疲勞可靠性設(shè)計(jì)PPT課件

1、1 在一百多年前，隨著蒸汽機(jī)的出現(xiàn)和鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，機(jī)車(chē)車(chē)軸經(jīng)常發(fā)生意外的破壞，即在滿足靜強(qiáng)度的條件下，經(jīng)歷了一段時(shí)間的使用，會(huì)突然發(fā)生斷裂。 二次世界大戰(zhàn)前后，約有20 架英國(guó)惠靈頓號(hào)重型轟炸機(jī)疲勞破壞 機(jī)械結(jié)構(gòu)在滿足靜強(qiáng)度時(shí),仍發(fā)生疲勞破壞 在交變應(yīng)力遠(yuǎn)小于極限強(qiáng)度的情況下，破壞也可能發(fā)生 靜強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)不包含壽命問(wèn)題第1頁(yè)/共40頁(yè)2疲勞失效的特征 疲勞失效的特征 在交變應(yīng)力遠(yuǎn)小于極限強(qiáng)度的情況下，破壞也可能發(fā)生 疲勞破壞不是立即發(fā)生，而是要經(jīng)歷一段時(shí)間，甚至是很長(zhǎng)的時(shí)間 疲勞破壞前，即使對(duì)于塑性材料，也像脆性材料一樣沒(méi)有顯著的殘余變形，即無(wú)顯著塑性變形的脆性斷裂。因此事先的維護(hù)和檢修

2、不易察覺(jué)出來(lái)，這就表現(xiàn)出疲勞破壞的危險(xiǎn)性。第2頁(yè)/共40頁(yè)3疲勞破壞斷口 起點(diǎn) 在某一點(diǎn)產(chǎn)生微小的裂紋：“疲勞源” 發(fā)生在局部高應(yīng)力或高應(yīng)變區(qū)域 裂紋形成區(qū) 放射區(qū) 光滑區(qū) 裂紋快速擴(kuò)展區(qū) 最后破壞區(qū) 粗糙區(qū) 大量滑移位移第3頁(yè)/共40頁(yè)4疲勞失效的斷口特征第4頁(yè)/共40頁(yè)5疲勞裂紋形成機(jī)理 累積損傷破壞過(guò)程 疲勞裂紋的萌生 在交變載荷作用下，材料發(fā)生局部滑移。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，滑移線在某些局部區(qū)域內(nèi)變粗，并形成滑移帶，其中一部分滑移帶為駐留帶。進(jìn)一步增加循環(huán)次數(shù)，駐留滑移帶上可以形成擠出峰、擠入槽現(xiàn)象，這就是疲勞裂紋的萌生。 表面缺陷或材料內(nèi)部缺陷起著尖缺口的作用，使應(yīng)力集中，促進(jìn)疲勞裂紋

3、的形成。 實(shí)際工程構(gòu)件的疲勞裂紋大都在零件表面缺陷、晶界或第二相粒子處萌生。第5頁(yè)/共40頁(yè)6疲勞裂紋形成機(jī)理 裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展 疲勞裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展按其形成機(jī)理與特征的不同又可分為兩個(gè)階段： 1疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展第一階段 疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展的第一階段是在裂紋萌生后，在交變載荷作用下立即沿著滑移帶的主滑移面向金屬內(nèi)部伸展。此滑移面的取向大致與正應(yīng)力成45角，這時(shí)裂紋的擴(kuò)展主要是由于切應(yīng)力的作用。 2疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展第二階段 疲勞裂紋按第一階段方式擴(kuò)展一定距離后，將改變方向，沿著與正應(yīng)力相垂直的方向擴(kuò)展。此時(shí)正應(yīng)力對(duì)裂紋的擴(kuò)展產(chǎn)生重大影響。這就是疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展的第二階段。疲勞裂紋擴(kuò)展第二階段斷面上最重要

