優(yōu)化與疲勞可靠性綜合

1、優(yōu)化與優(yōu)化與疲勞可靠性疲勞可靠性第11組 2. 疲勞可靠性優(yōu)化設計流程疲勞可靠性優(yōu)化設計流程優(yōu)化與疲勞可靠性優(yōu)化與疲勞可靠性1. 疲勞可靠性基礎疲勞可靠性基礎 1.1 疲勞損傷疲勞損傷1.2 疲勞應力疲勞應力1.3 影響疲勞強度的因素和舉例影響疲勞強度的因素和舉例3. 疲勞可靠性優(yōu)化實例疲勞可靠性優(yōu)化實例1.1 疲勞失效疲勞失效機械設計第11組 李鵬 疲勞疲勞 疲勞:材料在交變載荷(應力)作用下，經(jīng)過較長時間(或較多的應力循環(huán)周次)運轉(zhuǎn)后所發(fā)生的“突然”失效或破壞，統(tǒng)稱材料的疲勞現(xiàn)象。 其基本形式只有兩種，即其基本形式只有兩種，即由切應力引起的切由切應力引起的切斷疲勞斷疲勞及及由正應力引起的正

2、斷疲勞由正應力引起的正斷疲勞。材料的疲勞失效的基本特點：材料的疲勞失效的基本特點： (1)疲勞斷裂的突發(fā)性：疲勞斷裂的突發(fā)性：斷裂突然發(fā)生，無明顯預兆。 (2)疲勞斷裂應力很低：疲勞斷裂應力很低：疲勞條件下的破斷應力低于材料的抗拉強度。還低于材料的屈服強度。 (3) 疲勞斷裂是一個損傷積累的過程：疲勞斷裂是一個損傷積累的過程：一般都在疲勞裂紋擴展到一定長度后失穩(wěn)而發(fā)生突然破壞，而且疲勞斷裂過程在宏觀形貌上沒有留下明顯的塑性變形 (4)疲勞斷裂對腐蝕介質(zhì)的敏感性：疲勞斷裂對腐蝕介質(zhì)的敏感性：在腐蝕環(huán)境下材料的疲勞極限較在大氣條件下低得多，甚至就沒有所說的疲勞極限。 (5)疲勞斷裂對材料缺陷的敏感

3、性：疲勞斷裂對材料缺陷的敏感性：對產(chǎn)品表面的材料本身的缺陷高度敏感的疲勞裂紋最易產(chǎn)生在材料最薄弱處 疲勞斷口的疲勞斷口的宏觀形貌宏觀形貌結構結構 典型的疲勞斷口的宏觀形貌宏觀形貌結構可分為疲勞核心、疲勞源區(qū)、疲勞裂紋的選擇發(fā)展區(qū)、裂紋的快速擴展區(qū)及瞬時斷裂區(qū)五個區(qū)域 。疲勞斷口疲勞斷口微觀形貌微觀形貌 疲勞斷口微觀形貌微觀形貌的基本特征是在電子顯微鏡下觀察到的條狀花樣，通常稱為疲勞條痕、疲勞條帶、疲勞輝紋等。疲勞輝紋是具有一定間距的、垂直于裂紋擴展方向、明暗相交且互相平行的條狀花樣 。疲勞斷裂的形式 1、彎曲疲勞斷裂彎曲疲勞斷裂：單向彎曲疲勞、雙向彎曲疲勞及旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞。 共同點：初裂紋一般源

4、于表面，然后沿著與最大正應力垂直的方向向內(nèi)擴展，當剩余截面不能承受外加載荷時，構件發(fā)生突然斷裂。 2、拉壓疲勞斷裂拉壓疲勞斷裂：拉壓疲勞斷裂最典型例子是各種蒸汽錘的活塞桿在使用中發(fā)生的疲勞斷裂。 3 、扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂：各類傳動軸件的斷裂主要是扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。 4、振動疲勞斷裂振動疲勞斷裂： 當外部的激振力的頻率接近系統(tǒng)的固有頻率時，系統(tǒng)將出現(xiàn)激烈的共振現(xiàn)象。 5、接觸疲勞接觸疲勞19世紀世紀30-40年代，英國鐵路車輛輪軸在軸肩處年代，英國鐵路車輛輪軸在軸肩處 （應力僅為（應力僅為0.4 ys ys ）多次發(fā)生破壞；）多次發(fā)生破壞；19541954年年1 1月月, , 英國慧星英國慧星

