疲勞載荷及分析報告理論譜壽命設(shè)計累積損傷

TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第3章疲勞載荷及分析理論 1\o"CurrentDocument"疲勞載荷譜 1\o"CurrentDocument"疲勞載荷譜及其編譜 1\o"CurrentDocument"統(tǒng)計分析方法 2\o"CurrentDocument"疲勞累積損傷理論 3\o"CurrentDocument"3.2.1概述 3\o"CurrentDocument"線性累積損傷理論 4\o"CurrentDocument"3.3起重機疲勞計算常用方法 5\o"CurrentDocument"3.3.1應(yīng)力比法 6\o"CurrentDocument"應(yīng)力幅法 6\o"CurrentDocument"3.4疲勞壽命設(shè)計方法 7\o"CurrentDocument"3.4.1無限壽命設(shè)計 7\o"CurrentDocument"安全壽命設(shè)計 8\o"CurrentDocument"損傷容限設(shè)計 8\o"CurrentDocument"概率疲勞設(shè)計 9\o"CurrentDocument"小結(jié) 10第3章疲勞載荷及分析理論□□□□□ (fatigueloadspectrum)□□□□□□□□□□□□□□□□究對象的不同，施加在對象上的疲勞載荷也是不同的，所以在應(yīng)用時要依據(jù)某種統(tǒng)計分析方法和理論進行分析。疲勞載荷譜疲勞載荷譜及其編譜載荷分為靜載荷和動載荷兩大類。動載荷又分為周期載荷、非周期載荷和沖擊載荷。周期載荷和非周期載荷可統(tǒng)稱為疲勞載荷。在很多情況下，作用在結(jié)構(gòu)或機械上的載荷是隨時間變化的，這種加載過程稱為載荷—時間歷程。由于隨機載荷的不確定性，這種譜無法直接使用，必須對其進行統(tǒng)計處理。處理后的載荷—時間—歷程稱為載荷譜。載荷譜是具有統(tǒng)計特性的圖形，它能本質(zhì)地反映零件的載荷變化情況[]。為了估算結(jié)構(gòu)的使用壽命和進行疲勞可靠性分析，以及為最后設(shè)計階段所必需的全尺寸結(jié)構(gòu)和零部件疲勞試驗，都必須有反映真實工作狀態(tài)的疲勞載荷譜。實測的應(yīng)力—時間歷程包含了外加載荷和結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)的影響，它不僅受結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的影響，而且也受應(yīng)力—時間歷程的觀測部位的影響。將實測的載荷—時間歷程處理成具有代表性的典型載荷譜的過程稱為編譜。編譜的重要一環(huán)，是用統(tǒng)計理論來處理所獲得的實測子樣[]。統(tǒng)計分析方法對于隨機載荷，統(tǒng)計分析方法主要有兩類：計數(shù)法和功率譜法 []。由于產(chǎn)生疲勞損傷的主要原因是循環(huán)次數(shù)和應(yīng)力幅值，因此在編譜時首先必須遵循某一等效損傷原則，將隨機的應(yīng)力—時間歷程簡化為一系列不同幅值的全循環(huán)和半循環(huán)，這一簡化的過程叫做計數(shù)法。功率譜法是借助富氏變換，將連續(xù)變化的隨機載荷分解為無限多個具有各種頻率的簡單變化，得出功率譜密度函數(shù)。在抗疲勞設(shè)計中廣泛使用計數(shù)法。目前，已有的計算法有十余種之多，同一應(yīng)力—時間歷程用不同計數(shù)法編制出的載荷譜有時會差別很大。 當(dāng)然，按照這些載荷譜來進行壽命估算或試驗，也會給出不同的結(jié)果。從統(tǒng)計觀點上看，計數(shù)法大體分為兩類：單參數(shù)法和雙參數(shù)法[]。所謂單參數(shù)法是指只考慮應(yīng)力循環(huán)中的一個變量， 例如，峰谷值、變程（相鄰的峰值與谷值之差） ，而雙參數(shù)法則同時考慮兩個變量。由于交變載荷本身固有的特性， 對任一應(yīng)力循環(huán)， 總需要用兩個參數(shù)來表示。 其代表是雨流計數(shù)法。雨流計數(shù)法是目前在疲勞設(shè)計和疲勞試驗中用的最廣泛的一種計數(shù)方法，是對隨機信號進行計數(shù)的一種方法的一種。雨流計數(shù)法與變程對—均值計數(shù)法一樣具有比較嚴(yán)格的力學(xué)基礎(chǔ)，計數(shù)結(jié)果介于峰值法和變程法之間，提供比較符合實際的數(shù)據(jù)。