2疲劳强度及寿命可靠性估计原理
疲劳寿命预测与结构可靠性分析
疲劳寿命预测与结构可靠性分析疲劳是一种常见的结构失效形式，对于各种工程结构来说都是一个重要的问题。
疲劳失效通常是由于结构在长期的交变载荷下产生微小裂纹，最终导致结构破坏。
因此，准确预测疲劳寿命对于结构的安全可靠性分析至关重要。
疲劳寿命预测是通过建立适当的数学模型来估计结构在实际使用过程中的寿命。
这个过程需要考虑多种因素，包括结构的材料性能、载荷条件、结构几何形状等。
其中，最关键的是建立适当的疲劳损伤累积模型。
疲劳损伤累积模型是通过将载荷历程进行离散化，将结构在每个载荷循环下的应力水平与疲劳寿命损伤关系进行对应，从而计算出结构的疲劳损伤累积。
常用的疲劳损伤累积模型包括线性累积模型、双曲线累积模型和修正曲线累积模型等。
线性累积模型是最简单的疲劳损伤累积模型，它假设结构的疲劳寿命损伤与载荷循环次数成正比。
这个模型的优点是简单易用，但是在实际应用中往往存在较大的误差。
双曲线累积模型考虑了载荷历程中应力水平的变化，相对于线性累积模型更加准确。
修正曲线累积模型则进一步考虑了材料的强度退化和载荷频率对疲劳寿命的影响，是目前应用最广泛的模型之一。
除了疲劳寿命预测，结构可靠性分析也是一个重要的研究方向。
结构可靠性分析是通过考虑结构设计参数的不确定性，评估结构在设计寿命内的可靠性水平。
可靠性分析可以帮助工程师确定结构的安全系数，为结构的设计和维护提供科学依据。
结构可靠性分析的关键是确定设计参数的概率分布函数。
常用的方法包括统计分析、试验数据分析和专家经验法等。
统计分析方法通过对大量数据的统计处理，得到设计参数的概率分布函数。
试验数据分析方法则通过对实际试验数据的分析，估计设计参数的概率分布函数。
专家经验法则是根据专家的经验和知识，对设计参数的概率分布函数进行估计。
在结构可靠性分析中，可靠性指标是一个重要的评估指标。
常用的可靠性指标包括可靠性指数、失效概率和可靠度指标等。
可靠性指数是用来评估结构在设计寿命内的可靠性水平，失效概率则是评估结构在设计寿命内发生失效的概率。
机械零件的疲劳与寿命预测研究
机械零件的疲劳与寿命预测研究引言机械零件的疲劳寿命预测是现代工程学中的重要课题之一。
在高速、高负荷、长期运行的工况下，机械零件容易发生疲劳破坏，从而影响机械设备的安全性和可靠性。
因此，准确预测机械零件的疲劳寿命对于提高机械设备的使用寿命和可靠性具有重要意义。
一、疲劳与机械零件寿命疲劳是材料在交变载荷下发生的渐进性断裂现象，是机械零件在工作过程中最常见的失效形式之一。
在机械设备运行中，由于外界作用力的不断作用，机械零件会产生应力的集中和周期性变化，进而引发疲劳失效。
因此，了解机械零件的疲劳行为以及寿命预测具有重要意义。
二、疲劳损伤累积理论疲劳损伤累积理论是预测机械零件疲劳寿命的基础。
根据这一理论，机械零件在每一个疲劳循环中都会产生一定的损伤，这些损伤会逐渐累积，最终导致零件失效。
通过对零件在不同载荷下的应力-循环次数曲线进行分析，可以预测零件的疲劳寿命。
此外，还可以通过应力集中系数、材料的疲劳强度等参数来预测疲劳寿命。
三、常用的疲劳寿命预测方法1. 经验公式法经验公式法是疲劳寿命预测的一种简单有效的方法。
该方法基于历史数据和经验公式，通过分析零件的应力、载荷等参数，得到疲劳强度系数和载荷振幅系数，从而得出零件的疲劳寿命。
然而，由于该方法基于经验公式，其精度有限，容易受到应力分布和加载历史的影响。
2. 基于材料力学的方法基于材料力学的方法是一种物理模拟的疲劳寿命预测方法。
该方法通过材料的断裂力学性能和疲劳性能来预测零件的疲劳寿命。
该方法准确性较高，但需要大量的试验数据和复杂的分析方法来确定材料的力学性能参数。
3. 有限元法有限元法是一种基于数值模拟的疲劳寿命预测方法。
该方法通过建立机械零件的有限元模型，分析其受力状态和应力分布，进而预测零件的疲劳寿命。
该方法能够更准确地模拟零件在复杂载荷下的应力分布，但需要耗费大量的计算资源。
四、疲劳寿命预测的挑战与发展方向疲劳寿命预测仍然存在一些挑战，例如模型的精度和复杂性，以及材料参数的准确性等。
机械结构的疲劳寿命与可靠性分析
机械结构的疲劳寿命与可靠性分析机械结构的疲劳寿命和可靠性分析是机械工程领域中一个重要的课题。
疲劳寿命是指机械结构在长期连续循环载荷下能够正常工作的时间，而可靠性是指机械结构在设计寿命内不失效的概率。
本文将从疲劳寿命与可靠性的概念、影响因素、分析方法以及提高方法等几个方面进行论述。
首先，我们来了解一下疲劳寿命与可靠性的基本概念。
疲劳寿命与可靠性是机械结构设计与评估的重要指标，它们直接影响到机械设备的使用寿命和可靠性。
疲劳寿命是指机械结构在多次循环载荷下，出现疲劳破坏的时间，它是一个统计平均数，并且服从一定的概率分布。
而可靠性是指机械结构在规定的设计寿命内不失效的概率。
疲劳寿命和可靠性是衡量机械结构寿命和可靠性的重要指标。
其次，我们来探讨一下影响机械结构疲劳寿命与可靠性的因素。
首先是载荷条件的影响，载荷是引起结构疲劳破坏的主要原因之一。
不同的载荷条件下，机械结构的疲劳寿命和可靠性会有所不同。
其次是结构材料的影响，材料的强度、韧性和疲劳性能等都会对结构的疲劳寿命和可靠性产生影响。
此外，还有结构形状、焊接质量、温度等因素都会对机械结构的疲劳寿命和可靠性产生影响。
接下来，我们将介绍一些机械结构疲劳寿命与可靠性的分析方法。
首先是数值模拟方法，通过建立适当的数学模型，采用有限元分析等方法，对机械结构的疲劳寿命和可靠性进行预测和评估。
