2疲劳强度及寿命可靠性估计原理
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Sm
等效的零平均 应力循环
Sa
Seq Sm
( ) ∆S = SRI1 N f b1
Seq
Seq. Sa
Goodman线
应力幅值, S
0
Sm
Su
平百度文库应力, Sm
常用表面处理工艺
喷丸
冷轧
渗氮 渗碳
电镀
表面加工处理S-N 曲线修正
• 根据表面因子修正S-N 曲线 • 增加表面层的预压缩使得 S-N 曲
线上升 • 降低表面质量使得S-N 曲线下降
log S
1000 周
Se Se′ = Se × msur
Ne 周
log N
应力集中对疲劳寿命的影响
应力集中系数定义
σ
Kt = S
名义应力应变
Se
局部应力应变
σε
变幅疲劳载荷
• SN疲劳试验载荷通常 为等幅交变载荷
• 而实际的载荷通常比较 随机比较复杂
• 如何将实际的变化载荷 变换到类似于一些等幅 值的载荷是疲劳理论的 核心之一，这通常通过 雨流计数法来实现。
67
用户使用分布
概率密度
疲劳性能分散性
载荷循环
68
97% 50% 3%
69
对数疲劳寿命正态分布 考虑小样本的寿命下限
No of standard error from mean, q
-3 -2.33
2 -1.28
-1 0 1 1.28 2 2.33 3
probability of survival (%)
99.87 99 97.7 90 84 50 16 10 2.3 1 0.13
70
log(N ) =
µ) log(N )
+
-
1.96 n
−
2.33
βσ)log(N )
N
∏ N =
i
n =1
1
i n
⋅ 10
-1.96 n
−
2.33
βσ)log(N )
n为样本数；-1.96和-2.33对应于95%置信区间99%可靠度
S-N 曲线法 (名义应力法) 是以交变名义应力 为主要参量预测零部件疲劳失效循环周数 的一种经验方法。
S-N 疲劳试验
• 对测试件施加等幅交变载荷。
• 载荷的变化幅度和试样失效的 循环次数在对数坐标下进行拟 合计算。
• 疲劳试验国内外都有试验标准。 • S-N曲线可以是对光滑试样、
零件、部件、组合件或整个结 构。
• e-N (裂纹起始寿命法) 局部应变和裂纹起始寿命之间的关系
• LEFM (裂纹扩展寿命法) 应力强度因子和裂纹扩展速率之间的关系
这些方法依赖于相似性！
Nf = Ni + Np
总寿命
= 裂纹起始寿命 + 裂纹扩展寿命
名义应力法 S-N 局部应变法 (e-N) 断裂力学法
名义应力 (S-N) 法
疲劳寿命计算
疲劳寿命为总损伤值的倒数！
应力
时间
1
寿命＝∑ ni i Ni
寿命是多少个载荷信号重复块
S-N 疲劳分析流程 时域信号
峰谷抽取
雨流计数
Stress or Strain Stress or Strain
Time
寿命
损伤直方图
Time
Sε
100 µε
60000
N
损伤计算
S-N 方法特点
• 基于（名义）应力 • 用于预测总寿命 • 广泛应用于加载应力水平低、循环次数高
雨流计数法
应力范围 150 50 450
应力均值 275 125 225
循环次数 2 1 1
疲劳损伤概念
损伤（damage）定义
• 一个应力幅为 ∆S 的应力循环 所引起的损伤为
1
Ni
• n个应力幅为 ∆S的循环周所引 ∆S 起的损伤为
ni
Ni
• ni个循环将产生的损伤为1，疲
Ni
劳失效发生
ni =1 Ni
适用于高周疲劳
σnom
σ nom
同样的名义应力，同样的疲劳总寿命!
