结构疲劳断裂与可靠性设计问题集

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A_结构疲劳部分
A1. 什么是材料或结构的疲劳破坏? 疲劳破坏指材料零件或结构在循环应力或循环应变作用下, 在某点或某些点处逐 渐产生局部性的永久结构变形, 在一定循环次数后形成裂纹, 并在载荷作用下继 续扩展直至完全断裂的现象。 A2. 疲劳断口的破坏形貌有何特征?可分为几个典型区域?它和静态断口形貌 有何区别? 宏观特征:端口有各种型式,它与载荷型式、材料类型、应力集中程度和结构形 式相关。 微观形式:循环载荷下,晶粒产生相对位移,材料内部产生永久变形。 典型区域:疲劳源、裂纹扩展区、瞬时断裂区。 静态断口只有瞬时断裂区, 疲劳断口包括三个区域, 且疲劳源和裂纹扩展区较瞬 时断裂区光滑。 A3. 以光滑试验件为例,疲劳裂纹源通常位于材料的什么部位?为什么? 位于材料表面。因为材料表面存在缺陷和其他杂质,易产生应力集中。 A4. 材料的疲劳破坏通常具有哪些特征? 1)低应力性 7)累积性 2)突然性 3)时间性 4)敏感性 5)疲劳断口 6)局部性
A5. 什么是疲劳载荷?它和静态载荷的区别是什么?描述疲劳载荷通常有哪些 参数?它们之间有何相互关系? 疲劳载荷即循环载荷,是大小、方向随时间做周期性不规则改变的载荷。 静载荷的大小和方向不随时间而改变。 参数:最大应力������ ,最小应力������ ,应力幅值������ ,平均应力������ ,应力比R。 R= ,������ = ,������ = = −1 ������ = ������ 。 ������ = 0
1)对称循环:R =
2)非对称循环:R ≠ −1 ① 脉动循环:R = = 0 ������ = ������ =
② 拉—拉循环:0 < R < 1 ������ >0 ③ 压—压循环:R > 1 ������ <0 ④ 拉—压循环:−1 < R < 0 ������ > 0 ������
<0
3)静循环:R =
A18. 怎么采用应力严重系数法(SSF 法)对连接件的疲劳寿命进行估算?
1) 结构细节应力分析, 即对每个危险紧固件的连接区域进行详细载荷分布计算, 得到旁路载荷和钉传载荷; 2) 根据载荷计算连接件的应力严重系数,用应力严重系数代替应力集中系数, 采用插值法获取对应载荷情况下材料的S-N曲线; 3) 根据对应载荷下的疲劳寿命以及循Байду номын сангаас次数,采用累积损伤理论求解对应谱块 的循环数; 4) 所得结果即为构件疲劳寿命的预测值。 A19. 安全寿命设计下结构所对应的疲劳分散系数是多少?损伤容限设计下结 构疲劳寿命分散系数是多少?飞机结构总的安全系数通常是多少? 安全寿命设计下:4-6 损伤容限设计下:2-3 总安全系数:1.5左右 A20. 倒角、减轻孔等对结构的疲劳性能产生什么影响?原因是什么? 倒角、减轻孔处易产生应力集中现象,故会降低结构的疲劳寿命。 A21. 结构进行抗疲劳设计时,一般遵循哪些原则? 合理选材, 适当控制应力水平, 避免或减缓应力集中, 注意刚度与变形协调问题, 注意某些特殊部位的振动问题, 尽量采用经过实践考验是有效的高寿命结构形式。 A22. 飞机结构抗疲劳设计的选材参数主要有哪些? 使用期内的许用值、缺口敏感性、裂纹扩展速率和临界尺寸、抗腐蚀性等。 A23. 提高构件疲劳强度的工艺途径主要有哪些? 1)外形合理化 2)提高构件表面质量 3)提高构件表面强度 A24. 通过制造工艺方法增强结构疲劳性能的原理是什么? 减弱结构表面的应力集中现象,提升结构的疲劳寿命。
最大局部弹性应力 名义应力
,������ ≥ 1。
疲劳缺口系数:描述缺口对疲劳强度影响的参数,用������ 表示。通常,疲劳缺口系 数是指在疲劳寿命为10 循环,应力比R = −1时的������ 值。
������ =
光滑试件的疲劳强度 缺口试件的疲劳强度
,������ ≥ 1。
弯曲(或挤压)时的疲劳缺口系数用������ 表示,扭转时的疲劳缺口系数用������ 表示, 即