另外一种方法是试验方法，通过对机械结构进行疲劳试验，获取其疲劳寿命曲线和可靠性指标，来评估机械结构的疲劳寿命和可靠性。
而最常用的方法是基于统计学原理的可靠性设计方法，通过收集疲劳试验数据，利用统计分析方法建立概率模型，计算结构的可靠性指标。
最后，我们来探讨一下提高机械结构疲劳寿命与可靠性的方法。
首先是合理的结构设计，通过优化结构形状和尺寸，减少应力集中和历史因素，提高结构的疲劳寿命和可靠性。
其次是选用合适的材料，选择强度高、韧性好、抗疲劳性能优异的材料，可以提高结构的疲劳寿命和可靠性。
材料疲劳强度分析与寿命预测
材料疲劳强度分析与寿命预测材料疲劳强度分析与寿命预测是材料科学与工程领域中极为重要的课题之一。
疲劳是指材料在应力循环作用下所发生的破裂现象，是在很小的应力水平下引起的破坏。
材料在使用过程中会经受各种应力，如拉伸、压缩、扭转等，而这些应力的交替作用容易导致疲劳破坏的发生。
要进行材料的疲劳强度分析与寿命预测，首先需要对材料的疲劳性能进行评估。
疲劳性能指的是材料在应力循环作用下所具备的抗疲劳能力。
评估疲劳性能的方法主要有应力循环试验和疲劳寿命试验。
应力循环试验是通过施加不同的应力水平和循环次数，观察材料在循环载荷下的疲劳行为，从而得到疲劳曲线。
疲劳寿命试验则是通过对材料的循环载荷进行加速试验，以确定材料的疲劳寿命。
在进行材料的疲劳强度分析时，需要考虑到应力集中、表面缺陷等因素。
应力集中是指在材料中出现的局部应力增大区域，常见的应力集中形式有孔洞、缺口等。
这些应力集中部位容易引起应力集中，从而降低材料的疲劳强度。
因此，在分析材料的疲劳强度时，需要考虑到材料表面的缺陷情况，并采取一定的措施进行优化。
对于材料的寿命预测，有许多模型和方法可供选择。
常用的方法有极限疲劳强度法、残余寿命预测法等。
极限疲劳强度法是一种基于应力和循环次数的理论模型，通过对材料的疲劳曲线进行拟合，来预测材料的疲劳寿命。
残余寿命预测法是通过对材料的残余寿命进行测量，来预测材料的寿命。
这些方法在实际应用中都有一定的优点，但也存在着各自的局限性。
除了以上的方法，还有一些更精细和复杂的方法，如有限元法、位错理论等。
有限元法是一种常用的数值计算方法，在材料疲劳强度分析中有广泛应用。
它通过将材料分割成有限的小元素，利用数值计算的方法来模拟材料的应力分布和变形情况，从而得到材料的应力应变场。
位错理论则是通过研究材料的位错结构和相互作用来理解材料的疲劳行为。
综上所述，材料疲劳强度分析与寿命预测是一门复杂而重要的科学。
通过评估材料的疲劳性能，并综合考虑应力集中、表面缺陷等因素，可以对材料的疲劳强度进行分析。
混凝土的疲劳性能原理与评估
混凝土的疲劳性能原理与评估一、前言混凝土作为一种常见的建筑材料，在工程中扮演着重要的角色。
在使用过程中，混凝土会受到多种荷载的作用，这些荷载会对混凝土的疲劳性能产生影响。
因此，了解混凝土的疲劳性能原理和评估方法，对于确保工程结构的安全性和可靠性具有重要意义。
二、混凝土的疲劳性能原理1. 疲劳现象的定义疲劳现象是指物体在受到交替或周期性荷载作用下，由于材料的内部结构发生微小的变化，最终导致物体失效的现象。
2. 混凝土的疲劳破坏模式混凝土的疲劳破坏模式可以分为两种类型：表面疲劳破坏和内部疲劳破坏。
表面疲劳破坏是指混凝土表面出现龟裂、剥落等现象，造成表面损伤和破坏。
内部疲劳破坏是指混凝土内部出现微裂缝和裂纹，最终导致混凝土失效。
3. 影响混凝土疲劳性能的因素混凝土疲劳性能受到多种因素的影响，主要包括以下几个方面：（1）荷载类型和荷载幅值不同类型的荷载对混凝土的疲劳性能影响不同，荷载幅值越大，混凝土的疲劳破坏速度越快。
（2）混凝土本身的性质混凝土的强度、韧性、抗裂性等性质会影响混凝土的疲劳性能。
（3）混凝土的配合比和制备工艺混凝土配合比的不同会导致混凝土的疲劳性能差异，同时制备工艺对混凝土的疲劳性能也有一定影响。
（4）环境因素温度、湿度等环境因素对混凝土的疲劳性能也具有一定的影响。
4. 混凝土的疲劳寿命预测模型混凝土的疲劳寿命预测模型是评估混凝土疲劳性能的重要方法之一。
目前，常用的预测模型主要包括线性模型和非线性模型两种。
线性模型是指根据混凝土的疲劳试验数据，通过线性回归分析建立混凝土疲劳寿命与荷载循环次数之间的关系模型。
非线性模型是指采用复杂的数学模型，考虑多种因素对混凝土疲劳寿命的影响，建立混凝土疲劳寿命的非线性预测模型。
三、混凝土疲劳性能的评估方法1. 疲劳试验疲劳试验是评估混凝土疲劳性能的主要方法之一。
常用的疲劳试验包括拉压疲劳试验和弯曲疲劳试验。
拉压疲劳试验是指将混凝土试件在荷载循环作用下进行拉压应力加载，检测混凝土的疲劳性能。
2疲劳强度及寿命可靠性估计原理
2疲劳强度及寿命可靠性估计原理疲劳强度及寿命可靠性估计原理是一种用于评估材料或构件在疲劳加载下的强度和寿命的方法。
疲劳是指材料或构件在循环加载下发生的损伤和破坏现象，是工程结构中最常见的失效模式之一、疲劳强度和寿命的可靠性估计原理可以为工程设计和结构改进提供依据，以确保材料和构件的安全可靠运行。
疲劳强度是指材料或构件在循环加载下承受疲劳损伤的能力。
疲劳损伤通常以SN曲线（或称为Wöhler曲线）表示，该曲线描述了材料或构件在不同循环载荷下的强度和寿命。
通过对SN曲线的实验测试和分析，可以确定材料或构件在特定载荷历程下的疲劳强度，即材料或构件在特定循环载荷下发生疲劳破坏的概率。
疲劳寿命是指材料或构件在循环加载下能够承受的次数或时间。