雨流法是建立在對封閉的應(yīng)力—應(yīng)變遲滯回線逐個計數(shù)的基礎(chǔ)上，它認(rèn)為塑性的存在是疲勞損傷的必要條件，從疲勞觀點上看它比較能夠反映隨機載荷的全過程。由載荷—時間歷程得到的應(yīng)力—應(yīng)變遲滯回線與造成的疲勞損傷是等效的 []。應(yīng)該指出，所有現(xiàn)行計數(shù)法均未記及載荷循環(huán)先后次序的信息資料。因為載荷先后次序的影響總是存在的，但如果將簡化后的程序載荷譜的周期取短一些，則載荷先后次序的影響會減小至最小程度，這點已被荷蘭國家宇航實驗室的試驗結(jié)果證實[]。3.2疲勞累積損傷理論3.2.1概述在疲勞研究過程中，人們早就提出了“損傷”這一概念。所謂損傷，是指在疲勞過程中初期材料內(nèi)的細微結(jié)構(gòu)變化和后期裂紋的形成和擴展[]。累積損傷規(guī)律是疲勞研究中最重要的課題之一，它是估算變幅載荷作用下結(jié)構(gòu)和零件疲勞壽命的基礎(chǔ)。大多數(shù)結(jié)構(gòu)和零件所受循環(huán)載荷的幅值都是變化的，也就是說，大多數(shù)結(jié)構(gòu)和零件都是在變幅載荷下工作的。變幅載荷下的疲勞破壞，是不同頻率和幅值的載荷所造成的損傷逐漸累積的結(jié)果。因此，疲勞累積損傷是有限壽命設(shè)計的核心問題。當(dāng)材料承受高于疲勞極限的應(yīng)力時，每一個循環(huán)都使材料產(chǎn)生一定的損傷，□□□□□□□□□□□□□□ 1N□□□□□□□□□□□, n□□□□□□□□□□□□□□□□□ C€nN□□□□□□□□ D□□□□□□□□,□D=lLn/N,廠ii€1其中: l 變幅載荷的應(yīng)力水平等級n 第i級載荷的循環(huán)次數(shù)iN 第i級載荷下的疲勞壽命i□□□□□□□□□□ D時，即D=lLn/N€D時，□□□□□□□□f 廠i fi€1為臨界損傷和，簡稱損傷和。不同研究者根據(jù)他們對損傷累積方式的不同假設(shè)，提出了不同的疲勞累積

損傷理論（fatiguedamagecumulativerules）□□□□,□□□□□□□□□損傷理論不下數(shù)十種。這些理論歸納起來大致可以分為以下四大類 [18]：（1）線性疲勞累積損傷理論：這種理論假定材料各個應(yīng)力水平下的疲勞損□□□□□□□,□□□□□□□□□□□□□□□□□□ Miner□□,□及□□□□□□ Miner□□□□□ Miner□□□（2）雙線性累積損傷理論：這種理論認(rèn)為材料疲勞過程初期和后期分別按□□□□□□□□□□□□□□□□□□□ Manson□□□□□□□□□□□（3）非線性累積損傷理論：這種理論假定載荷歷程與損傷之間存在著相互干涉作用，即各個載荷所造成的疲勞損傷與其以前的載荷歷史有關(guān)。最具代表□□□□□□□□ Corten-Dolan理論。（4）其它累積損傷理論：這些理論大多是從實驗、觀測和分析歸納出來的□□□□□□□□□□ Levy理論和Kozin理論等。線性累積損傷理論在很多實際結(jié)構(gòu)， 它們常承受隨機載荷， 其最大和最小應(yīng)力值經(jīng)常在變化，□□□□□□□□□□□□□□□□，□了 S—N□□，□□□□□□□□□□損傷準(zhǔn)則。在工程中最常用的仍為線性累積損傷準(zhǔn)則。Miner法則線性累積損傷理論認(rèn)為每個應(yīng)力循環(huán)下的疲勞損傷是獨立的，總損傷等于每個循環(huán)下的損傷之和，當(dāng)總損傷達到某一數(shù)值時，構(gòu)件即發(fā)生破壞。線性疲勞累積損傷理論中最具有代表性的是其數(shù)學(xué)表達式為：當(dāng)臨界損傷和改為一個不是表達式為：D =1Ni=勞累積損傷理論中最具有代表性的是其數(shù)學(xué)表達式為：當(dāng)臨界損傷和改為一個不是表達式為：D =1Ni=1 i1的其它常數(shù)時，則稱為修正Miner法則，其i=1 i式中a為常數(shù)。很多研究者建議當(dāng)式中a為常數(shù)。很多研究者建議當(dāng)a值取0.7時，其壽命估算結(jié)果比Miner公式計算更安全，從總體上看其壽命估算精度也有所提高。相對 Miner理論