5、(Comet)(Comet)號噴氣客機墜入地中號噴氣客機墜入地中 海（機身艙門拐角處開裂）；海（機身艙門拐角處開裂）；1967年年12月月15日，美國西弗吉尼亞的日，美國西弗吉尼亞的 Point Pleasant橋倒塌橋倒塌,46人死亡人死亡1980年年3月月27日，英國北海油田日，英國北海油田Kielland 號鉆井號鉆井 平臺傾復；平臺傾復；127人落水只救起人落水只救起 89人；人； 抗震模型試驗抗震模型試驗 （破壞部位、破壞形式、抗震能力）（破壞部位、破壞形式、抗震能力）1.2 疲勞應力疲勞應力機械設計第11組 呂博 疲勞損傷發(fā)生在受交變應力（或應變）作用的零件和構件上，零件和構件在低

6、于材料屈服極限的交變應力（或應變）的反復作用下，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)以后，在應力集中部位萌生裂紋，裂紋在一定條件下擴展，最終突然斷裂，這一失效過程稱為疲勞破壞。材料在疲勞破壞前所經(jīng)歷的應力循環(huán)數(shù)稱為疲勞壽命。 疲勞應力指在規(guī)定的循環(huán)應力幅值和大量重復次數(shù)下，材料所能承受的最大交變應力。疲勞強度模型疲勞強度模型S-N曲線曲線 1、S-N曲線 材料的疲勞性能用作用的應力范圍S與到破壞時的壽命N之間的關系描述，即S-N曲線。 壽命N定義為在給定應力比R下，恒幅載荷作用下循環(huán)到破壞的循環(huán)次數(shù)。 疲勞破壞有裂紋萌生，擴展至斷裂三個階段，這里破壞指的是裂紋萌生壽命。因此，破壞可以定義為： 1）標準小尺寸試件

7、斷裂。對于高、中強度鋼等脆性材料，從裂紋萌生到擴展至小尺寸圓截面試件斷裂的時間很短，對整個壽命的影響很小，考慮到裂紋萌生時尺度小，觀察困難，故這樣定義。 2）出現(xiàn)可見小裂紋，或有515應變量。對于延性較好的材料，裂紋萌生后有相當長的一段擴展階段，不應當計入裂紋萌生壽命。小尺寸裂紋觀察困難時，可以監(jiān)測恒幅循環(huán)應力作用下的應變變化。當試件出現(xiàn)裂紋后，剛度改變，應變也隨之變化，故可用應變變化量來確定是否萌生了裂紋。 材料疲勞性能試驗所用標準試件，（通常為710件），在給定的應力比R下，施加不同的應力范圍S，進行疲勞試驗，記錄相應的壽命N，即可得到圖示S-N曲線。NS 由圖可知，在給定的應力比下，應力

8、范圍S越小，壽命越長。當應力范圍S小于某極限值時，試件不發(fā)生破壞，壽命趨于無限長。 由S-N曲線確定的，對應于壽命N的應力范圍 ，稱為壽命為N循環(huán)的疲勞強度。壽命N趨于無窮大時所對應的應力范圍S，稱為材料的疲勞極限。 由于疲勞極限是由試驗確定的，試驗又不可能一直做下去，故在許多試驗研究的基礎上，所謂的無窮大一般被定義為： 鋼材，107次循環(huán) S-N曲線是對構件進行疲勞壽命預測的前提和基礎。由于疲勞試驗數(shù)據(jù)的離散性，使得疲勞應力-壽命間的曲線，并不是一一對應的單值關系，而是與存活率P緊密相連。前面提到的S-N曲線是中值疲勞壽命曲線，也就是存活率P為50%的S-N曲線。在許多情況下，尤其是構件的可

9、靠性設計中，根據(jù)實際要求，需要不同存活率的S-N曲線。要表達這些不同存活率的疲勞壽命曲線，就必須使用P-S-N曲線。P-S-N 曲線曲線 實踐表明，疲勞壽命分散性較大，因此必須進行統(tǒng)計分析，考慮存活率（即可靠度）的問題 。具有存活率p（如95%、99%、99.9%）的疲勞壽命Np的含義是 ：母體（總體）中有p的個體的疲勞壽命大于Np。而破壞概率等于（ 1 p ） 。常規(guī)疲勞試驗得到的S-N曲線是p=50%的曲線 。對應于各存活率的p的S-N曲線稱為p-S-N曲線。 1.3 影響疲勞強影響疲勞強度的因素和舉例度的因素和舉例機械設計第11組 王為東影響疲勞強度的因素影響疲勞強度的因素工作條件工作條

10、件尺寸的影響尺寸的影響材料成分及組織材料成分及組織表面狀態(tài)表面狀態(tài)1243影響疲勞強度的因素影響疲勞強度的因素123載荷頻率：對于高周疲勞，當在腐蝕或高溫條件下試驗時，載荷頻率：對于高周疲勞，當在腐蝕或高溫條件下試驗時，f對對疲勞極限有很大影響；但在溫室的干燥空氣中，影響很小，試疲勞極限有很大影響；但在溫室的干燥空氣中，影響很小，試驗頻率增加，疲勞極限及壽命稍有增加驗頻率增加，疲勞極限及壽命稍有增加溫度：溫度降低，疲勞強度升高；溫度升高，疲勞強度降低溫度：溫度降低，疲勞強度升高；溫度升高，疲勞強度降低腐蝕介質(zhì)：具有腐蝕性的環(huán)境介質(zhì)因使金屬表面產(chǎn)生蝕坑缺陷腐蝕介質(zhì)：具有腐蝕性的環(huán)境介質(zhì)因使金屬表