4、的顯微特征是疲勞條帶，又稱疲勞輝紋。 裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展導(dǎo)致的迅速斷裂 疲勞裂紋擴(kuò)展的一、二階段示意圖第6頁(yè)/共40頁(yè)7疲勞失效判據(jù) 無(wú)限壽命設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)應(yīng)力低于疲勞極限 安全壽命設(shè)計(jì) 在規(guī)定的使用期限內(nèi)不能產(chǎn)生疲勞裂紋 破損安全設(shè)計(jì) 裂紋被檢出之前，裂紋不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)破壞。這要求裂紋及時(shí)檢出，并發(fā)展速度較慢。 損傷容限設(shè)計(jì) 首先假設(shè)結(jié)構(gòu)中預(yù)先存在裂紋，再用斷裂力學(xué)的方法計(jì)算分析這些裂紋的擴(kuò)展規(guī)律。此種方法適用于裂紋擴(kuò)展速率較慢，且具有高韌性的材料。第7頁(yè)/共40頁(yè)8基本概念 交變應(yīng)力 應(yīng)力循環(huán) 應(yīng)力的每一個(gè)周期性變化稱做一個(gè)應(yīng)力循環(huán) “最大應(yīng)力”、 “最小應(yīng)力” 、“平均應(yīng)力 ” 在應(yīng)力循環(huán)中，

5、兩個(gè)極值中代數(shù)值較大的一個(gè) 在應(yīng)力循環(huán)中，兩個(gè)極值中代數(shù)值較小的一個(gè) 最大應(yīng)力和最小應(yīng)力的代數(shù)平均值第8頁(yè)/共40頁(yè)9疲勞可靠性基本概念 穩(wěn)定性變應(yīng)力第9頁(yè)/共40頁(yè)10疲勞可靠性基本概念 規(guī)律性不穩(wěn)定變應(yīng)力第10頁(yè)/共40頁(yè)11疲勞可靠性基本概念 隨機(jī)不穩(wěn)定變應(yīng)力第11頁(yè)/共40頁(yè)12疲勞可靠性基本概念第12頁(yè)/共40頁(yè)13S-N曲線 在交變應(yīng)力下，材料對(duì)疲勞的抗力一般用S N 曲線與疲勞極限來(lái)衡量。在一定的應(yīng)力比R 下，使用一組標(biāo)準(zhǔn)試樣，分別在不同的Smax 下施加交變載荷，直至破壞，記下每根試樣破壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)N 。以Smax 為縱坐標(biāo)，破壞循環(huán)次數(shù)N 為橫坐標(biāo)做出的曲線，就是材料在指定

6、應(yīng)力比R 下的S N 曲線。第13頁(yè)/共40頁(yè)14疲勞可靠性基本概念 疲勞強(qiáng)度S 對(duì)稱循環(huán)下某一指定循環(huán)次數(shù)N 對(duì)應(yīng)的Sa 值，叫做指定循環(huán)數(shù)N 下的“疲勞強(qiáng)度”，可見(jiàn)，只有給出（ S , N ）兩個(gè)量才能表示材料的疲勞強(qiáng)度。 疲勞壽命N 單位：小時(shí)、循環(huán)次數(shù)等 持久疲勞極限，指 r=-1 時(shí)的最大應(yīng)力第14頁(yè)/共40頁(yè)15等壽命曲線 當(dāng)改變應(yīng)力比R 時(shí)，材料的S N 曲線也發(fā)生變化。如給出若干個(gè)應(yīng)力比數(shù)值，即可得到該材料對(duì)應(yīng)于不同應(yīng)力比R 的S N 曲線族。 在常規(guī)穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力下的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)中，給定壽命下的疲勞強(qiáng)度常以等壽命圖（疲勞極限圖）代表，等壽命曲線需要大量的不同載荷循環(huán)特征(r不

7、同)下的疲勞試驗(yàn)獲得。第15頁(yè)/共40頁(yè)16等壽命圖 雖然已經(jīng)有了一些常用材料的等壽命曲線，但當(dāng)沒(méi)有時(shí)，就需要借助于各種簡(jiǎn)化的等壽命曲線。 第16頁(yè)/共40頁(yè)17等壽命圖第17頁(yè)/共40頁(yè)18P-S-N曲線 P-S-N曲線與S-N曲線相比，給出了對(duì)應(yīng)壽命下的疲勞強(qiáng)度的隨機(jī)分散特性和對(duì)應(yīng)疲勞強(qiáng)度下的疲勞壽命的分散特性。 給定應(yīng)力水平下，疲勞壽命的分布數(shù)據(jù)； 給定壽命下，疲勞強(qiáng)度的分布數(shù)據(jù)； 持久疲勞極限的分布數(shù)據(jù)第18頁(yè)/共40頁(yè)19高周疲勞和低周疲勞疲勞類型高周疲勞低周疲勞定義破壞循環(huán)數(shù)大于104105破壞循環(huán)數(shù)小于104105應(yīng)力低于彈性極限高于彈性極限塑性變形無(wú)明顯塑性變形有明顯塑性變形應(yīng)

