《疲勞強度及》課件

疲勞強度課程內(nèi)容概述1疲勞強度定義介紹疲勞的概念、發(fā)生的原因和失效現(xiàn)象。2疲勞強度影響因素探討應(yīng)力、循環(huán)特性、材料特性、環(huán)境因素等對疲勞強度的影響。3疲勞失效理論介紹常見的疲勞失效理論，如S-N曲線、Miner線性累積損傷理論等。4疲勞強度計算方法學習疲勞強度的計算方法，并了解疲勞壽命預測的方法。疲勞的定義循環(huán)應(yīng)力在重復載荷作用下，材料內(nèi)部會產(chǎn)生微觀裂紋，這些裂紋會逐漸擴展，最終導致材料斷裂。應(yīng)力集中材料內(nèi)部的應(yīng)力集中區(qū)域，更容易產(chǎn)生疲勞裂紋。表面缺陷材料表面的缺陷，例如劃痕、裂紋等，也會加速疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴展。疲勞的種類高周疲勞高周疲勞是指在高循環(huán)次數(shù)下，材料承受較小的應(yīng)力，最終發(fā)生疲勞破壞。低周疲勞低周疲勞是指在較低循環(huán)次數(shù)下，材料承受較大的應(yīng)力，最終發(fā)生疲勞破壞。熱疲勞熱疲勞是指由于溫度變化引起的熱應(yīng)力循環(huán)，最終導致材料發(fā)生疲勞破壞。疲勞的影響因素載荷類型循環(huán)載荷，交變載荷，沖擊載荷等都會影響疲勞壽命。應(yīng)力幅值應(yīng)力幅值越高，疲勞壽命越短。應(yīng)力集中應(yīng)力集中會降低疲勞強度，縮短疲勞壽命。材料性質(zhì)材料的強度、韌性、塑性等都會影響疲勞壽命。疲勞失效理論應(yīng)力集中材料內(nèi)部應(yīng)力集中是疲勞失效的主要原因之一。應(yīng)力集中會導致材料在應(yīng)力集中點出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而導致疲勞裂紋的萌生和擴展。裂紋擴展疲勞裂紋的擴展是一個逐漸的過程。當材料承受重復應(yīng)力時，裂紋會逐漸擴展，直到最終導致材料斷裂。影響疲勞強度的因素應(yīng)力集中應(yīng)力集中會導致局部應(yīng)力增加，從而降低材料的疲勞強度。表面質(zhì)量表面缺陷，如劃痕或裂紋，會成為疲勞裂紋的起始點，降低疲勞強度。溫度高溫會降低材料的強度，而低溫會增加材料的脆性，從而影響疲勞強度。幾何尺寸零件的形狀和尺寸會影響應(yīng)力分布，從而影響疲勞強度。應(yīng)力-循環(huán)曲線和S-N曲線應(yīng)力-循環(huán)曲線描述了材料在交變載荷作用下的應(yīng)力變化規(guī)律，而S-N曲線則表示材料在不同應(yīng)力幅值下的疲勞壽命。S-N曲線通過一系列疲勞試驗獲得，試驗中材料在不同應(yīng)力幅值下循環(huán)加載，直到發(fā)生疲勞失效，記錄其失效循環(huán)次數(shù)。應(yīng)力集中的影響1幾何形狀孔洞、凹槽、尖角等幾何形狀會引起應(yīng)力集中。2載荷方向載荷方向的變化也會導致應(yīng)力集中。3材料性質(zhì)材料的彈性模量、泊松比等性質(zhì)也會影響應(yīng)力集中程度。表面質(zhì)量的影響表面粗糙度表面粗糙度會導致應(yīng)力集中，從而降低疲勞強度。表面缺陷表面缺陷，如裂紋、劃痕和凹坑，也會降低疲勞強度。表面處理表面處理，如噴丸、滾壓和表面鍍層，可以提高疲勞強度。溫度對疲勞強度的影響溫度升高，材料的強度和塑性降低，疲勞強度下降。溫度降低，材料的韌性降低，疲勞強度提高。溫度對疲勞強度的影響隨材料和環(huán)境而異，需進行試驗驗證。幾何尺寸對疲勞強度的影響應(yīng)力集中形狀不規(guī)則或存在孔洞等幾何特征會造成應(yīng)力集中，降低疲勞強度。尺寸效應(yīng)尺寸較小的零件，其表面積與體積比更大，更容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，降低疲勞強度。預緊力的影響增大疲勞強度預緊力可以提高零件的接觸應(yīng)力，從而抑制裂紋的萌生和擴展，提高疲勞強度。改善接觸面預緊力可以使接觸面更加緊密，減少接觸面的松動，從而提高疲勞強度。影響載荷傳遞預緊力會改變零件的載荷傳遞路徑，從而影響疲勞強度，需要根據(jù)實際情況進行調(diào)整。表面處理的影響表面粗糙度表面粗糙度會影響應(yīng)力集中程度，從而影響疲勞強度。光滑的表面通常具有更高的疲勞強度。表面殘余應(yīng)力壓縮殘余應(yīng)力可以提高疲勞強度，而拉伸殘余應(yīng)力會降低疲勞強度。表面涂層涂層可以提供保護，防止腐蝕和磨損，從而延長疲勞壽命。環(huán)境因素的影響溫度高溫會加速材料的疲勞損傷，降低疲勞強度。濕度潮濕環(huán)境會加速腐蝕，降低材料的疲勞壽命。腐蝕介質(zhì)腐蝕性介質(zhì)的存在會加速材料的疲勞裂紋擴展，導致疲勞壽命顯著降低。疲勞強度計算方法1疲勞壽命疲勞壽命是指材料在循環(huán)載荷作用下發(fā)生疲勞失效時的循環(huán)次數(shù)。