11、面產(chǎn)生蝕坑缺陷，將會降低材料的疲勞極限而產(chǎn)生腐蝕疲勞。，將會降低材料的疲勞極限而產(chǎn)生腐蝕疲勞。工作條件工作條件4次載鍛煉：低于疲勞極限的應力稱為次載。金屬在低于疲勞極次載鍛煉：低于疲勞極限的應力稱為次載。金屬在低于疲勞極限的應力下運轉(zhuǎn)一定次數(shù)后，可以提高疲勞極限，成為次載鍛限的應力下運轉(zhuǎn)一定次數(shù)后，可以提高疲勞極限，成為次載鍛煉。原因可能是由于應力應變循環(huán)產(chǎn)生的硬化及局部應力集中煉。原因可能是由于應力應變循環(huán)產(chǎn)生的硬化及局部應力集中松弛的結果。疲勞損傷累計假說松弛的結果。疲勞損傷累計假說影響疲勞強度的因素影響疲勞強度的因素 應力集中應力集中表面粗糙度表面粗糙度表面強化表面強化機件表面的缺口（轉(zhuǎn)

12、角，孔，螺紋，鍵槽）應力集中，往往是產(chǎn)生疲勞破壞的主要原因表面強化處理具有雙重作用：一是提高表層強度；二是提供表層殘余壓應力，疲勞強度試驗的結果表明，在零件表層中，引入一定的殘余應力，能大大提高零件的疲勞強度，這就是表面強化的理論依據(jù)。凡是引入殘余壓應力，都能提高其疲勞強度，反之。因此，采用表面強化工藝可以用價廉的材料制造出輕小高效的機器。表面強化的方法通常有表面噴丸和滾壓，材料表面淬火及表面化學熱處理等愈低，材料疲勞極限越高；愈高，疲勞極限愈低。材料強度愈高，表面粗糙度對疲勞極限的影響愈嚴重。.表面狀態(tài)表面狀態(tài)影響疲勞強度的因素影響疲勞強度的因素表面噴丸表面噴丸滾壓滾壓12影響疲勞強度的因素

13、影響疲勞強度的因素尺寸越大，材料的晶粒會愈粗、出現(xiàn)缺陷的幾率也就會愈大、機械加工后所形成的表面冷作硬化層相對較薄。 尺寸系數(shù)：，尺寸影響尺寸影響影響疲勞強度的因素影響疲勞強度的因素機件尺寸對疲勞強度也有較大的影響，在彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷作用下其影響更大。一般而言，1、試樣尺寸增大時，材料的疲勞極限降低；2、強度高的合金鋼，其尺寸影響比強度低的鋼的大；3、當應力分布不均勻性增大時，尺寸影響也增大。尺寸影響尺寸影響影響疲勞強度的因素影響疲勞強度的因素合金成分合金成分顯微組織顯微組織合金成分是決定組織結構的基本要素，在各類結構工程材料中，結構鋼的疲勞強度最高，所以應用廣泛。在結構鋼中，C是影響疲勞強度的重

14、要因素，當硬度大于HRC40，疲勞強度隨C的含量增加而增加，過高則降低。其他合金元素在鋼中的作用，主要通過提高鋼的淬透性和改善改善鋼的強韌性來影響疲勞強度1、細化晶粒能提高疲勞強度，另外，細化晶粒還可以提高滑移形變抗力，抑制循環(huán)滑移帶的形成和開裂，增加裂紋擴展的晶界阻力，這些都有利于提高疲勞強度；2、結構鋼的熱處理影響，分為正火組織，淬火組織和等溫淬火組織。一般正火組織因碳化物為片狀其疲勞強度最低，淬火回火組織因碳化物為粒狀其疲勞強度比正火高，而且隨回火溫度不同，其彌散碳化物的大小，數(shù)量及基體的強度也不同，從而疲勞強度也不同。材料成分及組織材料成分及組織2. 疲勞可靠性疲勞可靠性優(yōu)化設計流程優(yōu)

