疲勞分析介紹1.ppt

1、疲勞分析介紹,石國強(qiáng),內(nèi)容提要,1.概述 2.交變應(yīng)力 3.S-N曲線 4.影響因素 5.疲勞壽命計(jì)算方法 6.SN方法介紹,1.概述-疲勞失效危害,19世紀(jì)30-40年代，英國鐵路車輛輪軸在軸肩處多次發(fā)生破壞； 1954年, 英國慧星號噴氣客機(jī)墜入地中海（機(jī)身艙門拐角處開裂）； 1967年，美國西弗吉尼亞的Point Pleasant橋倒塌，46人死亡； 1980年,英國北海Kielland 號鉆井平臺(tái)傾復(fù)，38人死亡； 1996年，2379次貨物列車，輪軸頸卸荷槽處斷裂后脫軌； 2002年，中華航空611號班機(jī)飛往香港途中高空解體墜毀，225人死亡。,1.概述-疲勞失效危害,F6前輪球軸斷

2、裂 雙橫臂式前懸掛：廣本雅閣、一汽馬6、北奔-戴克克萊斯勒300C 雅閣、F6，其球頭方向是向上的，屬下掛式，承受車重，過度疲勞。 馬6、奔馳等采用是下壓式。,在汽車上，大約有90%以上的斷裂可歸結(jié)為零件的疲勞失效。 疲勞失效是汽車零件常見及危害性最大的一種失效方式。 疲勞損壞多發(fā)生在承受交變載荷的車架、鋼板彈簧、螺旋彈簧、軸和桿類零件。 “斷軸門” 凱美瑞、銳志、F6、雅閣,1.概述-疲勞的定義,零件或構(gòu)件由于交變載荷的反復(fù)作用，在它所承受的交變應(yīng)力尚未達(dá)到靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)的許用應(yīng)力情況下就會(huì)在零件或構(gòu)件的局部位置產(chǎn)生疲勞裂紋并擴(kuò)展、最后突然斷裂。這種現(xiàn)象稱為疲勞破壞 The process of

3、 progressive localized permanent structural change occurring in a material subjected to conditions which produce fluctuating stresses and strains at some point or points and which may culminate in crack or complete fracture after a sufficient number of fluctuations. ASTM E206-72 在某點(diǎn)或某些點(diǎn)承受擾動(dòng)應(yīng)力，且在足夠多的

4、循環(huán)擾動(dòng)作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發(fā)生的局部永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過程，稱為疲勞,1.概述-疲勞的特征及疲勞研究的主要內(nèi)容,擾動(dòng)應(yīng)力（交變應(yīng)力） 只有在擾動(dòng)應(yīng)力作用下，疲勞才會(huì)發(fā)生 高應(yīng)力局部 破壞起源于高應(yīng)力、高應(yīng)變局部 裂紋 疲勞損傷的結(jié)果是形成裂紋 發(fā)展過程 疲勞是從開始使用到最后破壞的發(fā)展過程,載荷譜的描述與簡化,應(yīng)力集中細(xì)節(jié)處的應(yīng)力應(yīng)變,疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的機(jī)理和規(guī)律（基礎(chǔ)性研究）,疲勞壽命預(yù)測與抗疲勞設(shè)計(jì)方法（應(yīng)用性研究）,1.概述-疲勞破壞與傳統(tǒng)靜力破壞的本質(zhì)區(qū)別,1.概述-疲勞破壞的機(jī)理和發(fā)展過程,電鏡照片鋁合金疲勞輝紋圖,交變應(yīng)力引起金屬原子晶格的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng) 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)聚集

5、，形成分散的微裂紋 微裂紋沿結(jié)晶學(xué)方向擴(kuò)展（大致沿最大剪應(yīng)力方向形成滑移帶）、貫通形成宏觀裂紋 宏觀裂紋沿垂直于最大拉應(yīng)力方向擴(kuò)展，宏觀裂紋的兩個(gè)側(cè)面在交變載荷作用下，反復(fù)擠壓、分開，形成斷口的光滑區(qū) 突然斷裂，形成斷口的顆粒狀粗糙區(qū)。,疲勞輝紋是疲勞斷口形態(tài)的電子金相的最重要特征， 可以把疲勞條帶視為判斷疲勞破壞的主要依據(jù)。,1.概述-疲勞研究發(fā)展簡史,19世紀(jì)40年代，鐵路機(jī)車車軸的疲勞破壞問題。德國A.沃勒通過旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)獲得車軸疲勞結(jié)果，把疲勞和應(yīng)力聯(lián)系起來，提出疲勞極限的概念，奠定了常規(guī)疲勞分析的基礎(chǔ)。 二戰(zhàn)中及戰(zhàn)后，逐漸形成了現(xiàn)代的常規(guī)疲勞強(qiáng)度分析，無限壽命設(shè)計(jì)計(jì)算精度提高，并可以