疲劳寿命估计的原理是根据材料或构件的强度和应力历程确定其在特定应力水平下承受的载荷循环数或使用时间。
这种估计方法可以通过应力历程的统计分析、计算模型和数学建模等方法进行。
最常用的方法是通过采用一种应力-寿命模型来描述材料或构件的疲劳行为，并通过实验测试和数据拟合来确定该模型的参数。
疲劳强度及寿命的可靠性估计原理基于统计学和可靠性工程理论。
在进行疲劳强度和寿命估计时，需要考虑到材料或构件的不确定性和变异性，以及设计的可靠性要求。
通过引入可靠度指标和可靠性分析方法，可以对疲劳强度和寿命进行可靠性评估，并确定其可靠性指标，如失效概率、失效率等。
在疲劳强度及寿命可靠性估计过程中，还需要考虑到材料和构件的预防措施和改进措施。
预防措施包括材料的优化设计、制备和处理，以提高材料的抗疲劳性能；改进措施包括结构的几何形状和尺寸优化、加载历程和工况的优化等，以减小结构的疲劳应力和增加结构的寿命。
总之，疲劳强度及寿命可靠性估计原理是一种综合应用力学、材料科学、统计学和可靠性工程理论的方法，通过实验测试、数据分析和数学建模等方式，对材料和构件在疲劳加载下的强度和寿命进行评估和预测。
这种估计方法可以为工程设计和结构改进提供依据，以确保材料和构件的安全可靠运行。
材料的疲劳性能评估与寿命
材料的疲劳性能评估与寿命材料的疲劳性能评估是一个重要的领域，它在工程和科学领域中具有广泛的应用。
评估材料的疲劳性能能够帮助工程师和科学家预测材料在实际使用中的寿命，从而确保材料的可靠性和安全性。
本文将探讨材料的疲劳性能评估方法以及与寿命的关系。
一、疲劳性能的概念疲劳性能指的是材料在受到交变应力作用下，随时间逐渐发生的损伤或破坏。
疲劳性能通常通过疲劳寿命来评估，即材料在特定应力水平下可以承受多少次疲劳循环，直到发生破坏。
疲劳性能的评估对于许多行业来说至关重要，比如航空航天、汽车制造和桥梁建设等。
二、疲劳性能评估方法1. 疲劳试验疲劳试验是评估材料疲劳性能最常用的方法之一。
它通过施加交变载荷，在不同应力水平下进行循环加载，记录材料的变形和裂纹扩展情况。
通过分析试验数据，可以得到材料的疲劳寿命和疲劳强度等参数。
疲劳试验需要考虑许多因素，如载荷频率、温度和湿度等。
2. 数值模拟数值模拟是一种通过计算机仿真来评估材料疲劳性能的方法。
数值模拟可以基于实验数据或材料的力学性质来建立模型，通过加载历史和材料特性来预测疲劳寿命。
数值模拟方法可以提供更快速和经济的评估过程，并且可以帮助优化材料设计。
3. 材料参数估计材料参数估计是一种通过测量材料的组织结构和物理性质来评估疲劳性能的方法。
通过分析材料的晶粒结构、晶界特征和组织形态等参数，可以预测材料的疲劳寿命。
材料参数估计方法需要依赖先进的显微镜技术和材料科学的知识。
三、疲劳性能与寿命的关系材料的疲劳性能与寿命密切相关。
材料的疲劳性能评估可以帮助工程师确定材料在实际工作条件下的可靠性和安全性，并预测材料的使用寿命。
优秀的疲劳性能可以延长材料的使用寿命，提高产品的质量和可靠性。
在实际工程中，为了评估材料的疲劳性能和寿命，需要考虑材料的强度、韧性、断裂韧性和变形能力等因素。
这些因素对于材料的疲劳行为和性能有着重要的影响。
此外，材料的疲劳性能也与环境因素有关。
温度、湿度和腐蚀等环境条件会影响材料的疲劳性能和寿命。
疲劳寿命试验法和评价法
疲劳寿命试验法和评价法4.4 疲劳寿命试验法和评价法（l ）热循环加速试验和疲劳寿命评价方法作为接合部热循环疲劳强度评价的试验方法，最好使用热循环加速试验，为验证上述采用应力解析方法说明非线性应变振幅和热循环疲劳试验对接合部疲劳寿命的关系，利用非线性应变振幅施行的接合部热循环疲劳试验结果由图4.9 表示。
图示说明采用几种不同的条件得到的疲劳寿命结果差不多在相同的直线上，评价应力应变首先要正确评价各试验区间（温度变化和温度保持）对蠕变的影响，同时还需考虑焊料材料的温度依存性。
在材料的时间依存性和温度依存性正确评价的基础上，利用接合部生存的非线性应变振幅，再根据Coffin-Manson 法则得到接合部的热疲劳强度，热疲劳强度评价公式见下面。
1/2(/)(4)m Nf eqin o εε-=∆∆----------这里的Nf 表示接合部的疲劳寿命，△εeqin 是根据材料的时间依存性和温度依存性评价后得到的接合部非线性等效应变振幅。
用热循环疲劳实验可以减少表示强度特性的△εeo 、m 系数，这是试验时需注意的一点。
（2）机械性疲劳试验和疲劳寿命评价方法在研究接合部热疲劳寿命时，常用热冲击试验机进行循环试验，但是热冲击试验机的高温、低温保持时间比较容易控制，由高温到低温或由低温到高温的温度变化时间较难控制，因焊料接合部形状的不同有时要实行不同的疲劳寿命试验，就需改变试验温度等级，原来设定的高温侧温度为125℃-150℃ ，针对使用温度20℃-80℃ 的共晶焊料（熔点183℃）这样对上面的热循环试验条件有必要重新考虑。
热循环试验存在的问题是，对接合部采用的是热疲劳寿命加速试验，很少采用作为实际使用时的模拟试验。
另外，在实际使用场合设计的接合部疲劳寿命最少为10周期（循环），每试验一个周期最短时间为20 分钟，10的周期需要4-5 个月以上的试验时间，这种评价方法化费的代价太大。
在新产品投产期间，投资商所希望的热循环疲劳试验至多1-2 个月。
工程结构材料的疲劳强度与寿命预测
工程结构材料的疲劳强度与寿命预测近年来，工程结构材料的疲劳强度与寿命预测一直是工程领域的重要研究内容之一。