根據(jù)對臨界損傷和D的深入研究，發(fā)現(xiàn)影響疲勞壽命估算準(zhǔn)確性的因素有f很多，例如損傷的非線性、載荷順序效應(yīng)、材料的硬化和軟化、裂紋閉合效應(yīng)等等。而 Miner□□□□□□□□□□□□□□□□□,□□□□□□,□□似載荷譜下的實驗值進行壽命估算，就可以大大提高其壽命估算精度，這種方□□□□□ Miner□□□□□□□□□□□□□□,□□□□□□□□□□□修正計算的偏差。相對Miner□□□□□□□□□□□□□ []：(N)(N)€(N)exPPpcalep(N')calep式中：(N) 給定可靠度時計算譜的預(yù)測壽命；p(N) 給定可靠度時相似譜的實測壽命；expp(N) 給定可靠度時計算譜的經(jīng)典方法計算壽命；calep(N') 給定可靠度時相似譜的經(jīng)典方法計算壽命。calep相對Miner□□□□□□□□ Miner□□□□□□□□, □□□□□□□,□□□□□□□□□□□□ a€1□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□異等非統(tǒng)計不確定性，使疲勞估算結(jié)果的準(zhǔn)確性得到了提高，能大幅度消除Miner法則計算數(shù)值引起的誤差，提高其計算精度。3.3起重機疲勞計算常用方法隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，起重機在設(shè)計理論上有了較大的發(fā)展。當(dāng)前，世界上很多國家都制訂有起重機標(biāo)準(zhǔn)。具有代表性的有日本、德國、美國、英國等國家的是應(yīng)力比法[21]。不論是應(yīng)力比法還是應(yīng)力幅法，的是應(yīng)力比法[21]。不論是應(yīng)力比法還是應(yīng)力幅法，它們的應(yīng)力循環(huán)參數(shù)是一致的，□□□□□□□□ F.E.M.、ISO、IEC等國際標(biāo)準(zhǔn)[19]。根據(jù)各國起重機金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范規(guī)定，當(dāng)起重機金屬結(jié)構(gòu)的工作級別為A6,A7,A8□，必□□□□□□□接)進行疲勞強度計算 [20]。對鋼結(jié)構(gòu)進行疲勞計算，可以采用應(yīng)力比法或者應(yīng)力幅法，其中應(yīng)用更廣泛都是由最大應(yīng)力€和最小應(yīng)力€兩個獨立變量演繹出來的。maxmin3.3.1應(yīng)力比法所謂應(yīng)力比，即為極值應(yīng)力之間的比值。代數(shù)值（拉應(yīng)力取正號，壓應(yīng)力取負號可以寫成：以起重機具有代表性的實際預(yù)期正常工作狀態(tài)下maxmin都是由最大應(yīng)力€和最小應(yīng)力€兩個獨立變量演繹出來的。maxmin3.3.1應(yīng)力比法所謂應(yīng)力比，即為極值應(yīng)力之間的比值。代數(shù)值（拉應(yīng)力取正號，壓應(yīng)力取負號可以寫成：以起重機具有代表性的實際預(yù)期正常工作狀態(tài)下maxmin），€為絕對值較高的極值應(yīng)力，max則比值 KK=€ /€min■ max(4-3)(□□□□□□□□□□□如果€和€是這些極值應(yīng)力的K定為應(yīng)力循環(huán)特件），計算結(jié)構(gòu)最大、最小應(yīng)力。把最小應(yīng)力與最大應(yīng)力的比值性，并根據(jù)這一應(yīng)力循環(huán)特性和相關(guān)的公式計算疲勞許用應(yīng)力。若最大應(yīng)力未超出疲勞許用應(yīng)力值，即：€max(4-4)若上式成立，則認(rèn)為不會發(fā)生疲勞破壞疲勞許用應(yīng)力 [€]疲勞許用應(yīng)力 [€]要考慮應(yīng)力比、a目前，我國的《起重機設(shè)計規(guī)范》結(jié)構(gòu)連接形式、循環(huán)次數(shù)和材料等的影響。（GB3811-83）、《歐洲起重機設(shè)計規(guī)范》(F.E.M標(biāo)準(zhǔn)1998年修訂版）和德國 DIN標(biāo)準(zhǔn)1998年修訂版應(yīng)力幅法所謂應(yīng)力幅，即為最大應(yīng)力和最小應(yīng)力代數(shù)差，即A€=€ ?€ =（1一K）€ （4-5）maxminmax英國 BS標(biāo)準(zhǔn)、 日本JIS標(biāo)準(zhǔn)和美國 ASMENOG-1-2002 規(guī)范用的都是應(yīng)力幅法。國外的起重機設(shè)計規(guī)范中，有兩種應(yīng)力幅方法用于起重機金屬結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計。（1）在起重機結(jié)構(gòu)疲勞計算的工況下，計算結(jié)構(gòu)的最大、最小應(yīng)力的應(yīng)力

