疲勞理論課件

1、疲勞斷裂課程總結(jié)二、基本概念三、基本方法四、抗疲勞斷裂設(shè)計一、基本內(nèi)容返回主目錄1一、基本內(nèi)容疲勞裂紋萌生：（1-4章）機理、規(guī)律（S-N曲線、e-N曲線）、萌生壽命、累積損傷、雨流計數(shù)、循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)計算裂紋體斷裂：（5-7章）LEFM、應(yīng)力強度因子K、 K1C測試、抗斷設(shè)計疲勞裂紋擴展：（8-10章）da/dN-DK曲線、裂紋擴展壽命預(yù)測、裂紋閉合與遲滯的概念、抗疲勞設(shè)計基本原理1、2、4章第5章第8章21) 疲勞問題的特點： 擾動應(yīng)力作用； 材料或結(jié)構(gòu)高應(yīng)力局部； 裂紋萌生并擴展； 使用至破壞的發(fā)展過程。二、基本概念2) 疲勞研究的任務(wù)： 載荷譜； 裂紋萌生和擴展的機理與規(guī)律； 壽命預(yù)

2、測方法； 抗疲勞設(shè)計方法。3導(dǎo)出量： 平均應(yīng)力 Sm=(Smax+Smin)/2 應(yīng)力幅 Sa=(Smax-Smin)/2 應(yīng)力變程 DS=Smax-Smin 應(yīng)力比或循環(huán)特性參數(shù) R=Smin/Smax3) 循環(huán)應(yīng)力水平的描述 基本量： Smax， SminSSmax0SmintSmSaSa44 ) 疲勞斷口特征： 有裂紋源、裂紋擴展區(qū)和最后斷裂區(qū)。 裂紋源在高應(yīng)力局部或材料缺陷處； 裂紋擴展區(qū)有“海灘條帶”和“疲勞條紋”。裂紋源裂紋擴展區(qū)海灘條帶最后斷裂區(qū)裂紋源裂紋擴展區(qū)海灘條帶最后斷裂區(qū)5) 疲勞斷口分析: 是否疲勞破壞? 裂紋源？ 裂紋臨界尺寸? 裂紋擴展速率估計？ 破壞載荷？5疲勞破

3、壞與靜載破壞之比較疲勞破壞 SSu破壞是局部損傷累積的結(jié)果。斷口光滑，有海灘條帶或腐蝕痕跡。有裂紋源、裂紋擴展區(qū)、瞬斷區(qū)。無明顯塑性變形。應(yīng)力集中對壽命影響大。 由斷口可分析裂紋起因、擴展信息、臨界裂紋尺寸、破壞載荷等，是失效分析的重要依據(jù)。靜載破壞 SSu破壞是瞬間發(fā)生的。斷口粗糙，新鮮，無表面磨蝕及腐蝕痕跡。韌性材料塑性變形明顯。應(yīng)力集中對極限承載能力 影響不大。6材料的循環(huán)性能： 循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線 滯后環(huán)曲線eeessaeapaaanEK=+=+()1DDDDDeeess=+=+epnEK221()單調(diào)載荷下的彈塑性冪硬化應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系：6) 材料的力學(xué)性能：7斷裂性能： 平面應(yīng)變斷裂韌

4、性 K1C裂紋擴展性能： 門檻應(yīng)力強度因子 Kth； 疲勞裂紋擴展速率 da/dN=C(K)m材料的疲勞性能：( R=-1) S-N曲線 SmN=C e-N曲線eeeseaeapafbfcENN=+=+()()2287) 斷裂三要素與斷裂判據(jù)對于承受拉伸的無限寬中心裂紋板， f=1；對于無限寬單邊裂紋板， f=1.12。裂紋尺寸和形狀作用應(yīng)力材料斷裂韌性K1C 斷裂三要素 或 KK1CKfaWa=(,)LspKc1斷裂判據(jù)：抗力作用應(yīng)力強度因子K是斷裂控制參量。9 8) 線彈性斷裂力學(xué)給出裂尖應(yīng)力趨于無窮大， 故裂尖附近的材料必然要發(fā)生屈服。 Irwin給出的塑性區(qū)尺寸R為：21)(12 ys