疲劳破坏是许多结构工程中常见的问题，它会导致结构的损坏和功能失效，甚至引发重大事故。
因此，能够准确预测材料的疲劳强度和寿命对于工程设计和安全评估至关重要。
疲劳强度是指材料在循环载荷作用下所能承受的最大应力，是疲劳寿命的一个重要指标。
疲劳强度的预测需要考虑多个因素，如载荷类型、应力水平、循环次数等。
常见的疲劳载荷类型包括拉伸、压缩和弯曲等，不同载荷类型下材料的响应和疲劳行为也会有所不同。
通过实验和理论分析，工程师可以获取材料在不同载荷下的疲劳强度数据，并建立相应的预测模型。
材料的疲劳寿命是指在循环载荷作用下，材料总共可以承受的循环次数或循环应变。
疲劳寿命与疲劳强度密切相关，而且受到材料的物理和化学特性、微观结构以及外界环境等因素的影响。
目前的研究表明，材料的疲劳寿命与其宏观机械性能、缺陷分布和形貌以及应力集中程度等有关。
理解并准确预测材料的疲劳寿命对于工程结构的可靠性和安全性至关重要。
为了预测工程结构材料的疲劳强度和寿命，研究者们发展了各种预测模型和方法。
其中，基于统计学和经验模型的方法是最常用的技术之一。
这些模型建立在大量实验数据和经验规律的基础上，通过统计分析和回归分析来预测材料的疲劳性能。
通过这些模型，工程师可以快速估计材料在给定载荷下的疲劳寿命，为工程设计和结构评估提供可靠的依据。
此外，材料的疲劳强度和寿命还可以通过数值模拟的方法进行预测。
数值模拟方法基于材料的力学行为和疲劳损伤机理，通过有限元分析、多尺度模拟和数值优化等技术手段来预测材料的疲劳行为。
这种方法可以更全面地考虑各种影响因素，并对结构的疲劳性能进行精确的预测。
然而，数值模拟方法需要大量的计算和材料参数，对计算资源和材料性质的精确获取有较高的要求。
总的来说，工程结构材料的疲劳强度与寿命预测是一项复杂而重要的课题。
通过建立合理的预测模型和方法，可以准确评估材料的疲劳性能，并为工程设计和结构评估提供有力支持。
混凝土结构的疲劳与寿命评估原理
混凝土结构的疲劳与寿命评估原理一、背景介绍混凝土结构是现代建筑中常见的一种结构形式，具有耐久性、可靠性、安全性等优点，但在长期使用过程中，会受到疲劳、老化等因素的影响，导致结构性能下降，甚至发生塌陷事故。
因此，对混凝土结构进行疲劳与寿命评估显得尤为重要。
二、混凝土结构的疲劳与寿命评估方法1.疲劳评估方法混凝土结构在受到交变荷载作用时，容易发生疲劳破坏，因此，疲劳评估是混凝土结构寿命评估的重要内容之一。
疲劳评估方法主要有以下几种：（1）应力范围法应力范围法是目前应用最广泛的一种疲劳评估方法，其基本原理是通过将疲劳荷载转化为等效应力范围，与材料的疲劳性能进行比较，从而判断结构是否处于疲劳破坏的临界状态。
其表达式为：Δσ=σmax-σmin其中，Δσ为应力范围，σmax和σmin分别为最大应力和最小应力。
（2）循环应力法循环应力法是基于疲劳破坏理论的一种疲劳评估方法，其基本原理是通过建立循环应力-应变曲线，对结构在疲劳荷载下的应变进行累积，从而判断结构是否处于疲劳破坏的临界状态。
（3）应变范围法应变范围法是一种基于应变范围的疲劳评估方法，其基本原理是通过将疲劳荷载转化为等效应变范围，与材料的疲劳性能进行比较，从而判断结构是否处于疲劳破坏的临界状态。
其表达式为：Δε=εmax-εmin其中，Δε为应变范围，εmax和εmin分别为最大应变和最小应变。
2.寿命评估方法混凝土结构的寿命评估主要是通过计算结构的使用年限，判断结构是否已经达到了设计寿命或者临界寿命，从而进行结构的维修或者更换。
寿命评估方法主要有以下几种：（1）经验法经验法是一种基于过往经验的寿命评估方法，其基本原理是通过结构的使用年限、环境条件、维护保养等因素，综合考虑结构的老化程度，从而判断结构是否已经达到了设计寿命或者临界寿命。
（2）理论法理论法是一种基于结构的力学性能和结构材料的性能参数，通过计算结构的使用寿命，判断结构是否已经达到了设计寿命或者临界寿命。
疲劳寿命计算
疲劳分析的数值计算方法及实例第一节引 言零件或构件由于交变载荷的反复作用，在它所承受的交变应力尚未达到静强度设计的许用应力情况下就会在零件或构件的局部位置产生疲劳裂纹并扩展、最后突然断裂。
这种现象称为疲劳破坏。
疲劳裂纹的形成和扩展具有很大的隐蔽性而在疲劳断裂时又具有瞬发性，因此疲劳破坏往往会造成极大的经济损失和灾难性后果。
金属的疲劳破坏形式和机理不同与静载破坏，所以零件疲劳强度的设计计算不能为经典的静强度设计计算所替代，属于动强度设计。
随着机车车辆向高速、大功率和轻量化方向的迅速发展，其疲劳强度及其可靠性的要求也越来越高。
近几年随着我国铁路的不断提速，机车、车辆和道轨等铁路设施的疲劳断裂事故不断发生，越来越引起人们的重视。
疲劳强度设计及其研究正在成为我国高速机车车辆设计制造中的一项不可缺少的和重要的工作。
金属疲劳的研究已有近150年的历史，有相当多的学者和工程技术人员进行了大量的研究，得到了许多关于金属疲劳损伤和断裂的理论及有关经验技术。
但是由于疲劳破坏的影响因素多而复杂并且这些因素互相影响又与构件的实际情况密切相关，使得其应用性成果尚远远不能满足工程设计和生产应用的需要。
据统计，至今有约90%的机械零部件的断裂破坏仍然是由直接于疲劳或者间接疲劳而引起的。
因此，在21世纪的今天，尤其是在高速和大功率化的新产品的开发制造中，其疲劳强度或疲劳寿命的设计十分重要，并且往往需要同时进行相应的试验研究和试验验证。
疲劳断裂是因为在零件或构件表层上的高应力或强度比较低弱的部位区域产生疲劳裂纹，并进一步扩展而造成的。
