疲劳强度PPT课件
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机械零件的疲劳强度与疲劳断裂ppt(共37页)
s
2s1 s0 s0
对于碳钢，σ≈0.1~0.2，对于合金钢，σ≈0.2~0.3。
§3-3影响机械零件疲劳强度的主要因素
一、应力集中：
有效应力集中系数 Ks1q(s1)
s —几何形状决定的理论系数 （ 图3-9） q—敏感系数 （图3-10） 铸铁：(q=0） 定性： 跟材料、形状有关
σB A B C
可用下式描述
srm N N = C (N C≤ N ≤ N D )
σrN σr
潘存云教授研制
D点以后的疲劳曲线呈 一水平线，代表着无限寿命
N=1/4
103 104 N
D N0≈107 N
区其方程为
s s rN r N （ N D )
由于ND很大，所以在作疲劳试验时，常规定一个
N=1/4 103 104 N
D N
N0≈107
式中， sr、N0及m的值由材料试验确定。 试验结果表明在CD区间内，试件经过相应次数的
边应力作用之后，总会发生疲劳破坏。而D点以后，如 果作用的变应力最大应力小于D点的应力（σmax<σr），
则无论循环多少次，材料都不会破坏。
CD区间——有限疲劳寿命阶段 D点之后——无限疲劳寿命阶段 高周疲劳
循环次数N0(称为循环基数)，用N0及其相对应的疲劳
极限σr来近似代表ND和 σr∞。
于是有 srm N NsrmN0C
CD区间内循环次数N与疲 劳极限srN的关系为
srN
sr
m
N0 N
KNsr
N
sr s rN
m N0
σmax σB A B C
σ 潘存云教授研制 rN σr
二、极限应力图（σ m——σ a）
《飞机疲劳强度计算》课件
基于疲劳试验的方法
通过进行疲劳试验获取材料的 S-N曲线和疲劳极限，进而评 估结构的疲劳寿命。
试验参数
需考虑加载模式、温度、湿度 等试验参数。
试验成本
试验成本较高，且需要大量时 间进行试验。
不同计算方法的比较与选择
比较
基于应力的方法简单易行，但精度有 限；基于损伤的方法考虑因素较为全 面，但计算复杂；基于循环特性的方 法依赖于试验数据，成本较高。
详细描述
针对某型飞机起落架，通过分析起落架在起降、滑行和刹车过程中的应力分布、循环次数和材料特性，采用疲劳 分析方法和安全系数法，评估起落架的疲劳性能和寿命，以确保起落架的结构安全。
05
飞机疲劳强度计算的发展趋势与展望
基于大数据和人工智能的疲劳强度预测
总结词
利用大数据技术，对飞机结构进行全面 的疲劳强度分析，通过人工智能算法预 测结构疲劳寿命，提高预测精度。
基于损伤的疲劳强度计算
80%
损伤容限方法
通过引入裂纹扩展速率模型，预 测裂纹在循环载荷下的扩展行为 ，从而评估结构的剩余寿命。
100%
裂纹闭合效应
考虑了裂纹在载荷循环过程中闭 合的现象，提高了预测精度。
80%
适用范围
适用于已知初始裂纹尺寸的情况 ，常用于飞机结构的定期检查和 维护。
基于循环特性的疲劳强度计算
01
根据飞机结构和材料特性，建立 详细的有限元模型，用于模拟飞 机的应力分布和变形情况。
02
有限元模型应包括飞机的所有主 要结构部件，如机身、机翼、尾 翼等。
计算应力应变
利用有限元模型，计算飞机在各种载荷条件下的应力应变分 布。
考虑材料的弹塑性、蠕变等特性，确保应力应变计算的准确 性。
通过进行疲劳试验获取材料的 S-N曲线和疲劳极限，进而评 估结构的疲劳寿命。
试验参数
需考虑加载模式、温度、湿度 等试验参数。
试验成本
试验成本较高，且需要大量时 间进行试验。
不同计算方法的比较与选择
比较
基于应力的方法简单易行，但精度有 限；基于损伤的方法考虑因素较为全 面，但计算复杂；基于循环特性的方 法依赖于试验数据，成本较高。
详细描述
针对某型飞机起落架，通过分析起落架在起降、滑行和刹车过程中的应力分布、循环次数和材料特性，采用疲劳 分析方法和安全系数法，评估起落架的疲劳性能和寿命，以确保起落架的结构安全。
05
飞机疲劳强度计算的发展趋势与展望
基于大数据和人工智能的疲劳强度预测
总结词