缺口敏感系数: 描述理论应力集中系数与疲劳缺口系数之间的关系的参数, 用q表 示。 q= ,0 ≤ q ≤ 1。
它是������ 和������ 一致性的量度。 q = 0时, 表示材料无缺口效应, 此时������ = 1; q = 1时, 表示材料对缺口非常敏感,此时������ = ������ 。 A15. 什么是常幅疲劳载荷?什么是变幅疲劳载荷? 常幅疲劳载荷:载荷幅值不随时间变化的载荷。 变幅疲劳载荷:载荷幅值随时间变化的载荷。 A16. 什么是疲劳的线性累积损伤理论?线性累积损伤理论的基本假设是什 么? 结构在循环载荷作用下内部产生损伤, 需要寻找一个合适的物理量, 使得它能够 描述结构受损伤的严重程度。 基本假设:各级交变应力引起的疲劳损伤可以分别计算,然后再线性叠加起来。 ������ ������ ������ ������ ������ = ∑ = + + +⋯ ������ ������ ������ ������ 结构发生断裂时,其线性累积损伤值为 ������ ������ ������ ������ ������ = ∑ = + + +⋯=1 ������ ������ ������ ������ A17. 怎么采用名义应力法对结构的疲劳寿命进行估算? 1) 2) 3) 4) 5) 确定结构中的疲劳危险部位; 求出危险部位的名义应力和应力集中系数KT; 根据载荷谱确定危险部位的名义应力谱; 应用插值法求出当前应力集中系数和应力水平下的S-N曲线,查S-N曲线; 应用疲劳损伤累积理论,求出危险部位的疲劳寿命。
描述等寿命曲线,即由实验数据获得的平均应力������ (横坐标)与应力幅������ (纵 坐标)之间的关系曲线,反映相同材料在不同应力循环特性时疲劳极限的差异。 对脆性金属,包括高强度钢,其抗拉强度接近真实断裂应力,用Goodman关系来 描述或估计疲劳寿命与实验结果吻合得很好。 A12. 在疲劳寿命估算中,采用 Goodman 公式修正平均应力的方法是什么? 应变—寿命曲线的数学描述即Manson-Coffin公式如下: ������ ������ = ������ + ������ = (2������) + ������ (2������) ������ 其中式中������ 为疲劳强度系数;������ 为疲劳延性系数;b为疲劳强度指数;c为疲劳延 性指数。 通常试验所得到的材料应变-寿命曲线是平均应变为0时的曲线,在应用到非对 称加载时需要进行修正, 在满足精度前提下, 工程中常对平均应力������ 进行修正。 ������ − ������ ������ = (2������) + ������ (2������) ������ A13. 应力集中、尺寸效应、表面质量状况等因素对结构疲劳性能产生什么样的 影响? 1)应力集中对疲劳强度的影响极大, 并且是各种影响因素中起主要作用的因素。 疲劳源总是出现在应力集中处,且应力集中部位是结构的疲劳薄弱环节,控 制结构的疲劳寿命。 2)大尺寸构件所含缺陷数量比小尺寸构件的多, 因而产生疲劳失效的概率要大; 同时从应力梯度考虑,在承受相同应力水平作用时,同一深度内,大构件受 到的平均应力比小构件的大,故而更容易产生疲劳破坏。 3)由于外表面的应力水平往往最高,外表面的缺陷往往也最多,故零部件的表 面状态对其疲劳强度有着显著的影响。 表面加工粗糙度越低,疲劳强度就越高;采用表面渗碳、渗氮、氰化、表面 淬火、表面激光处理等表面处理工艺可提高表面层的疲劳强度;表面冷作变 形也是提高疲劳强度的有效途径之一。 4)载荷类型、加载频率、平均应力、载荷波形、载荷中间停歇和持续也对疲劳 强度有着重要的影响。 A14. 什么是理论应力集中系数?什么是缺口疲劳系数?什么是缺口敏感系数? 它们的取值范围是什么? 理论应力集中系数:描述缺口应力集中严重程度的参数,用������ 表示。 ������ =
环次数较高,疲劳寿命一般大于10 次,故而也称高周疲劳。 应变疲劳: 指材料所受的最大循环应力������ 接近或大于材料的屈服应力������ , 其对