S-N 曲线
应力范围
Log 应力范围
∆S = SRI1(N )b1
b1 1
1 个应力循环
b2 1
疲劳极限
Log Nf 总寿命
试样和实际零件的差别
试样
• 通常没有应力集中 • 表面光洁度一定 • 通常不进行表面处理 • 尺寸一定 • 等幅加载 • 均值不变 (通常为 0)
零件
• 有应力集中 • 表面光洁度多样 • 表面可能经过处理 • 尺寸不同 • 通常为变幅加载 • 均值变化
S-N 寿命估计法思路
名义应力
• 从试样中测出材料的 S-N 曲线 • 考虑实际零件和试样的差别，修正 S-N 曲线 • 考虑试验加载和实际加载的区别 • 应用雨流技术对应力信号进行循环周计数 • 结合 Miner 损伤累积法则计算疲劳寿命
疲劳寿命的分散性
载荷分散性
几何分散性 材料分散性
概率(%)
寿命分散性
用户数
寿命（里程，时间，…） 100
99 90 70 50 30 20 10 5
2 1
20
失效里程
30 40 50
SWINS车辆耐久工程和试验技术研讨会，2016年4月19-22日，上海
疲劳可靠性原理简介
林晓斌 博士 HBM UK
金属疲劳失效的原因是什么？
• 外因：载荷的变化
• 内因：金属中有位错
5
什么是金属疲劳？
• 疲劳是一种机械损伤过程， 在这一过程中即使名义应 力低于材料的屈服强度， 载荷的反复变化也将引起 失效
• 疲劳一般包含裂纹萌生和 随后的裂纹扩展两个过程， 循环塑性变形是金属产生 疲劳的主要原因
6
疲劳寿命定义
典型S-N曲线
2UTS
( ) ∆S = SRI1 N f b1
第一疲劳强度指数 b1 = -0.2
应力范围截距 SRI1=3162 MPa
抗拉强度 UTS=600 MPa
疲劳强度转载点 Nc1=2e8
第二疲劳强度指数 b2=0
应力率 RR=-1
非对称等幅疲劳寿命估计（Goodman平均应力修正）
给定一个非零 平均应力循环
71
失效概率计算
• 怎样设计轿车的转向拉杆，满足绝大多数用户的使用要求？
概率密度
面积
载荷循环
73
(大于 1E4~1E5) 的高周疲劳失效问题 • 有关这种方法的大量材料数据可以获得 • 不适用于有显著塑性应变的疲劳问题 • 广泛用于焊接件 • 方法简单、易理解
其它高等疲劳寿命估计方法
• 多轴疲劳 • 焊缝疲劳 • 焊点疲劳 • 频域疲劳 • 热机疲劳 • 复合材料疲劳 • 腐蚀疲劳 • 接触疲劳 • 33
SWINS疲劳耐久工程和试验技术研讨会，2017年4月12-14日，杭州
疲劳强度及寿命可靠性估计原理
林晓斌 博士 HBM UK
内容 1. 疲劳寿命分析原理 2. 疲劳可靠性分析原理简介
3
SWINS车辆耐久工程和试验技术研讨会，2016年4月19-22日，上海
疲劳寿命估计原理
林晓斌 博士 HBM UK
• 裂纹起始寿命
• 裂纹扩展寿命
• 总寿命
影响疲劳寿命的关键因素
• 应力或应变变化范 • 平均应力 围
影响疲劳寿命的其它因素
• 应力集中（应力梯度） • 表面加工 • 表面处理 • 尺寸效应
加载频率、波形对室温疲劳影响很小！
三种基本（经典）的疲劳寿命估计方法
• S-N (总寿命法) 名义应力或弹性应力和总寿命之间的关系
疲劳寿命预测 – 我们需要什么?