利用大数据技术，对飞机结构进行全面 的疲劳强度分析，通过人工智能算法预 测结构疲劳寿命，提高预测精度。
基于损伤的疲劳强度计算
80%
损伤容限方法
通过引入裂纹扩展速率模型，预 测裂纹在循环载荷下的扩展行为 ，从而评估结构的剩余寿命。
100%
裂纹闭合效应
考虑了裂纹在载荷循环过程中闭 合的现象，提高了预测精度。
80%
适用范围
适用于已知初始裂纹尺寸的情况 ，常用于飞机结构的定期检查和 维护。
基于循环特性的疲劳强度计算
01
根据飞机结构和材料特性，建立 详细的有限元模型，用于模拟飞 机的应力分布和变形情况。
02
有限元模型应包括飞机的所有主 要结构部件，如机身、机翼、尾 翼等。
计算应力应变
利用有限元模型，计算飞机在各种载荷条件下的应力应变分 布。
考虑材料的弹塑性、蠕变等特性，确保应力应变计算的准确 性。
疲劳强度
8.2.1 材料的疲劳极限
疲劳极限(持久极限) ——试件可经无限次应力循环而不发 生疲劳破坏，交变应力最大值
疲劳极限测定方法
1.将被测材料按国家标准加工一组疲劳光滑小试件，至少7 根 （直径d=7～10mm、表面磨光）。 2.对这组试件分别在不同的σmax下施加交变应力（保持循环 特征r不变），直到破坏，记录下每根试件破坏前经历的循 环次数N（常称为疲劳寿命） 。 3.在以横轴为循环寿命，纵轴为应力的坐标系中，将试验所 得结果描点并拟合成曲线，该曲线称为疲劳极限曲线或称为 曲线（应力——寿命曲线）。
对称循环条件下，疲劳极限值记为σ-1
8.2.1 材料的疲劳极限
疲劳极限(持久极限) ——试件可经无限次应力循环而不发 生疲劳破坏，交变应力最大值
应力—疲劳寿命曲线含义：
•σmax >σr, 试件经历有限次循环就破坏
•σmax <σr, 试件经历无限次循环而不发生破坏
•σmax =σ-1, r=-1时材料的疲劳极限
脆性断裂
8.2 材料的疲劳极限
交变应力要素 应力循环 ——构件在交变应力下工作，应力每重复变化一次。 最大应力σmax 、最小应力σmin
循环特征（应力比） r
max 1 ( ) (1 r ) 平均应力 m 2 max min 2
min max
max 1 (1 r ) 应力幅度 a ( max min ) 2 2
轮轴45号钢，受弯曲交变应力，当σmax=-σmin=260MPa 时，大约经历107循环即可发生断裂，而45号钢在静载 荷下的强度极限是σb=600MPa。
1.疲劳破坏特点
3)材料呈脆性断裂。即使是塑性材料，材料在断裂 前也无明显的塑性变形。
第 章 疲劳强度问题(共8张PPT)
（载荷不变, 轴转动）
A
My A Iz
yARsi nt
单辉祖-材料力学教程 AM Iz Rsint
起落架因飞机起落 而反复受载
5
第5页，共8页。
循环应力
循环应力－随时间循环变化的应力 （也称交变应力）
循环应力的变化幅度，可能是恒定 的, 也可能是变化的
恒幅循环应力
变幅循环应力
单辉祖-材料力学教程
的强度计算
§7 变幅循环应力与累积损伤概念简述
单辉祖-材料力学教程
2
第2页，共8页。
§1 引 言
循环应力 疲劳破坏及其特点
单辉祖-材料力学教程
3
第3页，共8页。
循环应力
实例
载荷 F 的大小循环变化,联杆内应力随之变化
每个齿随齿轮转动循环受力，齿内应力循环变化
单辉祖-材料力学教程
4
第4页，共8页。
在循环应力作用下，材料或构件产
生可见裂纹或完全断裂的现象－称
为疲劳破坏，简称疲劳
单辉祖-材料力学教程
7
第7页，共8页。
疲劳破坏特点
破坏时应力低于b ，甚至 s
即使是塑性材料，也呈现脆性断裂
断口通常呈现光滑与粗粒状两个区域
钢拉伸疲劳断裂
断
疲劳破坏过程，可理解为裂纹萌生、 逐渐扩展与最后断裂的过程
6
第6页，共8页。
疲劳破坏及其特点
疲劳破坏
在循环应力作用下，如果应力足够大，并经
载荷 F 的大小循环变化,联杆历内应应力随力之变的化 多次循环后，构件将产生可见裂纹 或完全断裂 起§3落S架-N因曲飞线机与起材落料而的反疲复劳受极载限