应的循环次数较低,疲劳寿命一般小于10 次,故而也称低周疲劳。 A10. 相同材料的弯曲疲劳寿命与拉伸疲劳寿命之间通常存在什么样的大小关 系?为什么? 弯曲疲劳寿命比拉伸疲劳寿命小。 因为材料承受横向应力时, 其疲劳强度比受纵 向应力时小。 A11. 什么是 Goodman 公式?它试图描述何种物理规律? Goodman公式:������ = ������ (1 − )
= 1 ������ = 0 ������ = ������
A6. 什么是疲劳寿命?什么是 S-N 曲线?什么是ε-N 曲线? 疲劳寿命指材料在疲劳载荷作用下直至发生断裂所需的循环次数。 利用若干个标准试件,在一定的平均应力������ (或一定的应力比R),不同的应力 幅������ (或不同的最大应力������ )下进行疲劳试验,测出试件断裂时的循环次数N; 把试验结果画在以������ (或������ )为纵坐标,以ln ������为横坐标的半对数坐标系中, 并给出每组数据的平均值点,通过这些平均点构造出一条曲线; 它就是相应于该 ������ (或R)的一条S − N曲线。 描述材料的的应变ε与寿命N之间关系的曲线即为ε − N曲线。 A7. 什么是疲劳强度?什么是疲劳极限?什么是条件疲劳极限? 疲劳强度:在给定S − N曲线中,寿命N所对应的应力。 疲劳极限:在给定S − N曲线中,寿命趋于无穷大时所对应的应力值。 条件疲劳极限:在给定S − N曲线中,寿命为某个给定值时所对应的应力值。 A8. 为什么材料的疲劳寿命随外加载荷增加而单调下降? 反映了能量守恒原理。 A9. 按照载荷的严重程度,疲劳通常可划分为哪两类?按照疲劳寿命的长短, 疲劳通常可划分为哪几类? 按照载荷的严重程度分类:应力疲劳、应变疲劳。 按照疲劳寿命的长短分类:高周疲劳、低周疲劳。 应力疲劳: 指材料所受的最大循环应力������ 小于材料的屈服应力������ , 其对应的循
B_断裂力学部分
B1. 什么叫结构的低应力断裂? 低应力断裂是指在应力水平较低, 甚至低于材料的屈服点应力情况下结构发生的 突然断裂 B2. 按受力和破坏方式分,断裂裂纹可分为哪几种类型? I型张开型:受垂直于裂纹面的拉应力作用,使裂纹面产生张开位移; II型滑开型: 受平行于裂纹面且垂直于裂纹前缘的剪应力作用,使裂纹在平面 内相对滑开; III型撕开型:受平行于裂纹面且平行于裂纹前缘的剪应力作用,使裂纹相对错 开。 B3. 按裂纹在构件中的位置分,断裂裂纹可分为哪几种类型? 穿透型:贯穿构件厚度的裂纹,通常把延伸到厚度一半以上的也视为穿透裂纹, 简化为理想尖裂纹处理; 表面型:位于构件表面或深度较小的,常简化为半椭圆形裂纹; 深埋型:位于构件内部,常简化为椭圆片或圆片形裂纹。 B4. 什么是应力强度因子?它的单位是什么? 反映裂纹尖端弹性应力场强弱的物理量称为裂纹尖端应力场强度因子, 简称应力 强度因子,其单位为N/√������ 。 B5. 什么是材料的断裂韧性?它描述了材料的什么性能? 材料抵抗裂纹扩展断裂的韧性性能称为断裂韧性, 是材料抵抗脆性破坏的韧性参 数。 由应力强度因子定义知随应力增加,������ 也增加,当其增加到一定值时,构件发生 断裂破坏,此时的������ 值用������ 表示,称为材料的断裂韧性。 B6. 应力强度因子为何较应力更适合于描述裂纹尖端附近区域的应力应变场? 裂纹尖端上(r=0处)各应力分量趋于无穷大,表明裂纹尖端是一个奇异点,则只 要存在裂纹,不管外载荷多大,裂纹尖端应力都无穷大,常规的强度准则观点此 时材料应该破坏, 但与事实不符合, 故而不能再以应力大小来判断裂纹是否扩展、 破坏是否发生:而应力������ 与应力强度因子成正比。在同一变形状态下,不论其它 条件怎样,只要������ 值相同,则裂纹尖端邻域的应力场应力值������ 相同,所以应力强 度因子反映了裂纹尖端弹性应力场的强弱。
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