8、力-應(yīng)變關(guān)系線性關(guān)系非線性關(guān)系設(shè)計(jì)變量應(yīng)力應(yīng)變第19頁(yè)/共40頁(yè)20影響疲勞強(qiáng)度的因素 工作條件 載荷特征（應(yīng)力狀態(tài)、循環(huán)特征、高載效應(yīng)等） 載荷交變頻率 使用溫度 環(huán)境介質(zhì) 材料特性 化學(xué)成分 金相組織 纖維方向 內(nèi)部缺陷 零件幾何形狀及表面狀態(tài) 缺口效應(yīng)：對(duì)疲勞強(qiáng)度影響極大。應(yīng)力集中點(diǎn)，形成疲勞源。 表面光潔度：對(duì)疲勞強(qiáng)度影響很大，表面缺陷降低疲勞強(qiáng)度。 尺寸效應(yīng)：尺寸增大而降低，可由對(duì)比試驗(yàn)測(cè)得。 表面防腐蝕：腐蝕造成表面粗糙，促使產(chǎn)生疲勞裂紋，降低疲勞強(qiáng)度。 表面熱處理及殘余應(yīng)力（表面冷作硬化、表面熱處理、表面涂層） 高頻淬火、氮化 、滲碳、噴丸強(qiáng)化、磙子滾壓第20頁(yè)/共40頁(yè)21結(jié)構(gòu)

9、件疲勞強(qiáng)度的分散特性 在常規(guī)疲勞強(qiáng)度計(jì)算中，結(jié)構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度可由材料標(biāo)準(zhǔn)試件的疲勞強(qiáng)度考慮各種修正系數(shù)得到。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可視各種影響因素相互獨(dú)立。 標(biāo)準(zhǔn)試件的疲勞強(qiáng)度；標(biāo)準(zhǔn)試件的疲勞強(qiáng)度； 尺寸系數(shù)；尺寸系數(shù)； 表面加工系數(shù)；表面加工系數(shù)； 表面強(qiáng)化系數(shù)；表面強(qiáng)化系數(shù)； 有效應(yīng)力集中系數(shù)；有效應(yīng)力集中系數(shù)；21frrkSSrS12fk第21頁(yè)/共40頁(yè)22結(jié)構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的分散特性 零件疲勞強(qiáng)度的均值和變異系數(shù)分別為：零件疲勞強(qiáng)度的均值和變異系數(shù)分別為：21frrkSS212212212222121frkfrfrfrfrSkSkSkSkS第22頁(yè)/共40頁(yè)23復(fù)合疲勞應(yīng)力復(fù)合強(qiáng)度干涉模型第23

10、頁(yè)/共40頁(yè)24疲勞應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型 復(fù)合疲勞應(yīng)力和復(fù)合疲勞強(qiáng)度的一維應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型 僅考慮應(yīng)力幅和平均應(yīng)力的分散特性（載荷循環(huán)特征值r為常數(shù)），在疲勞極限圖的等壽命圖上給出干涉模型 疲勞可靠性的計(jì)算與前面所述的靜強(qiáng)度應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型相同 穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力下的疲勞可靠性設(shè)計(jì)是其它交變載荷情況下疲勞可靠性分析的基礎(chǔ)，他們可以通過(guò)應(yīng)用等效損傷理論向穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力轉(zhuǎn)換。 Miner線性累積損傷理論 循環(huán)比：D=100%第24頁(yè)/共40頁(yè)25 從干涉模型圖中可看出，在恒定值下的復(fù)合從干涉模型圖中可看出，在恒定值下的復(fù)合疲勞強(qiáng)度：疲勞強(qiáng)度：其均值：其均值：標(biāo)準(zhǔn)差：標(biāo)準(zhǔn)差： 2122mafSSS2122m