§7 即变使幅是循塑环性应材力料与，累也积呈损现伤脆概性念断简裂述 §7 提变高幅构循件环疲应劳力强与度累的积措损施伤概念简述 （载提荷高不构变件, 疲轴劳转强动度）的措施 §循2环循应环力应的力变及化其幅类度型，可能是恒定的, 也可能是变化的 起§3落S架-N因曲飞线机与起材落料而的反疲复劳受极载限 在循即环使应是力塑作性用材下料，，如也果呈应现力脆足性够断大裂，并经历应力的多次循环后，构件将产生可见裂纹或完全断裂 §32 循S-环N曲应线力与及材其料类的型疲劳极限 在循提环高应构力件作疲用劳下强，度材的料措或施构件产生可见裂纹或完全断裂的现象－称为疲劳破坏，简称疲劳 每个循齿环随应齿力轮与转疲动劳循的环概受念力，齿内应力循环变化 在循提环高应构力件作疲用劳下强，度材的料措或施构件产生可见裂纹或完全断裂的现象－称为疲劳破坏，简称疲劳 每个循齿环随应齿力轮与转疲动劳循的环概受念力，齿内应力循环变化 §76 变非幅对循称环与应弯力扭与组累合积 循损环伤应概力念下简构述件 起落架因飞机起落而反复受载
03_疲劳强度计算
m
1 N0
n
m i
n
i
i 1
Sca
1 e
S
2. 当量循环次数Ne计算法：
取不稳定循环诸变应力中数值最大的应力或循环次
数最多的应力（对疲劳损伤影响最大的那个应力），
作为计算基准应力，而将诸变应力i所对应的循环次
数ni转化为当量循环次数Ne，使得应力循环Ne次后，
对材料所造成的损伤与诸应力i各自循环ni次对材料所
lim m ax ae m e s
按静应力计算：
M m e, ae M m, a
Sca
lim
m ax max
s m a
S
N
N
H
工作应力分布在： OAGH ：疲劳强度计算 HGC ：静强度计算
3.变应力的最小应力保持不变，即 min C（如受轴向变载荷的紧螺栓）
4）计算安全系数：Sca
lim
m ax max
S
零件的极限应力
lim m ax m e ae
零件的极限应力点的确定：
按零件的载荷变化规律不同分：
• 变应力的应力比保持不变，即：r = C • 变应力的平均应力保持不变，即：m = C • 变应力的最小应力保持不变，即：min = C
M m e, ae M m, a
1）如果此线与AG线交于M（ me ，ae ），则有：
m e m
,
ae
1
m
K
lim m ax ae m e 1
K
K
m
Sca
lim
m ax max
1
K
K m m a
S
2）如果此线与GC线交于N（ me ，ae ），则有：
《材料力学》第十章 疲劳强度的概念
试件分为若干组，最大应力值由高到底，以电动 机带动试样旋转，让每组试件经历对称循环的交变应 力，直至断裂破坏。
记录每根试件中的最大应力（名义应力，即疲 劳强度）及发生破坏时的应力循环次数（又称疲劳 寿命），即可得S —N应力寿命曲线。
max
m ax,1 m ax,2
O
应力—寿命曲线，也称S—N曲线。
应力循环：应力每重复变化一次，称为一个应力循环。 完成一个应力循环所需的时间T ，称为一个周期。
o
t
max
o
min
：最大应力
max
：最小应力
min
a
a m
t
：平均应力
m
：应力幅值
a
max
m in
a
a m
循环特征：r min max
o
m
1 2
max
min
t
a
1 2
max
min
max
[ 1]
0 1
nf
其中： max 是构件危险点的最大工作应力；
nf 是疲劳安全系数。
或表示成：n
0
1
max
1 K max
同理，对扭转交变应力有：n
k
1 k
1 n f
max
max
nf
10.4 提高构件疲劳强度的措施
疲劳裂纹主要形成于构件表面和应力集中部位，故提高 构件疲劳极限的措施有：
表面加工质量愈低， 愈小， r 降低愈多。 一 般 1，但可通过对构件表面作强化处理而得到大于1 的 值。
综合上述三种因素，对称循环下构件的疲劳极限为：
0
1
K
1
或
0
疲劳强度理论课件
的抗断裂能力。
疲劳强度通常以应力或应变的最 大值表示，单位为应力或应变单
位。
疲劳强度的影响因素
材料性质
不同材料的疲劳强度存在差异，与材料 的弹性模量、屈服点、抗拉强度等机械
性能有关。
环境条件
温度、湿度、腐蚀介质等环境因素对 疲劳强度有一定影响，例如高温环境
下材料的疲劳强度会降低。
应力集中