这些危险部位小到几个毫米甚至几十个微米的范围，零件或构件的几何缺口根部、表面缺陷、切削刀痕、碰磕伤痕及材料的内部缺陷等往往是这种危险部位。
因此，提高构件疲劳强度的基本途径主要有两种。
一种是机械设计的方法，主要有优化或改善缺口形状，改进加工工艺工程和质量等手段将危险点的峰值应力降下来；另一种是材料冶金的方法，即用热处理手段将危险点局部区域的疲劳强度提高，或者是提高冶金质量来减少金属基体中的非金属夹杂等材料缺陷等局部薄弱区域。
基于有限元方法的机械结构疲劳寿命预测
基于有限元方法的机械结构疲劳寿命预测疲劳寿命预测在机械结构设计中具有重要的作用，可以有效地评估结构的使用寿命和可靠性。
有限元方法是一种常用的工程分析方法，它可以模拟和分析机械结构的强度和刚度等力学性能。
本文将探讨基于有限元方法的机械结构疲劳寿命预测，并介绍其中的一些关键技术和应用案例。
疲劳是机械结构常见的失效模式之一，它是由于长期受到循环加载而引起的结构破坏。
在实际应用中，机械结构往往会遭受到各种不同类型的加载，例如振动、冲击、拉伸等。
这些加载会导致结构中产生应力和应变的周期性变化，从而导致疲劳损伤的积累。
因此，准确预测机械结构的疲劳寿命对于确保结构的可靠性和安全性至关重要。
有限元方法是一种基于数值计算的工程分析方法，通过将结构离散为有限数量的小元素，然后利用力学原理求解每个元素内的应力和应变分布，最终得到整个结构的力学性能。
在机械结构疲劳寿命预测中，有限元方法可以通过模拟结构的循环加载过程和应力分布，来评估结构的耐久性能。
要基于有限元方法进行机械结构的疲劳寿命预测，首先需要建立结构的有限元模型。
有限元模型的建立包括几何模型的建立和网格剖分。
几何模型是指对机械结构进行几何形状和尺寸的描述，可以通过计算机辅助设计软件进行建模。
网格剖分则是将结构离散为有限数量的小元素，通常采用三角形单元或四边形单元进行网格生成。
建立有限元模型后，需要为结构施加适当的负载和边界条件。
这些加载和边界条件应该能够模拟结构在实际使用中所受到的加载情况。
例如，对于一台发动机的曲轴，可以通过施加周期性的振动加载模拟其在工作状态下的受力情况。
接下来，需要利用有限元软件对有限元模型进行求解。
在疲劳寿命预测中，通常采用动力学分析方法，通过模拟结构在加载过程中的动态响应，来估计结构在疲劳循环加载下的应力和应变分布。
有限元软件可以计算每个节点和元素的应力和应变，建立应力和应变历程，从而评估结构的疲劳损伤程度。
疲劳寿命的评估通常使用一种称为疲劳损伤累积理论的方法。
结构材料的疲劳寿命与可靠性分析
结构材料的疲劳寿命与可靠性分析1500字结构材料的疲劳寿命与可靠性分析在工程设计和材料科学领域扮演着重要的角色。
本文将探讨疲劳寿命的定义、影响因素以及可靠性分析的方法，以期为相关研究提供参考和指导。
1. 疲劳寿命的定义疲劳寿命指的是材料在反复应力载荷作用下发生破坏的循环次数。
疲劳寿命直接影响着结构的安全性和可靠性，因此其准确预测和评估对于工程设计至关重要。
疲劳寿命的评估一般采用疲劳试验来获取材料的疲劳曲线，通过实验数据拟合来预测材料的疲劳寿命。
2. 影响疲劳寿命的因素疲劳寿命受多种因素的影响，其中最重要的因素包括材料的强度、硬度、形变能力、表面处理以及加载模式等。
材料的强度决定了其能够承受的最大应力值，硬度决定了材料抵抗变形和破坏的能力，而形变能力则反映了材料在受到应力作用下的变形能力。
同时，材料的表面处理也会影响其疲劳寿命，例如表面缺陷和裂纹会导致疲劳寿命的减小。
此外，加载模式也对疲劳寿命有着直接的影响，不同的载荷模式会导致不同的应力状态，从而影响材料的疲劳寿命。
3. 可靠性分析的方法可靠性分析是评估材料或结构在特定工作条件下不发生失效的概率。
可靠性分析的结果可以用来指导材料和结构的设计，以确保其满足工程要求。
常用的可靠性分析方法包括统计分析法、蒙特卡洛模拟法和灵敏度分析法等。
统计分析法基于大量的试验数据和统计学原理，通过建立概率模型来评估疲劳寿命的可靠性。
蒙特卡洛模拟法通过随机取样来模拟不同的工作条件，从而得到不同情况下疲劳寿命的分布。
而灵敏度分析法则用于评估输入参数对疲劳寿命的影响程度，从而确定哪些参数对可靠性具有关键作用。
综上所述，结构材料的疲劳寿命与可靠性分析对于工程设计和材料科学至关重要。
疲劳寿命的预测需要考虑多种因素，包括材料性能、载荷模式和表面处理等。
可靠性分析可以用来评估疲劳寿命的可靠性，并指导设计工作。
不断优化和改进可靠性分析的方法，将进一步提高结构材料的安全性和可靠性，在工程实践中发挥更加重要的作用。
疲劳与寿命评估技术
9.3疲劳与寿命评估技术1.疲劳基础疲劳研究拥有120多年的漫长历史，在此段时间内取得了显着进展。
然而，直至今天似乎没有终止由于疲劳的事故发生。
这意味着，由于一些因素干预对疲劳性能的影响是巨大的，在长时期将需要充分体现。
此外，新问题出现在新材料的使用和环境变化。
鉴于此，疲劳研究可以理所当然地被称为基础研究。
疲劳的基本机制是细裂缝不断展开和生长由于重复的负载而导致破裂。
宏观结构发生变化，譬如疲劳的基本机制是微裂纹不断展开了，在任何情况，较大的疲劳塑性变形都是的周期，但是没有宏观的结构变化发生在高周期疲劳中，其中只有轻微的塑性变形发生。
此外，高对缺陷是疲劳的另一种特性。
即使微小的缺陷，在静态拉伸测试中，也是影响疲劳的一个因素。
有许多因素影响金属材料的疲劳性能，如冶金因素，外形尺寸因素，使用环境条件，等等。
在这里，我将重点的解释冶金因素的影响。
