個(gè)拐點(diǎn)開始流下，直到下面任何一個(gè)情況：況： 被上面的雨滴中止，被上面的雨滴中止， 或者停止于一個(gè)在同一方向比它更大的（或者更負(fù)的）點(diǎn)或者停止于一個(gè)在同一方向比它更大的（或者更負(fù)的）點(diǎn)描述循環(huán)一個(gè)好的方法是雨流循環(huán)計(jì)數(shù)矩陣描述循環(huán)一個(gè)好的方法是雨流循環(huán)計(jì)數(shù)矩陣PAT318A, Section 1, October 2012Co

30、pyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 43循環(huán)計(jì)數(shù)矩陣循環(huán)計(jì)數(shù)矩陣PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 44時(shí)間歷程峰谷提取雨流循環(huán)計(jì)數(shù)SN100 MPa60000損傷計(jì)數(shù)損傷直方圖LIFE分析流程分析流程 綜述綜述不精確的頻率信息不精確的頻率信息不精確的頻率信息不精確的頻率信息Stress or StrainTimeStress or StrainTime壽命PAT318A, Section 1, October 2012Copyri

31、ght 2012 MSC.Software CorporationS1 - 45Mean stressComponent sizeType of loadingNotches and discontinuitiesSurface treatment & finishFACTORS INFLUENCING FATIGUE LIFEPAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 46MEAN STRESSESStress amplitudeN = constant for all poi

32、nts(Compressive mean)(Tensile mean)-MMmNnTensile mean stress reduces fatigue life.Compressive mean stress has little effect.PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 47應(yīng)力比率應(yīng)力比率: R = s smin/s smax絕大多數(shù)試驗(yàn)采用絕大多數(shù)試驗(yàn)采用 R = -1 (全交變載荷全交變載荷). 如果我們循環(huán)載荷采用其它如果我們循環(huán)載荷采用其它R值，那么我們需要

33、修正應(yīng)力范值，那么我們需要修正應(yīng)力范圍，以能夠比照圍，以能夠比照R=-1時(shí)所獲得的循環(huán)時(shí)所獲得的循環(huán)S-N曲線。曲線。注注:受壓平均應(yīng)力不影響疲勞壽命受壓平均應(yīng)力不影響疲勞壽命.平均應(yīng)力平均應(yīng)力Tensile mean stress reduces fatigue life.Compressive mean stress has little effect.PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 48-200-1000100200300400500600-2-1.5-1-0.500.

34、51Typical stress signalR ratioEXAMPLER ratio - R=Smin/SmaxPAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 49平均應(yīng)力修正平均應(yīng)力修正PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 50最流行的平均應(yīng)力修正是最流行的平均應(yīng)力修正是Goodman 和和 Gerber 方法方法. 真實(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)位于兩者之間真實(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)位于兩者之間,G

35、oodman方法更加保守一些方法更加保守一些(也就是說也就是說更安全更安全)。第三種方法是第三種方法是Soderberg ，該方法非常保守（使用屈服應(yīng)力而不是極，該方法非常保守（使用屈服應(yīng)力而不是極限應(yīng)力）限應(yīng)力）平均應(yīng)力修正平均應(yīng)力修正PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 51平均應(yīng)力影響的修正平均應(yīng)力影響的修正Goodman methodGerber methodssaemuSS+=12ssaemuSS+=1sssamuem應(yīng)力幅值平均 應(yīng)力S拉伸強(qiáng)度極限應(yīng)力S= 0等效應(yīng)力幅

36、值 當(dāng)PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 52Mean stressComponent sizeType of loadingNotches and discontinuitiesSurface treatment & finishFACTORS INFLUENCING FATIGUE LIFEPAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 53部件尺寸部件尺寸 小的試

37、驗(yàn)室樣件和大的工程結(jié)構(gòu)之間的差異小的試驗(yàn)室樣件和大的工程結(jié)構(gòu)之間的差異尺寸對(duì)耐久極限的影響尺寸對(duì)耐久極限的影響:PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 54部件尺寸部件尺寸 用于設(shè)計(jì)的用于設(shè)計(jì)的Se可以從試驗(yàn)的任意尺寸的耐久極限可以從試驗(yàn)的任意尺寸的耐久極限 Se 計(jì)算得計(jì)算得到到: Se=Se Csize PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 55Mean stress

38、Component sizeType of loadingNotches and discontinuitiesSurface treatment & finishFACTORS INFLUENCING FATIGUE LIFEPAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 56載荷類型載荷類型問題問題:l 數(shù)據(jù)來自旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)l 結(jié)構(gòu)受拉和扭l一個(gè)保守的軸向載荷對(duì)彎曲載荷的耐久極限比值估計(jì)是：0.7 Se (軸向) .70 Se(彎曲)l一個(gè)扭轉(zhuǎn)相似的比率可以給出:.577Se (

39、扭轉(zhuǎn)) .577 Se(彎曲)PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 57Mean stressComponent sizeType of loadingNotches and discontinuitiesSurface treatment & finishFACTORS INFLUENCING FATIGUE LIFEPAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 58