2應(yīng)力幅應(yīng)力幅是指循環(huán)載荷的最大應(yīng)力與最小應(yīng)力的差值的一半。3應(yīng)力比應(yīng)力比是指循環(huán)載荷的最小應(yīng)力與最大應(yīng)力的比值。在實際應(yīng)用中，可以通過疲勞試驗或理論計算來預測材料的疲勞壽命。常見的疲勞強度計算方法包括S-N曲線法、Miner線性累積損傷理論以及基于裂紋擴展速率的計算方法等。這些方法可以幫助工程師評估材料在不同載荷條件下的疲勞性能，并設(shè)計出能夠滿足疲勞強度要求的結(jié)構(gòu)。Miner線性累積損傷理論損傷累積每個循環(huán)都會造成一定的損傷，損傷累積到一定程度就會導致失效。線性累積Miner理論假設(shè)損傷累積是線性的，可以通過累積損傷系數(shù)來預測疲勞壽命。疲勞壽命預測方法S-N曲線法通過實驗獲得材料的S-N曲線，預測疲勞壽命。裂紋擴展法利用裂紋擴展速率公式，預測裂紋擴展到臨界尺寸所需時間。有限元分析使用有限元軟件模擬疲勞過程，預測結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。疲勞試驗1循環(huán)載荷模擬實際工況2應(yīng)力水平控制應(yīng)力幅值3疲勞壽命記錄試件失效時間隨機載荷下的疲勞隨機載荷是指大小和時間變化無規(guī)律的載荷?，F(xiàn)實中大多數(shù)機械結(jié)構(gòu)都承受隨機載荷。隨機載荷下的疲勞分析需要考慮載荷的統(tǒng)計特性。疲勞裂紋擴展裂紋萌生在重復應(yīng)力作用下，材料內(nèi)部產(chǎn)生微小裂紋。這些裂紋隨著時間的推移逐漸擴展，最終導致零件失效。裂紋擴展裂紋擴展是疲勞失效的關(guān)鍵階段，裂紋在應(yīng)力循環(huán)的作用下逐漸長大。斷裂當裂紋擴展到一定程度時，零件的承載能力下降，最終導致斷裂，造成疲勞失效。裂紋擴展速率公式1Paris公式最常用的裂紋擴展速率公式，適用于大多數(shù)疲勞裂紋擴展情況。該公式描述了裂紋擴展速率與應(yīng)力強度因子范圍的冪函數(shù)關(guān)系。2Forman公式考慮了載荷比的影響，適用于更廣的載荷條件。它在Paris公式的基礎(chǔ)上加入了載荷比的修正項。3其他公式還有一些其他公式，如Walker公式、Elber公式，針對特定情況進行了改進，更準確地描述了裂紋擴展速率。裂紋擴展壽命預測預測模型利用裂紋擴展速率公式，結(jié)合初始裂紋尺寸和載荷條件，可以預測裂紋擴展壽命。影響因素裂紋擴展壽命受材料特性、載荷條件、環(huán)境因素等影響，需要綜合考慮。應(yīng)用場景裂紋擴展壽命預測廣泛應(yīng)用于航空航天、機械制造、土木工程等領(lǐng)域，用于評估結(jié)構(gòu)的安全性。腐蝕疲勞腐蝕環(huán)境腐蝕環(huán)境會加速疲勞裂紋的擴展。應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力循環(huán)會造成材料的疲勞損傷，腐蝕環(huán)境會加速疲勞損傷的累積。環(huán)境介質(zhì)環(huán)境介質(zhì)會加速疲勞裂紋的擴展，比如鹽水、酸性溶液等。高溫下的疲勞材料性能變化高溫會降低材料的強度和塑性，使其更容易發(fā)生疲勞裂紋.氧化作用高溫環(huán)境會導致材料表面氧化，形成氧化層，影響疲勞強度.蠕變在高溫下，材料會發(fā)生蠕變，導致應(yīng)力松弛，影響疲勞壽命.低周疲勞1循環(huán)次數(shù)少低周疲勞發(fā)生在應(yīng)力循環(huán)次數(shù)較少的條件下，通常指小于10^4次循環(huán)。2塑性變形大低周疲勞下，材料會經(jīng)歷明顯的塑性變形，導致裂紋的形成和擴展。3高溫或高應(yīng)力低周疲勞通常發(fā)生在高溫或高應(yīng)力環(huán)境下，例如發(fā)動機和渦輪機。焊接結(jié)構(gòu)的疲勞焊接接頭容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低疲勞強度。焊接缺陷如裂紋、氣孔等會加速疲勞裂紋擴展。焊接熱影響區(qū)材料性能發(fā)生改變，影響疲勞壽命。復合材料的疲勞纖維增強復合材料的疲勞行為取決于其成分材料的特性，如纖維強度、基體強度和纖維-基體界面強度。加載方式復合材料的疲勞強度受到加載方向、加載速率和環(huán)境溫度等因素的影響。損傷機制復合材料的疲勞損傷通常以纖維斷裂、基體裂紋和界面脫粘的形式出現(xiàn)。機械設(shè)計中的應(yīng)用產(chǎn)品設(shè)計疲勞強度分析可以幫助設(shè)計師選擇合適的材料和設(shè)計結(jié)構(gòu)，以確保產(chǎn)品的耐用性和可靠性。結(jié)構(gòu)優(yōu)化通過疲勞強度計算，可以識別結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，并進行優(yōu)化設(shè)計，提高產(chǎn)品的壽命和可靠性。安全評估對于橋梁、飛機等關(guān)鍵