6、按給定的有限壽命設(shè)計(jì)零件。有限壽命設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)是線性損傷積累理論（美，M.A.邁因納，1945）。 斷裂力學(xué)的發(fā)展，疲勞裂紋擴(kuò)展理論（美，A.K.黑德，1953），疲勞裂紋擴(kuò)展速率半經(jīng)驗(yàn)公式（美，P.C.帕里斯，1957），考慮平均應(yīng)力影響的修正公式（美，R.G.福爾曼，1967）。計(jì)算帶裂紋零件的剩余壽命，損傷容限設(shè)計(jì)。 20世紀(jì)20年代用概率統(tǒng)計(jì)方法處理疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，60年代后期可靠性理論應(yīng)用到疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)中。 缺口件名義應(yīng)力-應(yīng)變與局部應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系諾伊貝爾公式（德，H.諾伊貝爾，1961），1968年加拿大R.M.韋策爾提出估算零件裂紋形成壽命的方法局部應(yīng)力-應(yīng)變法。,2.交變應(yīng)力

7、-交變應(yīng)力的定義,交變應(yīng)力:構(gòu)件內(nèi)隨時(shí)間作周期性變化的應(yīng)力,2.交變應(yīng)力-交變應(yīng)力的分類,應(yīng)力,靜應(yīng)力,交變應(yīng)力,o,t,穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力,非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力,脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力,對稱循環(huán)應(yīng)力,非對稱循環(huán)應(yīng)力,規(guī)律性非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力,隨機(jī)性非穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力,2.交變應(yīng)力-交變應(yīng)力的分類,穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力 對稱循環(huán)應(yīng)力 脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力 非對稱循環(huán)應(yīng)力,非穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力 規(guī)律性 周期性,2.交變應(yīng)力-交變應(yīng)力的描述,常用導(dǎo)出量 應(yīng)力幅 平均應(yīng)力 應(yīng)力比 （循環(huán)特征系數(shù)）,描述交變應(yīng)力的基本量 最大應(yīng)力，最小應(yīng)力,設(shè)計(jì)：用max，min，直觀； 試驗(yàn)：用m，a，便于加載； 分析：用a，r，突出主要控制參量, 便于分類

8、討論。,2.交變載荷-循環(huán)特征系數(shù),對稱循環(huán)r=-1 脈動(dòng)循環(huán) r=0或- 靜應(yīng)力 r=1 特例,主要控制參量：a，重要影響參量：r 頻率和波形的影響是較次要的。,應(yīng)力幅a反映了交變應(yīng)力在一個(gè)應(yīng)力循環(huán)中變化大小的程度，它是使金屬構(gòu)件發(fā)生疲勞破壞的根本原因。,3.S-N曲線-曲線的獲取,一般情況下，材料所承受的循環(huán)載荷的應(yīng)力幅越小，到發(fā)生疲勞破斷時(shí)所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)越長。 S-N曲線就是材料所承受的應(yīng)力幅水平與該應(yīng)力幅下發(fā)生疲勞破壞時(shí)所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線。（應(yīng)力-壽命曲線） S-N曲線一般是使用標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行疲勞試驗(yàn)獲得的。規(guī)定的應(yīng)力循環(huán)特征r（一般為0或-1）,試驗(yàn)條件：(1)純彎曲

9、；(2)完全對稱循環(huán)；(3)應(yīng)力幅恒定； (4)頻率在3000-104次分；(5)小試樣有足夠大的過渡圓角，表面拋光。 SN曲線一般需要15根試樣確定，由于測試結(jié)果的分散性而應(yīng)用了統(tǒng)計(jì)分析。,3.S-N曲線-疲勞極限,在不斷降載時(shí)，試樣的循環(huán)次數(shù)不斷增加，若在某應(yīng)力下旋轉(zhuǎn)107次仍不斷裂，即可認(rèn)為此應(yīng)力低于疲勞極限，再選取一較高的應(yīng)力，若在旋轉(zhuǎn)107次的過程中發(fā)生斷裂，然后在這兩個(gè)應(yīng)力之間進(jìn)行內(nèi)插，縮小范圍，直到試樣在旋轉(zhuǎn)107次過程中發(fā)生斷裂或不斷之間的應(yīng)力差小于10MPa，便可求出材料的疲勞極限。通常所指的材料疲勞極限是以107次作參考基準(zhǔn)的。 對一般低、中強(qiáng)度鋼，當(dāng)1400MN/m2,如