5、pKrRsap=221a(平面應(yīng)力)(平面應(yīng)變)(7-4)平面應(yīng)變情況下塑性區(qū)尺寸約為平面應(yīng)力的1/3。 9) 臨界CTOD值(c)可作為彈塑性斷裂材料參數(shù)。 以CTOD為控制參量的彈塑性斷裂判據(jù)為： ddc1011) 初始裂紋尺寸a0對壽命有很大的影響。12) Keff是控制da/dN的更本質(zhì)的參量。 Keffeff=max-op10) 疲勞裂紋擴展: da/dN的控制參量是K; da/dN-K曲線有下限Kth, 上限(1-R)Kc。 Paris公式： da/dN=C(K)mlg da/dN1 2 310-5 -610-9lg ( K)DcK=(1-R)K=(1-R)KmaxthDK1114

6、) 任何預(yù)測方法都只能給出統(tǒng)計正確的 平均疲勞壽命。13) 拉伸平均應(yīng)力有害。 引入殘余壓應(yīng)力可改善疲勞性能。 拉伸高載作用，會引起后續(xù)裂紋擴展 遲滯。1216) 耐久性設(shè)計三要素： IFQ、SCGMC 和 P(t,x)。 目標(biāo)是：估計經(jīng)濟壽命； 實現(xiàn)設(shè)計-制造-使用-維修的綜合控制。15) 損傷容限設(shè)計的三要素為： 剩余強度、損傷增長和檢查周期。 目標(biāo)是：以檢查控制損傷程度， 保證結(jié)構(gòu)安全。13 恒幅載荷 S ，R=-1 基本疲勞性能 S-N曲線實驗研究平均應(yīng)力的影響 Goodman直線 缺口影響尺寸、光潔度 等影響 構(gòu)件S-N曲線（各種修正）無限壽命設(shè)計壽命預(yù)測 變幅載荷 Miner累積損

7、傷理論安全壽命設(shè)計 隨機載荷 雨流計數(shù)法三、基本方法A) 應(yīng)力壽命法14A3) 變幅載荷下的損傷累積： Miner理論 D=Di=(ni/Ni)=1 相對Miner理論 NA=NB(n/N)B/(n/N)AA1) 隨機譜 變幅塊譜： 簡化雨流計數(shù)法A2) 不同R下，Sa-Sm關(guān)系的等壽命轉(zhuǎn)換： Goodman方程： (Sa /Sa(R=-1)+(Sm /Su)=115恒幅疲勞應(yīng)力比 R應(yīng)力幅 Sa已知材料的基本S-N曲線R=-1YesSaS-1Sm=(1+R)/(1-R)SaNoNfYesNo求壽命Nf=C/Sa由Goodman直線： (Sa/S-1)+(Sm/Su)=1求Sa(R=-1)疲勞

8、裂紋萌生壽命分析：隨機載荷計數(shù)法Miner 理論DnNii=1變幅載荷16特例： 若載荷為恒幅對稱應(yīng)變循環(huán)，m=0， 可直接由已知的a估算壽命。循環(huán)響應(yīng)計算a和m穩(wěn)態(tài)環(huán)估算壽命 2N已知 、歷程B) 應(yīng)變壽命方法：esseafmbfcENN=-+()()2217B1) 循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)計算方法：第一次加載，由a-a曲線描述，已知a算a。后續(xù)反向，由De-Ds曲線描述； 由譜中已知的De算相應(yīng)的Ds，且有： ei+1 =ei Dei-i+1 ； si+1=si Dsi-i+1 加載變程用“+”, 卸載用“-”。注意材料記憶特性, 封閉環(huán)不影響其后的響應(yīng)，去掉封閉環(huán)按原路徑計算。雨流法可作參考。

9、 依據(jù)計算數(shù)據(jù)(i ,si ), 畫出s-響應(yīng)曲線。18在這里19Neuber雙曲線應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系已知Kt、S 或e應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系 求S或e聯(lián)立求解s和eB2) 缺口局部應(yīng)力-應(yīng)變計算：Neuber雙曲線： se=Kt2eS 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系： e=(s/E)+(s/K)1/n201)第一次加載，已知S1或e1，求e1或S1 ； 由循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線和Neuber雙曲線: e1=(s1/E)+(s1/K)1/n s1e1=Kt2S1e1B3) 缺口疲勞壽命分析計算步驟為：聯(lián)立求解s1和e1。2) 其后反向，已知DS或De，由滯后環(huán)曲線 De=(DS/E)+2(DS/K)1/n 求De或DS； 再由