零件结构上的缺口、孔洞、台阶等引 起的应力集中，会降低疲劳强度。
通过分析汽车关键零部件如发动机、底盘和车身的应力分布和疲劳特性， 可以预测其疲劳寿命和可靠性。
此外，疲劳强度理论还用于优化汽车零部件的设计和制造工艺，以提高其 耐久性和可靠性，降低维修成本和提高车辆整体性能。
THANK YOU
疲劳强度理论课件
目录
• 疲劳强度理论概述 • 疲劳损伤累积理论 • 材料疲劳强度 • 疲劳寿命预测 • 疲劳强度的提高方法 • 疲劳强度理论的应用
01
疲劳强度理论概述
疲劳强度的定义
疲劳强度：材料在循环应力或应 变作用下，抵抗疲劳断裂的能力
。
疲劳强度是材料的一种机械性能 ，反映了材料在交变载荷作用下
其中，D为累积损伤，n为实际循环次数，N为疲 劳寿命。
基于损伤的疲劳寿命预测
总结词：基于损伤的疲劳寿命预测是通过分析材料内 部微观结构损伤的演化过程，预测结构的疲劳寿命。
输标02入题
详细描述：该方法关注材料内部微观结构的变化，如 位错、空洞和裂纹的形成和扩展，通过建立损伤演化 模型来描述疲劳过程中的微观结构变化。
线性累积损伤理论适用于低周疲劳和应力水平较高的高周疲劳。
非线性累积损伤理论
01
非线性累积损伤理论认为，疲劳 损伤的累积是非线性的，随着循 环次数的增加，疲劳损伤的增长 速度会逐渐减缓。
疲劳强度通常以应力或应变的最 大值表示，单位为应力或应变单
位。
疲劳强度的影响因素
材料性质
不同材料的疲劳强度存在差异，与材料 的弹性模量、屈服点、抗拉强度等机械
性能有关。
环境条件
温度、湿度、腐蚀介质等环境因素对 疲劳强度有一定影响，例如高温环境
下材料的疲劳强度会降低。
应力集中
零件结构上的缺口、孔洞、台阶等引 起的应力集中，会降低疲劳强度。
通过分析汽车关键零部件如发动机、底盘和车身的应力分布和疲劳特性， 可以预测其疲劳寿命和可靠性。
此外，疲劳强度理论还用于优化汽车零部件的设计和制造工艺，以提高其 耐久性和可靠性，降低维修成本和提高车辆整体性能。
THANK YOU
疲劳强度理论课件
目录
• 疲劳强度理论概述 • 疲劳损伤累积理论 • 材料疲劳强度 • 疲劳寿命预测 • 疲劳强度的提高方法 • 疲劳强度理论的应用
01
疲劳强度理论概述
疲劳强度的定义
疲劳强度：材料在循环应力或应 变作用下，抵抗疲劳断裂的能力
。
疲劳强度是材料的一种机械性能 ，反映了材料在交变载荷作用下
其中，D为累积损伤，n为实际循环次数，N为疲 劳寿命。
基于损伤的疲劳寿命预测
总结词：基于损伤的疲劳寿命预测是通过分析材料内 部微观结构损伤的演化过程，预测结构的疲劳寿命。
输标02入题
详细描述：该方法关注材料内部微观结构的变化，如 位错、空洞和裂纹的形成和扩展，通过建立损伤演化 模型来描述疲劳过程中的微观结构变化。
线性累积损伤理论适用于低周疲劳和应力水平较高的高周疲劳。
非线性累积损伤理论
01
非线性累积损伤理论认为，疲劳 损伤的累积是非线性的，随着循 环次数的增加，疲劳损伤的增长 速度会逐渐减缓。
教学课件：第十章动载荷与疲劳强度简述详解
06
结论
主要观点总结
动载荷和疲劳强度是机械工程中的重 要概念，对机械部件的寿命和可靠性 有显著影响。
疲劳强度是指材料在循环载荷作用下 抵抗疲劳失效的能力，通常通过实验 测定。
动载荷会导致材料内部产生循环应力， 从而引发疲劳裂纹的形成和扩展，最 终导致部件的疲劳失效。
提高疲劳强度的方法包括改善材料表 面质量、优化结构设计、降低应力集 中等。
对未来研究的建议
深入研究不同材料的疲劳性能和失效机制，为新材料的 开发和现有材料的优化提供理论支持。
针对复杂载荷条件下的疲劳行为进行深入研究，以更准 确地预测机械部件的寿命和可靠性。
探索新型的疲劳强度测试方法和实验技术，提高测试的 准确性和可靠性。
加强跨学科合作，将疲劳研究与计算机科学、人工智能 等相结合，推动疲劳领域的技术创新和应用拓展。
详细描述
机械零件在循环载荷的作用下，经过一段时间后会发生疲劳 断裂。这种失效通常是由于应力集中、材料缺陷或设计不当 等因素引起的。为了防止疲劳失效，可以采用优化设计、改 善制造工艺和使用高强度材料等方法。
案例二：车辆动载荷分析