10、能經(jīng)受住107周次旋轉(zhuǎn)彎曲而不發(fā)生疲勞斷裂，就可憑經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為永不斷裂，相應(yīng)的不發(fā)生斷裂的最高應(yīng)力稱為疲勞極限。 對高強(qiáng)度鋼，在S-logN曲線上，即使達(dá)到107周次,曲線仍未出現(xiàn)水平的轉(zhuǎn)折，不存在一個(gè)可承受無限周次的循環(huán)而永不斷裂的應(yīng)力，這樣，要求的疲勞壽命越高，工作應(yīng)力越低。因此，對高強(qiáng)度鋼，人為地規(guī)定在108周次時(shí)不發(fā)生斷裂的應(yīng)力才是疲勞極限。 對鋁合金，不銹鋼取對應(yīng)N =108周次，對鈦合金取107周次的應(yīng)力來確定疲勞極限。 疲勞極限是材料抗疲勞能力的重要性能指標(biāo)，也是進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的無限壽命設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。,3.S-N曲線-曲線的形狀,曲線分為高周疲勞和低周疲勞兩個(gè)部分。一般來說，低周疲勞

11、發(fā)生在10,000個(gè)周期之內(nèi)。 曲線的形狀取決于所測試材料的類型。,3.S-N曲線-曲線的簡化,雙對數(shù)坐標(biāo)系下S-N曲線被近似簡化成一條直線,只對橫坐標(biāo)取對數(shù)，此時(shí)常把S-N曲線近似簡化成兩條直線,斜率：Basquin準(zhǔn)則,注：該公式只適用于高周疲勞階段，壽命一般大于10000次,條件疲勞極限,3.S-N曲線-曲線的應(yīng)用條件,S-N曲線又稱為應(yīng)力-壽命曲線，主要用于構(gòu)件的變形在彈性變形范圍內(nèi)的情形。 一般說來，這種應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞達(dá)到破壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)比較高，往往達(dá)到106上， 所以這種疲勞又稱為高周疲勞。 相對地，達(dá)到疲勞破壞的循環(huán)次數(shù)較低時(shí)的疲勞稱為低周疲勞，發(fā)生低周疲勞時(shí)構(gòu)件 在局部位置發(fā)

12、生了塑性變形。 近三十年來，對于低周疲勞，基于塑性應(yīng)變幅a的疲勞壽命曲線（a-N）在工程中 得到應(yīng)用。對于帶缺口的零件，其工作載荷變動(dòng)較大時(shí)，在應(yīng)力集中的局部區(qū)域?qū)?huì)發(fā)生 塑性變形，此時(shí)疲勞壽命估算則要求基于應(yīng)力和基于塑性應(yīng)變的兩種材料疲勞性能曲線。 這種方法目前還不能用于高周疲勞的壽命估算。,4.疲勞壽命的影響因素,Factors Influencing Fatigue Life 平均應(yīng)力 Mean stress 尺寸效應(yīng) Component size 缺口與不連續(xù)形狀 Notches and discontinuities 表面處理及粗糙度 Surface treatment & fini

13、sh,4.1平均應(yīng)力的影響,大多數(shù)疲勞測試是在r=-1（對稱循環(huán)應(yīng)力） 如果在其他r值下須對S-N曲線修正,給定壽命下，循環(huán)應(yīng)力幅與平均應(yīng)力的關(guān)系Haigh曲線 橫軸m：平均拉應(yīng)力和平均壓應(yīng)力 縱軸a：交變常應(yīng)力幅 縱軸交點(diǎn)：m0時(shí)，a=-1，對稱循環(huán) 橫軸交點(diǎn)：a0時(shí)，m=b，靜載,疲勞極限,拉伸強(qiáng)度極限,4.1平均應(yīng)力的影響,常用平均應(yīng)力修正有古德曼法與戈貝爾法 真實(shí)測試值位于兩者之間，古德曼法偏于保守,古德曼法,戈貝爾法,索特貝爾格法,4.2尺寸效應(yīng),尺寸效應(yīng)：一般說來，零件與試件的尺寸增大時(shí)疲勞強(qiáng)度降低。 原因： （1）材料的機(jī)械性能（包括疲勞性能）隨著材料斷面的增大而降低。與材料的冶