15、化設計流程機械設計第11組 秦犖晟系統(tǒng)的可靠性設計步驟系統(tǒng)的可靠性設計步驟確定系統(tǒng)的確定系統(tǒng)的可靠度指標可靠度指標失效分析、可失效分析、可靠度預測靠度預測部件的可靠度部件的可靠度指標分配指標分配進行零件的可進行零件的可靠性設計靠性設計確定系統(tǒng)的可靠度指標確定系統(tǒng)的可靠度指標 1、可靠度 2、故障率 3、平均壽命 4、有效壽命等失效模式失效模式 早期失效早期失效偶然失效偶然失效 功能失效功能失效設計制造、貯藏不當及調(diào)試等造成的缺陷產(chǎn)品疲勞老化腐蝕磨損等引起由非預期的過載、誤操作、意外天災等偶然因素造成系統(tǒng)的可靠度預測系統(tǒng)的可靠度預測代數(shù)法代數(shù)法矩法矩法響應曲面法響應曲面法蒙特卡洛法蒙特卡洛法 針

16、對正態(tài)分布的隨機針對正態(tài)分布的隨機變量，隨機變量函數(shù)為變量，隨機變量函數(shù)為簡單函數(shù)簡單函數(shù)適用于無法用函數(shù)適用于無法用函數(shù)表達的隨機系統(tǒng)表達的隨機系統(tǒng) 對復雜函數(shù)，通過對復雜函數(shù)，通過泰勒展開式求均值泰勒展開式求均值和標準差和標準差 對隨機變量統(tǒng)計抽樣試驗對隨機變量統(tǒng)計抽樣試驗或隨機模擬，估計函數(shù)的統(tǒng)或隨機模擬，估計函數(shù)的統(tǒng)計參數(shù)計參數(shù)部件的可靠度指標分配部件的可靠度指標分配1、等可靠度分配原則、等可靠度分配原則部件的可靠度指標分配部件的可靠度指標分配2、按重要度分配原則、按重要度分配原則3、按預計可靠度分配原則、按預計可靠度分配原則對初步設計中預計可靠度高的零件，分配較高的可靠度對初步設計中

17、預計可靠度高的零件，分配較高的可靠度4、按經(jīng)濟性分配原則、按經(jīng)濟性分配原則零件的可靠性設計零件的可靠性設計1、提出設計任務，規(guī)定詳細指標、提出設計任務，規(guī)定詳細指標2、確定有關的設計變量及參數(shù)、確定有關的設計變量及參數(shù)3、失效模式、影響及致命度分析、失效模式、影響及致命度分析4、確定失效模式是否相互獨立、確定失效模式是否相互獨立5、確定失效模式判據(jù)、確定失效模式判據(jù)6、得出應力公式、得出應力公式7、確定每種失效模式下的應力分布、確定每種失效模式下的應力分布8、確定強度計算公式、確定強度計算公式9、確定每種失效模式下的強度分布、確定每種失效模式下的強度分布10、確定每種失效模式下與應力分布和強度

18、分布相關的可靠度、確定每種失效模式下與應力分布和強度分布相關的可靠度11、確定零件的可靠度、確定零件的可靠度12、確定零件可靠度的置信度、確定零件可靠度的置信度疲勞可靠性設計與傳統(tǒng)機械設計的不同疲勞可靠性設計與傳統(tǒng)機械設計的不同1、以應力和強度為隨機變量為出發(fā)點、以應力和強度為隨機變量為出發(fā)點2、應用概率和統(tǒng)計方法進行分析求解、應用概率和統(tǒng)計方法進行分析求解3、能定量回答產(chǎn)品的失效概率和可靠度、能定量回答產(chǎn)品的失效概率和可靠度4、有多種可靠性指標供選擇、有多種可靠性指標供選擇5、強調(diào)設計對產(chǎn)品可靠性的主導作用、強調(diào)設計對產(chǎn)品可靠性的主導作用6、必須考慮環(huán)境的影響、必須考慮環(huán)境的影響7、必須考慮

19、維修性、必須考慮維修性8、從整體的、系統(tǒng)的觀點出發(fā)、從整體的、系統(tǒng)的觀點出發(fā)9、承認在設計期間及其以后都需要可靠性的增長、承認在設計期間及其以后都需要可靠性的增長3. 疲勞可靠性優(yōu)化實例機械設計第11組 楊超文本例的分析方法本例的分析方法結構強度的可靠度理論結構強度的可靠度理論隨機有限元法隨機有限元法基于概率的結構強度理論的主要優(yōu)點是可以全面的考慮影響結構強度可靠度中基于概率的結構強度理論的主要優(yōu)點是可以全面的考慮影響結構強度可靠度中應力的統(tǒng)計特性計算。它與隨機有限元法密不可分。通過離散隨機結構，運用應力的統(tǒng)計特性計算。它與隨機有限元法密不可分。通過離散隨機結構，運用確定性有限元方法，可以準確地確定隨季節(jié)結構的力學特性，進而合理地評估確定性有限元方法，可以準確地確定隨季節(jié)結構的力學特性，進而合理