幅度（最大應(yīng)力-最小應(yīng)力 ）不應(yīng)大于許用應(yīng)力幅度值。美國國家標(biāo)準(zhǔn)《橋式起重機結(jié)構(gòu)規(guī)范》 （ASMENOG-1-2002）規(guī)定用此法進行結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計。□2□以 Miner□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□除了上述兩種方法外，目前還有一些科研人員利用疲勞的損傷容限設(shè)計方法對起重機結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋和壽命之間的關(guān)系做了大量研究，并運用于實際。但此法尚未普遍推廣。3.4疲勞壽命設(shè)計方法現(xiàn)在廣泛使用的疲勞壽命設(shè)計方法主要有以下幾種：無限壽命設(shè)計，安全壽命設(shè)計，損傷容限設(shè)計，概率疲勞設(shè)計。3.4.1無限壽命設(shè)計在19世紀(jì)40年代，鐵路車輛輪軸在重復(fù)交變載荷的作用下，發(fā)生了破壞，由此，人們開始認(rèn)識到疲勞破壞。經(jīng)一系列實驗研究后指出：對于疲勞，應(yīng)力幅比構(gòu)件承受的應(yīng)力更重要。對于無裂紋構(gòu)件，控制其應(yīng)力水平使其小于疲勞持久極限S，□不□□□□□□□□□□□□□□ (Infinitelifedesign)的f條件為：S€S對于需要經(jīng)歷無限次循環(huán)的零構(gòu)件，如發(fā)動機氣缸閥門、頂桿、長期頻繁運行的輪軸等，無限壽命設(shè)計仍是一種簡單而合理的方法。研究裂紋擴展的結(jié)果指出，裂紋擴展的參量應(yīng)力強度因子幅度也存在一個

臨界值 €K（圖3-1），它由實驗測定。對于已存在裂紋的構(gòu)件，控制其強度因th子令其小于臨界值，則有裂紋但是不會擴展，同樣可實現(xiàn)無限壽命設(shè)計。安全壽命設(shè)計(Safelifedesign)□Miner□□的(Safelifedesign)□Miner□□的變幅載荷作用下的疲勞損傷累積方法和判據(jù)，使變幅作用下的疲勞壽命預(yù)測成在k在k個應(yīng)力水平作用下，壞。設(shè)零構(gòu)件在應(yīng)力水平S作用下，經(jīng)受了N次循環(huán)，ii□□□□□□□ D<1,□□□□□□□□□□□□□□□D，?D，?n.'Ni iii，1 i-1由于考慮疲勞數(shù)據(jù)的分散性和其它未知因素的影響，安全壽命設(shè)計須考慮安全系數(shù)。在設(shè)計中可對壽命取安全系數(shù)，也可以對應(yīng)力取安全系數(shù)，或者都要滿足兩種安全系數(shù)。有限壽命設(shè)計只保證零構(gòu)件在規(guī)定的使用期限內(nèi)能夠安全使用，因此，它允許零構(gòu)件的工作應(yīng)力超過其疲勞極限，從而自重可以減輕，當(dāng)前許多機械產(chǎn)品都倡導(dǎo)這種設(shè)計方法，如航空發(fā)動機、汽車等對自重有較高要求的產(chǎn)品。損傷容限設(shè)計損傷容限設(shè)計 （Damagetolerancedesign）抗疲勞設(shè)計方法是在斷裂力學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的疲勞分析方法。假定零構(gòu)件材料內(nèi)有初始缺陷 （裂紋）,以斷裂力學(xué)為理論基礎(chǔ)，以斷裂韌性試驗和無損檢測技術(shù)為手段，對有初始裂紋的零件，估算其剩余壽命。只要掌握裂紋擴展的規(guī)律，并采取裂紋監(jiān)視和正確的斷裂控制措施，剩余壽命是可以安全地加以利用的。斷裂判據(jù)為：W丿W丿maxc材料的斷裂韌性；式中： a 臨界裂紋尺寸；

材料的斷裂韌性；f 幾何修正系數(shù)；從工程檢測裂紋尺寸a到臨界i長度a的擴展時間，為裂紋檢測期。c在檢查期內(nèi)，合理安排檢查，以保證裂紋擴展到臨界尺寸之前被檢查出來并修復(fù)。如圖 3-2所示。而損傷修復(fù)之后，結(jié)構(gòu)的剩余強度也重新恢復(fù)，進入下一使用期。斷裂控制包括精心選材、合