疲劳分析5框图
载L荷oa数ds据 G几e何om信e息try 材Ma料te性ri能al
F疲a劳tig分ue析 m模od型els
疲Fa劳tig寿u命e Life
典型的疲劳分析途径
• 根据测试数据如应变，对关键位置进行疲劳寿命分析
• 以有限元分析结果为输入，计算结构和零部件表面的全场疲劳寿命 分布
挑战
• 怎样设计轿车的转向拉杆，满足绝大多数用户的使用要求？
58
使用分布和设计分布（应力-强度）
概率密度 应力
59
使用分布和设计分布（疲劳可靠性）
概率密度
载荷循环 等效载荷条件下！
60
主要使用分布
• 里程分布 • 环境分布 • 载重分布 • 驾驶习惯分布
61
用户里程韦伯分布分析及95%用户用途里程目标
等效的零平均 应力循环
Sa
Seq Sm
( ) ∆S = SRI1 N f b1
Seq
Seq. Sa
Goodman线
应力幅值, S
0
Sm
Su
平百度文库应力, Sm
常用表面处理工艺
喷丸
冷轧
渗氮 渗碳
电镀
表面加工处理S-N 曲线修正
• 根据表面因子修正S-N 曲线 • 增加表面层的预压缩使得 S-N 曲
线上升 • 降低表面质量使得S-N 曲线下降
log S
1000 周
Se Se′ = Se × msur
Ne 周
log N
应力集中对疲劳寿命的影响
应力集中系数定义
σ
Kt = S
名义应力应变
Se
局部应力应变
σε
变幅疲劳载荷
• SN疲劳试验载荷通常 为等幅交变载荷
• 而实际的载荷通常比较 随机比较复杂
• 如何将实际的变化载荷 变换到类似于一些等幅 值的载荷是疲劳理论的 核心之一，这通常通过 雨流计数法来实现。
67
用户使用分布
概率密度
疲劳性能分散性
载荷循环
68
97% 50% 3%
69
对数疲劳寿命正态分布 考虑小样本的寿命下限
No of standard error from mean, q
-3 -2.33
2 -1.28
-1 0 1 1.28 2 2.33 3
probability of survival (%)
99.87 99 97.7 90 84 50 16 10 2.3 1 0.13
70
log(N ) =
µ) log(N )
+
-
1.96 n
−
2.33
βσ)log(N )
N
∏ N =
i
n =1
1
i n
⋅ 10
-1.96 n
−
2.33
βσ)log(N )
n为样本数；-1.96和-2.33对应于95%置信区间99%可靠度
S-N 曲线法 (名义应力法) 是以交变名义应力 为主要参量预测零部件疲劳失效循环周数 的一种经验方法。
S-N 疲劳试验
• 对测试件施加等幅交变载荷。
• 载荷的变化幅度和试样失效的 循环次数在对数坐标下进行拟 合计算。
• 疲劳试验国内外都有试验标准。 • S-N曲线可以是对光滑试样、
零件、部件、组合件或整个结 构。
• e-N (裂纹起始寿命法) 局部应变和裂纹起始寿命之间的关系
• LEFM (裂纹扩展寿命法) 应力强度因子和裂纹扩展速率之间的关系
这些方法依赖于相似性！
Nf = Ni + Np
总寿命
= 裂纹起始寿命 + 裂纹扩展寿命
名义应力法 S-N 局部应变法 (e-N) 断裂力学法
名义应力 (S-N) 法
疲劳寿命计算
疲劳寿命为总损伤值的倒数！
应力
时间
1
寿命＝∑ ni i Ni
寿命是多少个载荷信号重复块
S-N 疲劳分析流程 时域信号
峰谷抽取
雨流计数
Stress or Strain Stress or Strain
Time
寿命
损伤直方图
Time
Sε
100 µε
60000
N
损伤计算
S-N 方法特点
• 基于（名义）应力 • 用于预测总寿命 • 广泛应用于加载应力水平低、循环次数高
雨流计数法
应力范围 150 50 450
应力均值 275 125 225
循环次数 2 1 1
疲劳损伤概念
损伤（damage）定义
• 一个应力幅为 ∆S 的应力循环 所引起的损伤为
1
Ni
• n个应力幅为 ∆S的循环周所引 ∆S 起的损伤为
ni
Ni
• ni个循环将产生的损伤为1，疲
Ni
劳失效发生
ni =1 Ni
适用于高周疲劳
σnom
σ nom
同样的名义应力，同样的疲劳总寿命!