40、另外一個(gè)減少部件壽命的因素是缺口或者應(yīng)力集中另外一個(gè)減少部件壽命的因素是缺口或者應(yīng)力集中.通常，除非高強(qiáng)度金屬材料，部件的疲勞極限的降低程度并不像通常，除非高強(qiáng)度金屬材料，部件的疲勞極限的降低程度并不像你通過你通過Kt (應(yīng)力集中系數(shù)應(yīng)力集中系數(shù))因子想象的那么多。因子想象的那么多。 Kt 和和 Kf 的差別取決于材料對(duì)缺口的靈敏度的差別取決于材料對(duì)缺口的靈敏度, 對(duì)于高強(qiáng)度金屬這對(duì)于高強(qiáng)度金屬這個(gè)差別最大。個(gè)差別最大。缺口缺口PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 59Kt 應(yīng)力集

41、中系數(shù) Example from Petersons Stress Concentration Factors (Walter D. Piley)PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 60應(yīng)力集中的處理方法應(yīng)力集中的處理方法實(shí)測(cè)的名義應(yīng)力實(shí)測(cè)的名義應(yīng)力 = S應(yīng)力集中區(qū)域的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)力集中區(qū)域的真實(shí)應(yīng)力s s = S . Kt 在應(yīng)力集中區(qū)域很少可能貼應(yīng)變片測(cè)量在應(yīng)力集中區(qū)域很少可能貼應(yīng)變片測(cè)量.實(shí)際上是把應(yīng)變片貼在接近應(yīng)力集中的地方用應(yīng)力校正因子實(shí)際上是把應(yīng)變片貼在接近應(yīng)力集中的

42、地方用應(yīng)力校正因子Kt去放大以得到應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力值去放大以得到應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力值.PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 61應(yīng)力集中在應(yīng)力集中在 Fatigue中處理方法中處理方法在疲勞問題上在疲勞問題上,應(yīng)力集中的缺口會(huì)減少給定壽命的疲勞應(yīng)力，應(yīng)力集中的缺口會(huì)減少給定壽命的疲勞應(yīng)力，可以用疲勞強(qiáng)度縮減因子可以用疲勞強(qiáng)度縮減因子Kf來表示。確切地說來表示。確切地說,，Kf 來自長(zhǎng)的來自長(zhǎng)的疲勞壽命測(cè)試，它是一個(gè)比值疲勞壽命測(cè)試，它是一個(gè)比值: 沒有切口的疲勞強(qiáng)度沒有切口的疲勞

43、強(qiáng)度Kf = - 有切口的疲勞強(qiáng)度有切口的疲勞強(qiáng)度它取決于材料和幾何形狀。通常小于它取決于材料和幾何形狀。通常小于Kt 。 PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 62Mean stressComponent sizeType of loadingNotches and discontinuitiesSurface treatment & finishFACTORS INFLUENCING FATIGUE LIFEPAT318A, Section 1, October 201

44、2Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 63表面處理和光潔度表面處理和光潔度疲勞裂紋通常開始在表面，因此表面情況對(duì)一個(gè)部件的壽命的影響很疲勞裂紋通常開始在表面，因此表面情況對(duì)一個(gè)部件的壽命的影響很大。大。表面越光滑，它能夠承受產(chǎn)生初裂紋的時(shí)間越長(zhǎng)。表面越光滑，它能夠承受產(chǎn)生初裂紋的時(shí)間越長(zhǎng)。表面殘余應(yīng)力也影響裂紋產(chǎn)生，殘余壓應(yīng)力在高周疲勞時(shí)候會(huì)延遲初表面殘余應(yīng)力也影響裂紋產(chǎn)生，殘余壓應(yīng)力在高周疲勞時(shí)候會(huì)延遲初裂紋的產(chǎn)生。裂紋的產(chǎn)生。表面處理用來產(chǎn)生殘余應(yīng)力。表面處理用來產(chǎn)生殘余應(yīng)力。PAT318A, Section 1, October 201

45、2Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 64表面加工表面加工注注: 這些曲線僅僅用于鋼這些曲線僅僅用于鋼.PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 65表面加工的影響可從類似的上一頁幻燈片的曲線獲得表面加工的影響可從類似的上一頁幻燈片的曲線獲得. . 強(qiáng)度縮減因子和表面加工因子以及鋼的強(qiáng)度有關(guān)。強(qiáng)度縮減因子和表面加工因子以及鋼的強(qiáng)度有關(guān)。 有時(shí)候曲線是定性的，如精加工。有時(shí)候曲線是定性的，如精加工。表面粗糙考慮是通過對(duì)耐久性極限或疲勞極

46、限作用一個(gè)縮減系數(shù)。表面粗糙考慮是通過對(duì)耐久性極限或疲勞極限作用一個(gè)縮減系數(shù)。 在對(duì)數(shù)圖上，調(diào)整應(yīng)力壽命曲線的斜率。在在對(duì)數(shù)圖上，調(diào)整應(yīng)力壽命曲線的斜率。在10001000次位置的應(yīng)力不次位置的應(yīng)力不受影響。受影響。表面加工表面加工PAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 66表面加工情況的校正表面加工情況的校正1000 cyclesTransition LifepolishedroughStressLifePAT318A, Section 1, October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationS1 - 67殘余壓應(yīng)力的影響殘余壓應(yīng)