总结词
车辆动载荷分析对于车辆设计和安全性至关重要，通过案例分析，了解如何进行车辆动载荷分析。
循环应力
动载荷产生的循环应力是导致材 料疲劳的主要原因，循环应力的 变化范围和平均值对疲劳强度有
显著影响。
应力集中
动载荷引起的应力集中可能加速疲 劳裂纹的形成和扩展，降低材料的 疲劳强度。
温度效应
动载荷引起的温度变化可能影响材 料的力学性能和疲劳强度，特别是 在高温环境下。
疲劳强度对动载荷的限制
材料特性
详细描述
动载荷引起的疲劳损伤是机械系统中常见的失效形式。由于动载荷的持续变化，导致材料内部应力不断变化，从 而引发疲劳裂纹的形成和扩展，最终导致断裂失效。此外，动载荷还会影响机械系统的动态响应，使系统产生振 动和噪声，影响系统的稳定性和可靠性。
疲劳强度理论课件
疲劳强度理论课件
疲劳强度理论课件是关于机械疲劳强度的详尽介绍，涵盖了定义、基本原理、 影响因素、试验方法、工程应用、控制与提高等内容。
疲劳强度概述
疲劳强度是指材料在持续循环加载下能够承受的最大应力水平。了解疲劳强 度的概念和重要性对机械设计和制造非常关键。
疲劳强度的基本原理
1 塑性应变
材料在疲劳加载下的变形形式，对材料的疲劳强度起到重要影响。
疲劳强度的试验方法
1
疲劳试验机
用于模拟真实工况下的疲劳加载，并采集疲劳试验数据。
2
疲劳试验的步骤
包括样品准备、加载设定、试验运行和数据分析等步骤。
3
结果处理和分析
通过对疲劳试验数据进行处理和分析，得出材料的疲劳强度。
疲劳强度的工程应用
疲劳寿命预测
疲劳裂纹扩展
通过疲劳试验数据和理论模型， 预测机械零件的使用寿命。
2 塑性应力
材料在疲劳加载下的应力状态，可能导致材料失效。
3 应力集中
材料中存在的几何形状或表面不平整引起的应力集中对疲劳强度产生负面影响。
疲劳强度的影响因素
材料的影响
不同材料的疲劳特性会导致 其疲劳强度的差异。
加载方式的影响
不同的加载方式会对材料的 疲劳强度产生不同的影响。
工作环境的影响
工作环境的温度、湿度等因 素会对材料的疲劳强度有一 定的影响。
探讨疲劳加载下裂纹扩展对材 料的损伤和失效。
疲劳断裂
了解疲劳断裂过程和失效原因， 避免机械部件发生疲劳破坏。
疲劳强度的控制与提高
1
设计防止疲劳破坏
通过合理的设计和工艺，避免疲劳破坏的发生。
2
增强材料的抗疲劳能力
通过改进材料的组成和结构，提高其抗疲劳能力。
疲劳强度理论课件是关于机械疲劳强度的详尽介绍，涵盖了定义、基本原理、 影响因素、试验方法、工程应用、控制与提高等内容。
疲劳强度概述
疲劳强度是指材料在持续循环加载下能够承受的最大应力水平。了解疲劳强 度的概念和重要性对机械设计和制造非常关键。
疲劳强度的基本原理
1 塑性应变
材料在疲劳加载下的变形形式，对材料的疲劳强度起到重要影响。
疲劳强度的试验方法
1
疲劳试验机
用于模拟真实工况下的疲劳加载，并采集疲劳试验数据。
2
疲劳试验的步骤
包括样品准备、加载设定、试验运行和数据分析等步骤。
3
结果处理和分析
通过对疲劳试验数据进行处理和分析，得出材料的疲劳强度。
疲劳强度的工程应用
疲劳寿命预测
疲劳裂纹扩展
通过疲劳试验数据和理论模型， 预测机械零件的使用寿命。
2 塑性应力
材料在疲劳加载下的应力状态，可能导致材料失效。
3 应力集中
材料中存在的几何形状或表面不平整引起的应力集中对疲劳强度产生负面影响。
疲劳强度的影响因素
材料的影响
不同材料的疲劳特性会导致 其疲劳强度的差异。
加载方式的影响
不同的加载方式会对材料的 疲劳强度产生不同的影响。
工作环境的影响
工作环境的温度、湿度等因 素会对材料的疲劳强度有一 定的影响。
探讨疲劳加载下裂纹扩展对材 料的损伤和失效。
疲劳断裂
了解疲劳断裂过程和失效原因， 避免机械部件发生疲劳破坏。
疲劳强度的控制与提高
1
设计防止疲劳破坏
通过合理的设计和工艺，避免疲劳破坏的发生。
2
增强材料的抗疲劳能力
通过改进材料的组成和结构，提高其抗疲劳能力。
第2章机械零件的疲劳强度计算机械设计课件
作σ
自用盘编号JJ321002
r∞
，通常用N0次数下的σ r取代，σ r值由实验得到。
σ
rN