也就是说，我们将证明金属材料在室温的氛围的一些标准疲劳性能。
2.疲劳强度的评估大致对影响疲劳性能的冶金因素分类，这些可以被划分成结构和静态力量。
当然，这两者是相互关联的，当评估疲劳强度时主要针对金属静态强度。
例如，钢铁材料的疲劳极限σw与抗拉强度σb和维氏硬度HV有关系。
在这里，疲劳极限是指到了极限应力在疲劳断裂而不会发生重复，即使它是一个无限循环，在循环疲劳试验中确定了次数高达10000000。
此外，不仅是疲劳极限，但也是有限的使用寿命展现了维氏硬度和抗拉强度的关系方程，可以通过坐标图表现，是有可能的总结多种材料的S—N曲线不同的静态优势。
可以采用这种标准化的S—N曲线估计有限使用寿命或疲劳寿命。
其中，面积（微米）是轴向平方根缺陷的投影面积的。
在缺陷存在情况下，材料分子系数由1.43成为1.56 。
上述内容表现出材料的疲劳极限。
另一方面，许多金属材料不表现出的疲劳极限。
例如, 在高强度钢疲劳强度消失的情况下，即表现出了钢铁材料的疲劳极限。
图9.3.1显示材料的拉伸强度和疲劳强度之间的关系，但是式(1)高估疲劳极限的情况出现在抗拉强度在1,200 兆帕以上的钢。
产品疲劳寿命评估
产品疲劳寿命评估一、疲劳及疲劳分析概述疲劳就是材料在循环应力和应变作用下“在一处或几处产生永久性累积损伤”经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。
疲劳寿命的定义为发生疲劳破坏时的载荷循环次数，或从开始受载到发生断裂所经过的时间。
即材料或构件疲劳失效时所经受的规定应力或应变的循环次数，是设计人员和工程技术人员十分关注的课题，也是与广大用户切身相关的问题。
构件的疲劳是个复杂的过程"受多种因素的影响，要精确地预估构件的疲劳寿命，需要选择合适的模型，这就需要宏观力学方面的研究，包括疲劳裂纹发生、发展直至破坏的机理，还需要微观力学方面的研究包括位错理论等。
此外，还涉及到金属材料科学、材料力学、振动力学、疲劳理论、断裂力学和计算方法等多门学科。
只有更深刻地认识了疲劳破坏的机理，将宏观和微观研究结合起来，才能更精确地预测寿命。
归纳疲劳寿命预测的各种理论与方法，可看出疲劳分析具有以下优势和问题：1.预测疲劳裂纹形成寿命的方法很多，但是仍有很多问题需要不断深入探讨，例如裂纹形成寿命的定义、更能反映实际损伤历程的疲劳损伤累积理论、循环应力应变曲线的描述等，更为重要的是需要深入了解疲劳裂纹形成阶段的损伤机理。
目前在疲劳裂纹形成寿命预测方法中，局部应力应变法最有效，使用也最为广泛；场强法发展迅速，具有发展潜力，但是其分析计算方法较为复杂。
2.由于很多工程构件都含有尖锐缺口或裂纹，疲劳寿命往往主要消耗于裂纹的扩展阶段，因此根据断裂力学的相关理论所建立的疲劳裂纹扩展寿命的相关预测方法在寿命预测中具有越来越重要的地位。
断裂力学在近20年来已经较为深刻地揭示了疲劳裂纹扩展的机理，因而利用其相关知识建立一个描述裂纹扩展过程的真实模型非常必要，这也是目前疲劳裂纹扩展寿命预测研究的重点之一。
3.将疲劳破坏过程分为形成与扩展两个阶段进行处理，分别估算出两部分的疲劳寿命，从而能够更为准确地预测整个疲劳寿命。
二、基于有限元的疲劳仿真分析思路用有限元法进行疲劳分析，其基本思路是：首先进行静或动强度分析，然后进入到后处理器取出相关的应力应变结果，在后处理器中再定义载荷事件，循环材料特性，接着根据所需要的疲劳准则对每一个载荷事件进行寿命计算，最后根据累计损伤理论判断是否开始破坏。
机械结构的疲劳寿命预测与可靠性研究
机械结构的疲劳寿命预测与可靠性研究摘要:机械设备广泛应用于建筑活动，机械结构稳定性对工程项目建设质量以及建设进度有直接影响,采取有效措施检测机械结构可靠性，预测机械结构疲劳寿命,能为机械结构调整、机械结构可靠性设计提供依据.本文首先进行理论介绍，然后分析机械结构疲劳寿命预测与可靠性方法研究现状，最后提出机械结构可靠性提升措施.ﻭ关键词:机械结构；疲劳寿命预测；可靠性；方法ﻭﻭ目前工程项目建设规模扩大,工程建筑项目开展的过程中，做好机械结构疲劳寿命预测工作是极为必要的，选用可靠性方法不仅能够保证机械结构安全性，而且还能大大提高机械运行效率。
ﻭﻭ１理论介绍ﻭ１.1机械结构疲劳机械设备长时间运行会出现疲劳现象,严重者还会产生裂纹，导致机械设备完整性被破坏，这在一定程度上会加大机械设备运行风险，降低机械结构可靠性。
机械设备疲劳表现在两方面,第一方面即机械结构发生塑性应变,第二方面即机械设备发生弹性应变,由于机械设备疲劳受多种因素影响,如果影响因素未能合理控制,那么疲劳度会在短时间内大大增加。
常见影响因素主要有温度、载荷等，因此,预测机械结构疲劳度寿命时应综合考虑,这对疲劳度等级划分有依据作用.1．２机械结构可靠性ﻭﻭﻭ机械结构可靠性贯穿于设计阶段、实际使用阶段、维修养护阶段,机械结构可靠性影响因素较多，其中，材料性质、材料尺寸及形状、使用环境、负载情况对可靠性有关键性影响,间接影响机械设备使用性能以及使用寿命。
随着机械结构运行时间的延长，机械机构故障问题随之增多，会不同程度的威胁建筑工程安全性，基于此，相关部门高度关注,并分析机械结构疲劳问题产生原因,提出问题处理的相应措施,制定机械结构可靠性方法。
ﻭﻭ2基本现状ﻭﻭ机械结构之所以会出现构件失效现象,主要是因为机械结构疲劳寿命缩短导致,现如今，机械设备应用范围不断拓展,机械设备只有增强性能，才能提高在高温、高速这类严苛环境中的适用性。