10、滯后環(huán)曲線和Neuber雙曲線: DsDe=Kt2DSDe De=(Ds/E)+2(Ds/K)1/n聯(lián)立求解Ds、De。21 3) 第i點對應(yīng)的缺口局部si、ei為： si+1=siDsi-i+1； ei+1=eiDei-i+1 式中，加載時用“+”，卸載時用“-”。4) 確定穩(wěn)態(tài)環(huán)的應(yīng)變幅ea和平均應(yīng)力sm。 ea=(emax-emin)/2； sm=(smax+smin)/25) 利用e-N曲線估算壽命。esseafmbfcENN=-+()()2222C) 抗斷設(shè)計方法(LEFM)1) 已知、a，算K，選擇材料，保證不發(fā)生斷裂；基本方程：KfaWa=(,)LspKc12) 已知a、材料的K

11、1c，確定允許使用的工作應(yīng)力；3) 已知、K1c，確定允許存在的最大裂紋尺寸a。臨界情況：KfaWa=(,)Lsp=Kc1c23D) 裂紋擴展壽命估算方法應(yīng)力強度因子：afK=ps中心裂紋寬板 f=1；單邊裂紋寬板 f=1.12臨界裂紋尺寸：裂紋不擴展條件： K= f(a0) KthParis公式： da/dN=C(K)m 積分得：D-D=-)ln()(111)15.0()(1015.015.00aafCaamfCNCmmCmmCpspsm=2m224基本疲勞分析方法的比較 應(yīng)力疲勞法 應(yīng)變疲勞法 斷裂力學(xué)法方法SSy； NNt SmN=C;Sa/S-1+Sm/Su=1 D=n/N=1相對Mi

12、ner理論NA=NB 無限壽命設(shè)計 SSf(n/N)B(n/N)ASSy； NNt ea=sa/E+(sa/K)1/nDe=Ds/E +2(Ds/2K)1/nNeuber曲線: DsDe=Kt2DSDeeeeaeapa=+=sefbfcENN+()()22SSy;rpa,裂紋不擴展: KKth臨界裂紋： Kmax=KcParis公式： da/dN =C(K)m25 應(yīng)力疲勞法 應(yīng)變疲勞法 斷裂力學(xué)法優(yōu)點1、材料參數(shù) 少，易于 獲取。2、分析方法 簡單。3、有大量的 數(shù)據(jù)積累1.能描述循環(huán)應(yīng) 力應(yīng)變響應(yīng)。2.可考查載荷次 序影響。3.利于缺口疲勞 分析。4.利于疲勞-蠕變 混合分析。1.可考慮裂

13、紋擴 展。利于控制2.對擴展機理有 較好物理解釋3.可控制初始損 傷，檢查周期 使用載荷等， 以保證安全。26 應(yīng)力疲勞法 應(yīng)變疲勞法 斷裂力學(xué)法缺點1. 經(jīng)驗性，不 考慮裂紋。2. 材料參數(shù)與 試件幾何、 載荷形式有 關(guān)，通用性 較差。3. 缺口效應(yīng)難 于分析。1. 分析計算 較復(fù)雜。2. 只考慮裂 紋萌生。3. 缺口分析 過于偏保 守。1. 不研究裂紋起 始。2. a0往往難于估 計。3. 構(gòu)件幾何復(fù)雜 時難算K。4. LEFM不滿足 時要用EPFM.27 應(yīng)力疲勞法 應(yīng)變疲勞法 斷裂力學(xué)法應(yīng)用1. 長壽命構(gòu)件 如傳動軸、 彈簧、齒輪 等。2. 高強材料, SSy, ac小3. 初步設(shè)計估 算。4. 與LEFM一 起作全壽命 分析。1. 構(gòu)件N小， 塑性應(yīng)變大 如低強結(jié)構(gòu) 鋼缺口件。2. 高溫、大應(yīng) 變情況。3. 高應(yīng)力集中 情況。4. 與LEFM一 起作全壽命 分析。1. 大型，重要結(jié) 構(gòu)件，如飛機 結(jié)構(gòu)，核反應(yīng) 堆，壓力容器2. 預(yù)先有裂紋存 在的結(jié)構(gòu)，如 大型焊、鑄件3. 尖缺口壽命。 （近似裂紋）28四、抗疲勞設(shè)計 整 體 框 圖29疲勞試驗斷口數(shù)據(jù) 三要素：初始疲勞質(zhì)量損傷增長結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)經(jīng)濟壽命判據(jù)經(jīng)濟修理期全部細(xì)節(jié)整體分析一個或幾個最嚴(yán)重細(xì)節(jié)的典型分析三要素：剩余