轻合金材料的循环基数通常取为： N0≈2.5×108 σ
r
0
N0
N
图2—5 轻合金材料的σ—N曲线 N0称为循环基数，对应的疲劳极限σ r称为该材料的疲
劳极限。 对于钢材：当HB≤350时：N0≈106~107；
α
σ
、α
τ
——理论应力集中系数，查教材P39 ~ P41附表
自用盘编号JJ321002
3—1 ~ 附表3—3或查手册和其它资料。 若一个剖面上有几个不同的应力集中源，则零件的疲劳 强度由各kσ （kτ ）中的最大值决定。
3、尺寸效应的影响 材料的疲劳强度极限是对一定尺寸的光滑试件进行实验 得出的，考虑到零件尺寸和试件的尺寸不同，其疲劳强度 也不一样，故引入一个尺寸系数ε： 1d 1d 直径d的 ; 1 1 标准试件的 εσ 、ετ的值可查教材P42 ~ P43附图3—2、3—3，附 表3—7或查手册及有关资料。 4、表面质量的影响 零件表面的加工质量，对疲劳强度也有影响，加工表面 的粗糙度值越小，应力集中越小，疲劳强度越高。因此引 入一个表面质量系数β 来考虑零件表面的加工质量不同对 疲劳强度的影响。 β可查教材P44附图3—4
max
自用盘编号JJ321002
min r max
称r为应力循环特性，表示了变应力 的变化性质。
σa σ r=-1
r=-1 t
σ
r=0 t t r=+1 t + σm
t 左边区域： σ 压应力为主， Ⅱ区： 零件在压缩 - 1 ＜ r ＜0 变应力时破 σ 坏的情况较 Ⅰ区： 少，故不予 0 ＜r ＜+ 1 以分析。 45° - σm σ 0 0
北航疲劳强度课件4-第四章
北航疲劳强度课件4-第四章
23
4.2 计数法
再将图b用同样的方法处理，计入以阴影线表示的2个范围 对并略去与其相应的4个反向点。
北航疲劳强度课件4-第四章
24
4.2 计数法
最后只剩下图c的一个范围最大的循环。
16
4.1 概述
将实测的载荷—时间历程处理成具有代表性的典型载荷谱 的过程称为编谱，编谱时须满足如下要求：
1）简化后的载荷谱应与实际情况一致，即两者给出的疲劳 寿命是一致的。因此，为施行加速试验在载荷循环简化时，应 考虑到损伤等效的原则；
2）根据有限次数的实测数据，估计出整批产品的载荷变化 规律，以取得具有代表性的典型谱。为此，需借助统计方法， 由子样来推断母体，推断未能测出的某些载荷循环；
北航疲劳强度课件4-第四章
11
方差随时间变化的非平稳随机序列
北航疲劳强度课件4-第四章
12
均值和方差都随时间变化的随机过程
北航疲劳强度课件4-第四章
13
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
0
20
40
60
80
100
120
工程实际中遇到的随机过程
北航疲劳强度课件4-第四章
14
4.1 概述
北航疲劳强度课件4-第四章
17
4.1 概述
3）载荷实测数据繁多，即使在几分钟内就能得到成千上 万的数据，为此，在判读和计数时，需采用自动化措施，利 用计算机进行处理；
4）由于各种产品工作条件不同，载荷－时间历程的类型 亦异，此外，考虑到疲劳损伤的部位和特点各不相同。所以， 编谱的工作应有一定的针对性，不宜使用同一原则。
机械设计精品课件 疲劳强度
事1
画图
σ
−1
σγ
极限应力图2
疲劳曲线和极限应力图
事1
事2
σa
、
A 0,σ−1) (
疲劳强度线
B (
σγa
σ0 σ0
2 ,
D
值
2
)
(σγm +σγa = σs )
屈服强度线
考试
45o
45o
o
σ γm
G σs ,0) (
σm
极限应力图2
疲劳曲线和极限应力图
事1
事2
σa
、
A 0,σ−1) (
疲劳强度线
§2-1 概
述
§2-1 概 述
材料疲劳的两种类别
注意：静应力只能由静载荷产生，而变应力可能由变载荷产生， 也可能由静载荷产生
一定学会判断应力类型
§2-1 概
一、疲劳破坏
述
§2-1 概 述
疲劳破坏是循环应力作用下零件的主要失效形式。
1、疲劳破坏 (Fatigue failure)