14、金、熱加工工藝和金相組織有關(guān)，是由材料的內(nèi)在性質(zhì)決定的，與零部件的結(jié)構(gòu)、載荷情況、冷加工過程無關(guān)。 （2）零部件的應(yīng)力梯度是造成尺寸效應(yīng)的主要原因。 （3）大尺寸試件含有更多的疲勞損傷源，裂紋萌生的概率高，從而導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度下降。 尺寸系數(shù)：當(dāng)應(yīng)力集中和終加工方法相同時(shí)，尺寸問d的試樣或零件的疲勞極限與幾何相似的標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣的疲勞極限之比。,通常由設(shè)計(jì)手冊查得,4.3缺口形狀效應(yīng)-應(yīng)力集中系數(shù),零件存在槽溝、軸肩、孔、拐角、切口等不連續(xù)部分致使截面形狀發(fā)生突變，引起比名義應(yīng)力大得多的局部應(yīng)力集中。 缺口處的應(yīng)力集中是造成零部件疲勞強(qiáng)大幅度下降的最主要因素 。 應(yīng)力集中的程度用應(yīng)力集中系數(shù)（又稱

15、理論應(yīng)力集中系數(shù)）Kt來描述。,max為最大應(yīng)力，0為載荷除以缺口處凈截面積所的得平均應(yīng)力（名義應(yīng)力）。,4.3缺口形狀效應(yīng)-疲勞缺口系數(shù),除非是高強(qiáng)度材料，零件的疲勞極限并非隨Kt降低想象中那樣大，即應(yīng)力集中使零件疲勞強(qiáng)度降低的倍數(shù)和它使零件應(yīng)力提高的倍數(shù)并不相同。此時(shí)應(yīng)力集中系數(shù)就無法真實(shí)地反映缺口對疲勞強(qiáng)度的影響。因此常用疲勞缺口系數(shù)Kf（fatigue notch factor，又被稱為有效應(yīng)力集中系數(shù)）來更直接地反映疲勞強(qiáng)度的真實(shí)的降低程度。,w0，w分別為無缺口光滑試樣和缺口試樣的疲勞極限。,Kt與 Kf之不同在于材料對缺口的敏感度Kt,4.3缺口形狀效應(yīng)-2個(gè)系數(shù)的關(guān)系,敏感系數(shù)

16、法 Kt只依賴幾何相對較易獲得而Kf還依賴材料，理論上是所有可能的綜合。 疲勞缺口敏感系數(shù)q是材料在交變載荷下對應(yīng)力集中敏感性的一種度量。 對疲勞缺口不敏感的材料：Kf =1 and q=0. 對疲勞缺口極為敏感的材料： Kf = Kt and q=1. 材料的強(qiáng)度極限提高時(shí)，q增大；晶粒度和材料性質(zhì)的不均勻性增大時(shí)q小。 還與缺口的曲率半徑有關(guān)，因此q并不是材料常數(shù)。 經(jīng)驗(yàn)公式(Peterson)： r:缺口半徑；a:材料常數(shù)，與材料的強(qiáng)度極限有關(guān),4.3缺口形狀效應(yīng)-使用Kf修改S-N曲線,4.4表面處理及粗糙度,疲勞裂紋通常起源于表面，因此表面條件對零件壽命有大的影響。 表面狀況包括表面

17、粗糙度、表面應(yīng)力狀態(tài)、表面塑性變形程度和表面缺陷等因素。 零部件表面狀況對疲勞強(qiáng)的影響程度用表面敏感系數(shù)表示。 1.表面加工粗糙度 2.表層組織結(jié)構(gòu) 3.表層應(yīng)力狀態(tài),4.3缺口形狀效應(yīng),光滑材料，對于通過表面淬火、表面滲碳、表面氮化等表面熱處理可以有效地提高其疲勞強(qiáng)度。 缺口材料，這些方法可能變的沒有效果甚至使疲勞強(qiáng)度反而降低。 這是因?yàn)橥ㄟ^熱處理使其表面強(qiáng)度提高的同時(shí)，使缺口敏感性也變高。 對于缺口材料或帶有缺口的零部件，提高其疲勞壽命最有效的方法是合理地進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝選擇等手段來設(shè)法降低或改進(jìn)它的應(yīng)力集中情況。一味地選用高強(qiáng)度鋼材，未必能夠達(dá)到目的，相反在表面較粗糙和尺寸較大的情況下

