疲勞基本理論.ppt

1、1 .在疲勞分析的背景下，在越來(lái)越激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，產(chǎn)品的壽命和可靠性越來(lái)越受到關(guān)注，每年由于結(jié)構(gòu)疲勞，大量的產(chǎn)品在其有效壽命期內(nèi)被廢棄，疲勞破壞導(dǎo)致的惡性事故也時(shí)有發(fā)生。 據(jù)統(tǒng)訂，每年早期斷裂造成的損失達(dá)$1190億美元，其中95%為疲勞斷裂，應(yīng)用疲勞耐久性技術(shù)，其中50%可以避免，因此許多企業(yè)都將疲勞耐久性作為產(chǎn)品質(zhì)量管理的重要指標(biāo)。 在傳統(tǒng)的設(shè)置修訂過(guò)程中，機(jī)械產(chǎn)品的疲勞壽命通常通過(guò)一定量的物理樣機(jī)的耐久試驗(yàn)得到，不僅試驗(yàn)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，而且在試驗(yàn)中還得不到許多相關(guān)的殘奧儀表和故障的定量關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)論可能受到許多偶然因素的影響。 產(chǎn)品投入市場(chǎng)后，出現(xiàn)耐久性問(wèn)題，許多新產(chǎn)品失去競(jìng)爭(zhēng)力，給企

2、業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)對(duì)企業(yè)形象產(chǎn)生了很大的負(fù)面影響。 在我國(guó)，疲勞耐久性和可靠性問(wèn)題更加普遍，是國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品缺乏國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的最重要因素之一。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而誕生的現(xiàn)代修訂技術(shù)使企業(yè)能夠以低成本修訂高耐久性產(chǎn)品。 在產(chǎn)品設(shè)定修訂階段采用ANSYS-SAFE，可以在物理原型制造前進(jìn)行疲勞分析和最優(yōu)化設(shè)定修訂，預(yù)測(cè)產(chǎn)品壽命，實(shí)現(xiàn)等壽命周期設(shè)定修訂，大幅度降低物理原型制造和耐久性試驗(yàn)帶來(lái)的巨大研究開(kāi)發(fā)費(fèi)用。 2 .疲勞的基本概念，疲勞的定義材料和結(jié)構(gòu)承受多次重復(fù)變化的載荷后，應(yīng)力值沒(méi)有超過(guò)材料的強(qiáng)度極限，但即使低于彈性極限也可能發(fā)生破壞。 這種交變負(fù)荷對(duì)材料和結(jié)構(gòu)的破壞現(xiàn)象稱(chēng)為疲勞破壞。 疲

3、勞斷裂的特征材料力學(xué)是通過(guò)靜力試驗(yàn)確定材料的機(jī)械性能(如彈性極限、屈服極限、強(qiáng)度極限)，這些機(jī)械性能沒(méi)有充分反映材料的交變載荷產(chǎn)生的特性。 因此，依靠交變負(fù)荷進(jìn)行動(dòng)作的部件和部件，如果還是以靜負(fù)荷進(jìn)行設(shè)定修正，則在使用中經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生突然的破壞。 疲勞破壞與傳統(tǒng)的靜力破壞有很多明顯的本質(zhì)區(qū)別：靜力破壞是由一次最大負(fù)荷引起的破壞；疲勞破壞是由多次重復(fù)負(fù)荷引起的破壞，不是在短期內(nèi)發(fā)生的。 如果靜應(yīng)力小于屈服極限或強(qiáng)度極限，則會(huì)發(fā)生靜力破壞，另一方面，交變應(yīng)力遠(yuǎn)小于靜強(qiáng)度極限，在小于屈服極限的情況下，有可能發(fā)生疲勞破壞。 靜力破壞通常產(chǎn)生明顯的塑性變形的疲勞破壞，通常沒(méi)有外在的宏觀顯著的塑性變形的征兆，

4、表示即使是塑性良好的金屬也像脆性破壞一樣難以事先察覺(jué)，疲勞破壞有更大的危險(xiǎn)性。 在靜力破壞的斷口，通常只出現(xiàn)粗粒狀或纖維狀的特征的疲勞破壞的斷口，總是出現(xiàn)2個(gè)區(qū)域的特征，一個(gè)平滑，另一個(gè)粗粒狀或纖維狀。 疲勞破壞時(shí)，首先在某一點(diǎn)發(fā)生微小的龜裂，將其起點(diǎn)稱(chēng)為“疲勞源”，龜裂從疲勞源開(kāi)始逐漸向周?chē)鷶U(kuò)展。 由于反復(fù)變形，裂開(kāi)的兩面被擠壓或松弛反復(fù)摩擦，形成光滑的區(qū)域。 交變負(fù)荷持續(xù)作用時(shí)，裂縫逐漸擴(kuò)大，負(fù)荷面積逐漸減少，直到材料和構(gòu)件的靜強(qiáng)度不足時(shí)，由于某種負(fù)荷而突然斷裂，其斷裂面呈粗粒狀或纖維狀。 靜力破壞的阻力主要取決于材料本身，疲勞破壞的阻力與材料的組成、構(gòu)件的形狀和尺寸、表面狀況、使用條件以

5、及外界環(huán)境有關(guān)。 3、疲勞破壞基本知識(shí)、疲勞破壞的斷口形狀、3.1疲勞破壞的3階段裂紋的發(fā)生、進(jìn)展和斷裂3階段。 其中裂紋發(fā)生階段占疲勞壽命整體的極大部分。疲勞破壞的3階段，3.2疲勞載荷的簡(jiǎn)要說(shuō)明maximum load=pmaxminimumload=pminloadrangedp=pmax-pminloadamplitudepa=p/2 (載荷振幅) (alsocalledalterred memes ) 2loadratior=(pmax)/(pmin ) (負(fù)荷比循環(huán)特征) amplitude ratio A=(Pa)/(Pm表示無(wú)論經(jīng)過(guò)多少循環(huán)，只要應(yīng)力振幅小于耐久極限應(yīng)力，就不會(huì)