疲劳破坏： 变应力、多次作用下 疲劳破坏： 变应力、多次作用下，材料发生破坏 疲劳破坏 过 程： ①裂纹萌生 ②裂纹扩展 ③最终瞬断 ①小应力: 小应力 持续性: ②持续性 变应力最大值低于材料静强度限 变应力多次作用 对材料、 对材料、几何形状敏感 突然断裂 曲轴断裂 实例 内源断裂
B (
σγa
σ0 σ0
2 ,
D
值
2
)
(σγm +σγa = σs )
屈服强度线
45o
45o
o
表中数值表明：平均应力对疲劳强度的影响，合金钢比碳钢大。
σ γm
7第七章疲劳强度
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疲劳强度
刘义伦
第七章 局部应力-应变法 估算构件疲劳寿命
第七章 局部应力-应变法估算构件疲劳寿命
名义应力法的不足
1.用弹性力学计算名义应力，当构件危险点发生屈服时，误差较大。
2.修正系数和试验曲线使用多，使用条件难以完全吻合，造成误差。 20世纪 60年代中期出现了局部应力-应变法，综合了在这之前疲 劳问题研究的成果(材料的循环应变特性等)，是一种在概念上和方法 上有很多创新的构件疲劳寿命估算方法。其主要内容包括： 1.材料的疲劳特性。在循环应力作用下，认为循环塑性变形是造成 疲劳损伤的根本原因，在低周疲劳问题中，用应变描述材料的疲劳 现象要比用应力描述来得更加直接，其中应用了材料的记忆特性。 2.载荷计数采用雨流计数法。 3.局部应力-应变分析。常用近似方法（如诺伯法）计算。 4.损伤累积及寿命预测（估算）。损伤累积一般用线性叠加的方法， 当损伤累积达1时，认为材料发生破坏，所对应的循环次数就是估算 的疲劳寿命。
4
P4——对应于104循环时应变幅中的塑性分量，取为：
0.0132 e p 1.91
e — 弹性应变-寿命
曲线上 104次循环所对应的弹性应变幅度。
二、应变疲劳寿命曲线
4.四点法确定应变-寿命曲线
四点法适用于碳钢、合金钢、铝、钛等几无所有的金属材料。
通过对多种（29种）材料的应变-寿命曲线进行分析，得出在双对 数坐标平面上，弹性应变寿命曲线的斜率约为-0.12,塑性应变-寿命曲 线的斜率约为-0.6，这样有如下的关系：
3.5
b
E
0.6 0.6 N 0.12 N f
弹性应变寿命曲线和塑性应变寿命曲线的交点NT是高周疲劳和低 周疲劳的分界点。
疲劳强度
刘义伦
第七章 局部应力-应变法 估算构件疲劳寿命
第七章 局部应力-应变法估算构件疲劳寿命
名义应力法的不足
1.用弹性力学计算名义应力，当构件危险点发生屈服时，误差较大。
2.修正系数和试验曲线使用多，使用条件难以完全吻合，造成误差。 20世纪 60年代中期出现了局部应力-应变法，综合了在这之前疲 劳问题研究的成果(材料的循环应变特性等)，是一种在概念上和方法 上有很多创新的构件疲劳寿命估算方法。其主要内容包括： 1.材料的疲劳特性。在循环应力作用下，认为循环塑性变形是造成 疲劳损伤的根本原因，在低周疲劳问题中，用应变描述材料的疲劳 现象要比用应力描述来得更加直接，其中应用了材料的记忆特性。 2.载荷计数采用雨流计数法。 3.局部应力-应变分析。常用近似方法（如诺伯法）计算。 4.损伤累积及寿命预测（估算）。损伤累积一般用线性叠加的方法， 当损伤累积达1时，认为材料发生破坏，所对应的循环次数就是估算 的疲劳寿命。
4
P4——对应于104循环时应变幅中的塑性分量，取为：
0.0132 e p 1.91
e — 弹性应变-寿命
曲线上 104次循环所对应的弹性应变幅度。
二、应变疲劳寿命曲线
4.四点法确定应变-寿命曲线
四点法适用于碳钢、合金钢、铝、钛等几无所有的金属材料。
通过对多种（29种）材料的应变-寿命曲线进行分析，得出在双对 数坐标平面上，弹性应变寿命曲线的斜率约为-0.12,塑性应变-寿命曲 线的斜率约为-0.6，这样有如下的关系：
3.5
b
E
0.6 0.6 N 0.12 N f
弹性应变寿命曲线和塑性应变寿命曲线的交点NT是高周疲劳和低 周疲劳的分界点。
《疲劳强度及》课件
疲劳强度的分类
01
02
03
按载荷类型
分为弯曲疲劳、扭转疲劳 、拉压疲劳、复合疲劳等 。
按应力循环特性
分为高循环疲劳和低循环 疲劳。
按环境条件
分为干态疲劳和湿态疲劳 、高温疲劳和低温疲劳等 。
02