随着科学技术的不断，机械结构疲劳寿命预测与可靠性方法不断创新,这对机械结构优化有重要意义。
机械设计中的疲劳与寿命评估
机械设计中的疲劳与寿命评估在机械设计领域，疲劳与寿命评估是一个至关重要的步骤。
准确评估机械零部件的疲劳寿命，可以有效提高产品的可靠性和耐久性。
本文将探讨疲劳与寿命评估的基本概念和常用方法。
一、疲劳与寿命评估的背景疲劳是机械零部件在交变载荷作用下的破坏形式之一。
长时间的交变载荷作用会导致零部件发生疲劳开裂，最终导致失效。
因此，对机械零部件的疲劳性能进行评估至关重要。
寿命评估是对机械零部件在给定工作条件下的使用寿命进行估计。
通过合理的寿命评估，可以预测机械零部件的寿命，从而对产品的可靠性和耐久性进行有效控制。
二、疲劳寿命评估的基本概念1. 疲劳裂纹疲劳裂纹指的是在周期性的载荷作用下，由于材料的疲劳损伤而引起的裂纹。
疲劳裂纹的形成是一个逐渐扩展的过程，在疲劳寿命评估中需要重点关注裂纹的扩展速率。
2. 疲劳寿命疲劳寿命是指在给定工作条件下，机械零部件可以承受多少个循环载荷周期，而不发生破坏。
通过设计合理的疲劳寿命，可以确保零部件在实际使用中具有足够的耐久性。
3. 疲劳强度疲劳强度是指材料在疲劳加载下能够承受的最大应力水平。
实际应用中，需要将疲劳强度与材料的强度进行比较，以确保零部件在工作过程中不会发生疲劳破坏。
三、疲劳与寿命评估的常用方法1. 应力-寿命曲线法应力-寿命曲线法是一种基于实验数据的疲劳寿命评估方法。
通过对不同应力水平下的循环载荷试验，可以得到应力与寿命之间的关系曲线。
通过插值和外推方法，可以预测不同应力水平下的寿命。
2. 极限疲劳试验法极限疲劳试验法是一种对机械零部件进行疲劳破坏试验的方法。
通过在给定载荷下进行循环载荷试验，记录零部件的破坏循环数，从而得到其疲劳寿命。
3. 有限元分析法有限元分析法是一种基于数值模拟的疲劳寿命评估方法。
通过建立零部件的有限元模型，考虑材料的本构关系和载荷条件，利用数值分析软件进行模拟计算，得到零部件的应力分布和应变分布。
通过应力分析结果，可以评估零部件的疲劳寿命。
机械零件的疲劳寿命分析及寿命预测
机械零件的疲劳寿命分析及寿命预测一、引言机械零件在使用过程中经常会经历交替应力、循环载荷等情况，随着使用的时间增加，可能会产生疲劳现象，导致零件失效，从而影响机器或设备的正常运行。
因此，分析机械零件的疲劳寿命，预测寿命的情况下，有助于提高机械设备的可靠性，减少维修费用和停机时间。
二、疲劳寿命分析1、疲劳寿命的定义疲劳寿命指在特定载荷下零件经过多次往复应力循环后发生疲劳破裂前的使用寿命。
2、疲劳失效的原因疲劳失效是由于零件长期承受交替应力、循环载荷引起的。
当零件内部应力达到一定值时，就会出现微小的裂纹，随着使用时间的增加，裂纹会逐渐扩展，最终导致零件的断裂。
3、疲劳寿命分析的方法为了分析机械零件的疲劳寿命，需要运用实验方法和计算方法两种方法。
实验方法主要是通过模拟循环载荷来对零件进行疲劳试验，得出疲劳寿命。
计算方法则通过分析零件的几何形状、材料性能、工作载荷等参数，利用数学方法计算出疲劳寿命。
4、疲劳寿命分析的步骤（1）确定零件的工作载荷和工况，根据实际情况确定零件受到的应力类型以及循环载荷的大小。
（2）确定零件的应力范围，根据零件工作载荷和材料的弹性模量计算出应力范围。
（3）计算疲劳强度系数，疲劳强度系数是指材料的疲劳极限（抗疲劳强度）与实际应力范围之间的比值，它是评估疲劳寿命的关键因素。
（4）应用材料疲劳曲线和极限疲劳循环次数得出零件的疲劳寿命。
三、寿命预测1、寿命预测方法为了预测机械零件的寿命，需要了解材料的疲劳强度曲线和应力分布等参数。
因此，寿命预测方法的主要任务是建立一个与材料和工况有关的模型，并利用该模型进行寿命预测。
2、寿命预测模型寿命预测模型是通过分析材料的疲劳性能和预处理实验数据得出的。
根据预处理数据和材料性质，可建立一个基于概率的寿命模型，以预测未来所需的寿命。
3、寿命预测的应用寿命预测可用于评估机械零件的耐久性，避免零件在使用过程中出现过载和振动等问题。
通过预测零件的寿命，可以及时采取相应的维护措施，延长机器的使用寿命。
机械工程中的材料疲劳测试原理
机械工程中的材料疲劳测试原理材料疲劳测试是机械工程中非常重要的一项测试，它能够评估材料在长期循环载荷下的性能和寿命。
本文将探讨机械工程中材料疲劳测试的原理及其应用。
一、疲劳是一种材料失效的类型疲劳失效是指材料在经历了多次循环载荷后，发生裂纹形成、扩展，最终导致断裂的过程。
与单次超载而引起的瞬时断裂相比，疲劳失效是一种渐进性的、逐渐积累的失效类型。
疲劳失效常常是由于材料中的微小缺陷在循环载荷下逐渐扩展形成裂纹，最终导致材料断裂。
二、材料的疲劳强度与寿命材料的疲劳强度是指在特定的应力水平下承受多次循环载荷所能达到的寿命。
疲劳强度直接影响着机械工程中零件的设计和耐久性评估。
对于材料来说，其疲劳性能与材料的内在特性、表面状态、应力水平和加载频率等因素密切相关。
疲劳寿命是指材料在特定的应力水平下能够承受的循环载荷次数。
通过疲劳测试可以确定材料的疲劳强度和寿命，从而为机械工程中的设计、材料选择和结构优化等提供依据。
三、机械工程中常用的疲劳测试方法1. 标准组态法：该方法是最常用的疲劳测试方法之一，它模拟了实际使用条件下的循环载荷。
在标准组态法中，通过构建特定的载荷模式（如轴向拉伸、弯曲、扭转等），对材料进行循环载荷，记录应力和应变的变化，并实时监测材料的变形和裂纹扩展情况。
通过对材料进行多次循环载荷，可以确定材料的疲劳性能和疲劳寿命。