6、引起疲勞破壞。 耐久曲線(xiàn)(負(fù)荷寬度和周期數(shù)均可取常用對(duì)數(shù)log10 )、疲勞試驗(yàn)結(jié)果、4 .疲勞數(shù)據(jù)的普及不適用于特定部件的應(yīng)力寬度和耐久曲線(xiàn)的關(guān)系，部件的形狀改變時(shí)無(wú)效。 為了廣泛使用這一關(guān)系，必須在三個(gè)方面推進(jìn)常量振幅的耐久曲線(xiàn)用于復(fù)雜的負(fù)荷履歷的分析，以及將常量振幅的耐久曲線(xiàn)用于復(fù)雜的負(fù)荷履歷的分析。從光滑的試驗(yàn)片測(cè)得的耐久曲線(xiàn)，從用于不同形狀的零件的一種材料測(cè)得的耐久曲線(xiàn)，對(duì)另一種材料的疲勞壽命進(jìn)行了修正4.1復(fù)雜負(fù)荷分析，由兩個(gè)常數(shù)振幅負(fù)荷構(gòu)成的負(fù)荷履歷假定該負(fù)荷履歷重復(fù)，直到零件破壞的實(shí)際疲勞分析要求能夠修正承受各種不同振幅的復(fù)雜負(fù)荷的零件的疲勞壽命為止，只要負(fù)荷只能從前頁(yè)的大值P

7、a1得到，就能夠從耐久曲線(xiàn)圖(左)得到同樣，如果負(fù)荷僅由前頁(yè)的比較小的值Pa2構(gòu)成，則在右圖中，破壞時(shí)刻n2/N2=1。 然后根據(jù)組合載荷修正壽命。 假定不同振幅的載荷單獨(dú)作用，n/N=1時(shí)發(fā)生破壞。 對(duì)于兩個(gè)載荷的組合，如果n1/N1 n2/N2=1，零件將被破壞。 對(duì)于更復(fù)雜的載荷，有幾種不同的振幅，疲勞破壞發(fā)生的條件是，的例子載荷組成10 cyclesofaloadamplitude 100 k n 2000 cyclesofaloadamplitude 10 knloadamplitudeappliedcycl n 100101040.001102001060.0020.003在校正的

8、(n/N)=0.003根據(jù)Miners規(guī)則，總和值(n/N)=1時(shí)被破壞。 即，上述負(fù)荷組合的重復(fù)次數(shù)為333次時(shí)，會(huì)發(fā)生破壞。 因此，修正后的壽命也作為負(fù)荷履歷重復(fù)333次。 4.3平均應(yīng)力的影響、平均應(yīng)力影響疲勞壽命，對(duì)于相同的應(yīng)力振幅，平均應(yīng)力越高，疲勞壽命越短。 因此，疲勞分析還必須進(jìn)行平均應(yīng)力校正。 下圖顯示了平均應(yīng)力對(duì)疲勞壽命的影響。 在彎曲中測(cè)量的大、小試驗(yàn)片接近表面的地方受到大應(yīng)力的材料的體積，因?yàn)槠诹鸭y的發(fā)生是表面現(xiàn)象，所以對(duì)構(gòu)件表面的任何處理都會(huì)對(duì)疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生很大影響。 這些重要因素是表面質(zhì)量：磨、車(chē)加工、軋制、鑄造、鍛壓。 表面處理：電鍍或包層。 組裝過(guò)程和噴丸硬化、滾

9、壓等特殊處理導(dǎo)入的殘馀應(yīng)力。 運(yùn)用環(huán)境：腐蝕性氣體、鹽水腐蝕和使用溫度。 接觸面之間的微動(dòng)磨損。 5、疲勞分析的基本方法。 用于分析單軸數(shù)據(jù)，應(yīng)力幅度用于修正疲勞壽命。 單軸數(shù)據(jù)在實(shí)際問(wèn)題中很少，通常推薦多軸算法。 該算法可以通過(guò)使用S-N曲線(xiàn)和局部應(yīng)變材料數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 使用局部應(yīng)變材料數(shù)據(jù)時(shí)，疲勞壽命曲線(xiàn)由以下公式確定： 否則，壽命曲線(xiàn)由材料數(shù)據(jù)庫(kù)中指定的SN值決定。 稍后將描述不執(zhí)行Goodman、Gerber或平均應(yīng)力校正。 用于5.1單軸應(yīng)力壽命分析、5.2單軸應(yīng)變疲勞壽命算法、單軸數(shù)據(jù)分析，彈塑性應(yīng)變寬度用于疲勞壽命的修正計(jì)算。 單軸數(shù)據(jù)在實(shí)際問(wèn)題中不多，推薦多軸算法。真正的局部應(yīng)力幅度與耐久性的關(guān)系：真正的局部應(yīng)力幅度與耐久性的關(guān)系：平均應(yīng)力修正的三個(gè)等效壽命方程式如下：Smith-Watson-Topper平均應(yīng)力修正：Morrows平均應(yīng)力修正：不進(jìn)行平均應(yīng)力修正的應(yīng)力周期中：應(yīng)力范圍Smax-Smin應(yīng)力幅度(smax ) 相對(duì)于2平均應(yīng)力(smaxsm