11、afSSS21222222maSmSaSSSSSmaf疲勞可靠性分析設(shè)計(jì)方法第25頁(yè)/共40頁(yè)26復(fù)合疲勞應(yīng)力：復(fù)合疲勞應(yīng)力：其均值：其均值：標(biāo)準(zhǔn)差：標(biāo)準(zhǔn)差： 2122mafsss2122mafsss21222222masmsasssssmaf疲勞可靠性分析設(shè)計(jì)方法第26頁(yè)/共40頁(yè)27可靠度系數(shù)：可靠度系數(shù)：可靠度：可靠度： 2122ffsSffsS2122ffsSffsSR疲勞可靠性分析設(shè)計(jì)方法第27頁(yè)/共40頁(yè)28疲勞可靠性設(shè)計(jì)分析舉例疲勞可靠性設(shè)計(jì)分析舉例v例例10-3 如圖如圖10-11所示為某航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)軸，其承受交變彎矩和不變扭矩，所示為某航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)軸，其承受交變彎矩和

12、不變扭矩，受力情況如圖所示。現(xiàn)假設(shè)循環(huán)特征值為確定值，其疲勞強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)方法受力情況如圖所示?，F(xiàn)假設(shè)循環(huán)特征值為確定值，其疲勞強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)方法及步驟如下：及步驟如下：第28頁(yè)/共40頁(yè)29疲勞可靠性設(shè)計(jì)分析舉例疲勞可靠性設(shè)計(jì)分析舉例va. 提出設(shè)計(jì)問(wèn)題，給出任務(wù)剖面提出設(shè)計(jì)問(wèn)題，給出任務(wù)剖面 該軸的受力情況及結(jié)構(gòu)尺寸如圖該軸的受力情況及結(jié)構(gòu)尺寸如圖10-11所示。轉(zhuǎn)軸材料為所示。轉(zhuǎn)軸材料為40CrNiMoA鋼鋼調(diào)質(zhì)處理。轉(zhuǎn)子作用于軸的載荷為調(diào)質(zhì)處理。轉(zhuǎn)子作用于軸的載荷為F1 ，扭矩，扭矩Mr，轉(zhuǎn)子的重量為，轉(zhuǎn)子的重量為G。軸的一。軸的一端為花鍵連接，考慮可能對(duì)中不準(zhǔn)而引起徑向力為端為花鍵連

13、接，考慮可能對(duì)中不準(zhǔn)而引起徑向力為F2。軸的環(huán)境溫度為常溫。軸的環(huán)境溫度為常溫（2126），轉(zhuǎn)速為），轉(zhuǎn)速為n，要求壽命為，要求壽命為NL=10106時(shí)的可靠度為時(shí)的可靠度為R*，任務(wù)為，任務(wù)為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)軸直徑設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)軸直徑d使其滿足可靠度使其滿足可靠度R*。第29頁(yè)/共40頁(yè)30疲勞可靠性設(shè)計(jì)分析舉例疲勞可靠性設(shè)計(jì)分析舉例 b. 確定失效判據(jù) 該軸在交變應(yīng)力作用下工作，其失效模式為疲勞斷裂。應(yīng)力分析表明，A-A剖面為危險(xiǎn)部位。因此，應(yīng)根據(jù)該處的應(yīng)力水平進(jìn)行疲勞強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)。 根據(jù)疲勞情況下的變形能強(qiáng)度理論，該轉(zhuǎn)軸危險(xiǎn)部位的彎扭復(fù)合應(yīng)力為：第30頁(yè)/共40頁(yè)31疲勞可靠性設(shè)計(jì)分析舉例疲勞可靠性設(shè)計(jì)分析舉例第31頁(yè)/共40頁(yè)32疲勞可靠性設(shè)計(jì)分析舉例疲勞可靠性設(shè)計(jì)分析舉例第32頁(yè)/共40頁(yè)33疲勞可靠性設(shè)計(jì)分析舉例疲勞可靠性設(shè)計(jì)分析舉例第33頁(yè)/共40頁(yè)34疲勞可靠性設(shè)計(jì)分析舉例疲勞可靠性設(shè)計(jì)分析舉例第34頁(yè)/共40頁(yè)35疲勞可靠性設(shè)計(jì)分析舉例疲勞可靠性設(shè)計(jì)分析舉例第35頁(yè)/共40頁(yè)36疲勞可靠性設(shè)計(jì)分析舉例疲勞可靠性設(shè)計(jì)分析舉例