18、有可能反而使構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度下降。,到目前為止，疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上還是基于大量試驗(yàn)結(jié)果的估算。近年來已經(jīng)出現(xiàn)了有關(guān)疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)的專用軟件，使得這項(xiàng)工作的效率更高和更易趨于合理準(zhǔn)確，但對于它的使用同樣需要具有一定的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)。 對于新產(chǎn)品的開發(fā)，應(yīng)至少對于某些重要零部件等，同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)研究和試驗(yàn)驗(yàn)證。如果受試驗(yàn)條件等的限制，可以根據(jù)零部件的特點(diǎn)進(jìn)行合理簡化來進(jìn)行模擬性試驗(yàn)。 諸多紛雜的因素中，對于疲勞強(qiáng)度危害最大的是應(yīng)力集中。因此，從設(shè)計(jì)和制造的過程來看，危害最大的第一是結(jié)構(gòu)的不合理；第二是工藝缺陷如焊接缺陷、機(jī)械加工缺陷、材料內(nèi)部缺陷，還包括偶然因素造成的表面?zhèn)鄣鹊?；第三是材料的選擇

19、。,5.確定疲勞壽命的方法,5.確定疲勞壽命的方法,計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)程序使用三種主要方法確定總體疲勞壽命。 應(yīng)力壽命方法(SN) 這種方法僅基于應(yīng)力水平。不適用于包含塑性部位的零部件，低周疲勞的精確度也乏善可陳，但這種方法最容易實(shí)施，有豐富的數(shù)據(jù)可供使用，并且在高周疲勞中有良好的效果。（名義應(yīng)力法） 應(yīng)變壽命(EN) 這種方法可以對局部區(qū)域的塑性變形進(jìn)行更詳細(xì)的分析，非常適合低周疲勞應(yīng)用。但是結(jié)果存在一些不確定性。 線性彈性破壞力學(xué)(LEFM) 這種方法假設(shè)裂縫已經(jīng)存在并且被檢測到，然后根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度預(yù)測裂縫的增長。借助計(jì)算機(jī)代碼和定期檢查，這種方法對大型結(jié)構(gòu)很實(shí)用。 由于易于實(shí)施并且有

20、大量的材料數(shù)據(jù)可用，SN是最常用的方法。 汽車零件一般多為低應(yīng)力高周疲勞斷裂。,5.名義應(yīng)力法(S-N),各種修正： 平均應(yīng)力 應(yīng)力集中 表面狀況 尺寸效應(yīng) .,5.局部應(yīng)變法(e-N),5.線彈性力學(xué)法,5.S-N法,一、無限壽命設(shè)計(jì)法 基本思路:使得零件或構(gòu)件的危險(xiǎn)部位的工作應(yīng)力低于其疲勞極限，從而保證它在設(shè)計(jì)的工作應(yīng)力下能夠長久工作而部發(fā)生破壞。 當(dāng)零件的結(jié)構(gòu)比較簡單應(yīng)力集中較小時(shí)，恒幅交變應(yīng)力、過載應(yīng)力小且次數(shù)很少時(shí)可用這種方法。 二、有限壽命設(shè)計(jì)法 有限壽命設(shè)計(jì)法主要基于疲勞累積損傷理論 當(dāng)交變載荷有較多的沖擊過載或工作載荷為隨機(jī)載荷時(shí)，工作應(yīng)力在某些時(shí)刻會(huì)越過疲勞極限。此時(shí)，疲勞壽命設(shè)計(jì)主要是保證構(gòu)件在設(shè)計(jì)的壽命之內(nèi)不發(fā)生疲勞破壞而正常工作，也即設(shè)計(jì)使構(gòu)件具有有限的疲勞壽命。考慮到偶然因素的影響，為確保安全在設(shè)計(jì)時(shí)一般使設(shè)計(jì)壽命為使用壽命的數(shù)倍。,5.S-N法,一、無限壽命設(shè)計(jì)法：疲勞安全系數(shù)校核 疲勞強(qiáng)度降低系數(shù),aD，aD應(yīng)力比為R時(shí)的疲勞極限； m，m平均應(yīng)力； ，平均應(yīng)力折算系數(shù)，對于Goodman方程有=m/b,5.S-N法,二、有限壽命設(shè)計(jì)法-疲勞累積損傷理論 疲勞累計(jì)損傷理論：疲勞分析的主要原理之一，估計(jì)變應(yīng)