S-N 曲线
应力范围
Log 应力范围
∆S = SRI1(N )b1
b1 1
1 个应力循环
b2 1
疲劳极限
Log Nf 总寿命
试样和实际零件的差别
试样
• 通常没有应力集中 • 表面光洁度一定 • 通常不进行表面处理 • 尺寸一定 • 等幅加载 • 均值不变 (通常为 0)
零件
• 有应力集中 • 表面光洁度多样 • 表面可能经过处理 • 尺寸不同 • 通常为变幅加载 • 均值变化
S-N 寿命估计法思路
名义应力
• 从试样中测出材料的 S-N 曲线 • 考虑实际零件和试样的差别，修正 S-N 曲线 • 考虑试验加载和实际加载的区别 • 应用雨流技术对应力信号进行循环周计数 • 结合 Miner 损伤累积法则计算疲劳寿命
疲劳寿命的分散性
载荷分散性
几何分散性 材料分散性
概率(%)
寿命分散性
用户数
寿命（里程，时间，…） 100
99 90 70 50 30 20 10 5
2 1
20
失效里程
30 40 50
SWINS车辆耐久工程和试验技术研讨会，2016年4月19-22日，上海
疲劳可靠性原理简介
林晓斌 博士 HBM UK
金属疲劳失效的原因是什么？
• 外因：载荷的变化
• 内因：金属中有位错
5
什么是金属疲劳？
• 疲劳是一种机械损伤过程， 在这一过程中即使名义应 力低于材料的屈服强度， 载荷的反复变化也将引起 失效
• 疲劳一般包含裂纹萌生和 随后的裂纹扩展两个过程， 循环塑性变形是金属产生 疲劳的主要原因
6
疲劳寿命定义
典型S-N曲线
2UTS
( ) ∆S = SRI1 N f b1
第一疲劳强度指数 b1 = -0.2
应力范围截距 SRI1=3162 MPa
抗拉强度 UTS=600 MPa
疲劳强度转载点 Nc1=2e8
第二疲劳强度指数 b2=0
应力率 RR=-1
非对称等幅疲劳寿命估计（Goodman平均应力修正）
给定一个非零 平均应力循环
71
失效概率计算
• 怎样设计轿车的转向拉杆，满足绝大多数用户的使用要求？
概率密度
面积
载荷循环
73
(大于 1E4~1E5) 的高周疲劳失效问题 • 有关这种方法的大量材料数据可以获得 • 不适用于有显著塑性应变的疲劳问题 • 广泛用于焊接件 • 方法简单、易理解
其它高等疲劳寿命估计方法
• 多轴疲劳 • 焊缝疲劳 • 焊点疲劳 • 频域疲劳 • 热机疲劳 • 复合材料疲劳 • 腐蚀疲劳 • 接触疲劳 • 33
SWINS疲劳耐久工程和试验技术研讨会，2017年4月12-14日，杭州
疲劳强度及寿命可靠性估计原理
林晓斌 博士 HBM UK
内容 1. 疲劳寿命分析原理 2. 疲劳可靠性分析原理简介
3
SWINS车辆耐久工程和试验技术研讨会，2016年4月19-22日，上海
疲劳寿命估计原理
林晓斌 博士 HBM UK
• 裂纹起始寿命
• 裂纹扩展寿命
• 总寿命
影响疲劳寿命的关键因素
• 应力或应变变化范 • 平均应力 围
影响疲劳寿命的其它因素
• 应力集中（应力梯度） • 表面加工 • 表面处理 • 尺寸效应
加载频率、波形对室温疲劳影响很小！
三种基本（经典）的疲劳寿命估计方法
• S-N (总寿命法) 名义应力或弹性应力和总寿命之间的关系
疲劳寿命预测 – 我们需要什么?
疲劳分析5框图
载L荷oa数ds据 G几e何om信e息try 材Ma料te性ri能al
F疲a劳tig分ue析 m模od型els
疲Fa劳tig寿u命e Life
典型的疲劳分析途径
• 根据测试数据如应变，对关键位置进行疲劳寿命分析
• 以有限元分析结果为输入，计算结构和零部件表面的全场疲劳寿命 分布
挑战
• 怎样设计轿车的转向拉杆，满足绝大多数用户的使用要求？
58
使用分布和设计分布（应力-强度）
概率密度 应力
59
使用分布和设计分布（疲劳可靠性）
概率密度
载荷循环 等效载荷条件下！
60
主要使用分布
• 里程分布 • 环境分布 • 载重分布 • 驾驶习惯分布
61
用户里程韦伯分布分析及95%用户用途里程目标