2. 频率响应法：该方法通过施加不同频率的循环载荷来评估材料的疲劳性能。
在频率响应法中，通过在材料上施加不同频率的谐波载荷，检测材料的应力应变响应和振动特性。
通过分析这些响应数据，可以得出材料的疲劳特性和寿命。
3. 断裂力学方法：该方法通过检测材料中的裂纹扩展行为来评估其疲劳性能。
断裂力学方法需要对材料进行精确的几何测量和裂纹扩展监测。
通过施加不同的振幅载荷和频率，观察裂纹的扩展行为和材料的变形情况，可以确定材料的疲劳特性和寿命。
四、材料疲劳测试的应用材料疲劳测试广泛应用于机械工程中的零件设计、产品可靠性评估和质量控制等领域。
混凝土疲劳强度测试原理
混凝土疲劳强度测试原理1. 前言混凝土疲劳强度测试是评估混凝土结构耐久性的重要手段之一，是建筑工程质量的重要保障。
本文将从混凝土疲劳强度的定义、疲劳荷载作用下混凝土损伤机理、疲劳试验方法等方面详细介绍混凝土疲劳强度测试的原理。
2. 混凝土疲劳强度的定义混凝土疲劳强度是指混凝土在疲劳荷载作用下，经过一定的循环次数后，仍能保持其规定的强度和变形性能的能力。
混凝土疲劳强度的测试是为了评估混凝土结构在长期使用过程中的耐久性能，以更好地保障建筑工程的安全和可靠性。
3. 疲劳荷载作用下混凝土损伤机理在疲劳荷载作用下，混凝土会逐渐发生损伤，主要表现为两种形式：微裂纹和宏观裂缝。
微裂纹是指混凝土内部的微观裂缝，这种裂缝多数不直接影响混凝土的强度和变形性能，但是随着循环次数的增加，微裂纹会逐渐扩大，最终导致混凝土的宏观裂缝产生。
宏观裂缝会直接影响混凝土的强度和变形性能，从而导致混凝土结构的失效。
4. 疲劳试验方法4.1 疲劳试验的基本要求混凝土疲劳试验需要满足以下基本要求：（1）试验样品应符合规定的尺寸和形状要求，并且应具有代表性；（2）试验设备应满足规定的精度和稳定性要求，能够准确控制荷载的大小和作用频率；（3）试验过程中应严格控制湿度和温度，以保证试验结果的准确性和可靠性。
4.2 疲劳试验的步骤混凝土疲劳试验一般分为以下几个步骤：（1）样品制备：根据规定的尺寸和形状要求制备试样；（2）试验条件确定：确定试验荷载的大小和作用频率；（3）试验准备：将试样安装在试验设备上，并进行预应力和预振动；（4）试验过程：在规定的荷载下进行循环加载，记录荷载变形曲线和试样破坏情况；（5）试验结果分析：根据试验结果评估混凝土疲劳强度和耐久性能。
5. 疲劳试验的评价指标混凝土疲劳试验的评价指标主要包括以下几个方面：（1）疲劳寿命：指试样在规定荷载下经过的循环次数，是评估混凝土疲劳强度的主要指标之一；（2）疲劳极限：指试样在疲劳荷载作用下的最大荷载值，是评估混凝土抗疲劳能力的重要指标之一；（3）疲劳强度：指试样在规定荷载下经过一定的循环次数后，仍能保持规定的强度和变形性能的能力，是评估混凝土疲劳性能的重要指标之一。
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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。
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
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
平均应力, 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
(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
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
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
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
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)
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
• 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
• 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
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
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
99.87 99 97.7 90 84 50 16 10 2.3 1 0.13
70
log(N ) =
µ) log(N )
+
-
1.96 n
−
2.33βσ)log(N )源自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。
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
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
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 (%)