疲劳强度的影响因素
材料性质
金属材料
金属材料的疲劳强度与其内部结构、 晶粒大小、杂质含量等因素有关。一 般来说，晶粒越细小、杂质越少，金 属的疲劳强度越高。
损伤容限设计法
断裂力学设计法
通过控制裂纹扩展速率，合理选择检查和 维修周期，以实现疲劳寿命的延长。
利用断裂力学原理，分析裂纹的形成和扩 展规律，对零件或结构进行疲劳强度设计 ，提高设计的可靠性。
疲劳强度设计流程
载荷分析
分析零件或结构在工作过程中所承受 的载荷，包括静态载荷和动态载荷。
02
材料性能测试
非金属材料
对于非金属材料，如塑料、橡胶等， 其疲劳强度主要受材料本身的化学键 、分子结构、温度等因素影响。
应力水平
高应力水平
在较高的应力水平下，材料更容 易发生疲劳断裂，因为高应力使 得材料内部的裂纹扩展更快。
低应力水平
在较低的应力水平下，材料的疲 劳强度通常较高，因为低应力使 得裂纹扩展的速度减缓。
评估材料的疲劳强度和寿命。
结果分析应采用适当的统计方法 和技术，以得出可靠的结论。
以上内容仅供参考，具体内容可 以根据您的需求进行调整优化。
04
疲劳强度设计应用
疲劳强度设计原则
安全系数法
概率疲劳设计法
根据材料疲劳强度安全系数和应力集中系 数，确定零件或结构的疲劳强度安全系数 ，确保安全可靠性。
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（三）：疲劳寿命计算：名义应力法，局部应力—应变法，断裂力学法。
1. 名义应立法：计算全寿命，主要用于高周疲劳； 2. 局部应力—应变法：计算裂纹形成寿命； 3. 断裂力学法：计算裂纹扩展寿命。
（四）：疲劳试验 材料试验，实物结构试验，高周疲劳试验，低周疲劳试验，裂纹扩展寿命试验
（五）：常规疲劳强度设计：
真正的车轴疲劳研究是德国人 A.沃勒 他设计了一台旋转弯曲疲 劳实验机，对车轴在不同应力下进行了疲劳实验，得到了第一条S-N 曲线，他发现在应力低于弹性极限时也会发生疲劳破坏，但存在一个 应力幅极限值，当应力小于该值时就不会发生疲劳破坏。
A.沃勒为常规疲劳强度设计奠定了基础，他发现在试验中平 均应力对疲劳寿命有影响.
疲劳源区
迟滞回线所包围的面积代表材料塑性变形时外力所做的功或所消耗的能 量，也表示材料抗循环塑性变形的能力，该面积可以通过积分来计算。
（2）材料的记忆特性
（a） 应力-时间历程 （b）应力-应变响应 记忆特性：由34时，先由3点，再由4点，不是沿3的延长线（虚 线），而是沿着12的延长线，即材料记忆原来路径。 记忆特性用来评价材料的循环应变历史对应力—应变的影响。 （3）载荷顺序效应 载荷顺序对疲劳寿命的影响已经被试验所证实。
结构形成塑性变形晶粒在晶界面之间滑移形成微裂纹裂纹扩展
就形成宏观裂纹裂纹继续扩展到一定时候截面强度削弱到截面
应力达到强度极限瞬断。
（5）疲劳断口 疲劳断口由三部分组成：疲劳源区；
瞬间断裂区
疲劳扩展区；瞬断区。
断裂位置一般都在应力集中部位， 如拐弯，轴臂的过度处。
疲劳扩展区
2：金属的循环应力—应变 （1）循环加载的迟滞回线
（3）疲劳的分类
疲劳主要分为高周疲劳与低周疲劳，高周用应力-寿命曲线进行 计算，名义应力法（应力疲劳）；低周用应变-寿命曲线进行计算， 局部应力—应变法，（应变疲劳）；高周疲劳与低周疲劳的分界一 般是104次。
（ 4）疲劳破坏的三个阶段：
裂纹形成—裂纹扩展—疲劳断裂。
在交变载荷作用下，在结构有缺陷部位或有应力集中部位，
1. 单向应力作用下的疲劳强度计算：已知载荷，寿命，求应力是否满足要求 2. 单向应力作用下疲劳寿命的估算； 3. 复合应力作用下的疲劳强度计算； 4. 复合应力作用下疲劳寿命的估算
（六）：随即疲劳：
1. 载荷谱的测试与整理； 2. 疲劳寿命估算方法。
（七）：结构抗疲劳设计最新发展动态；
（八）：抗疲劳设计在工程机械设计中的应用
也就是许用应力法： 存在问题：
a. 设计的机械零件特别笨重（为了安全，只有加大整个截面尺寸）； b. 尽管笨重，但仍有疲劳裂纹产生。 原因： a. 疲劳裂纹发生在构件的危险点的局部区域，通过裂纹不断扩展，
最终导致断裂。 b. 疲劳危险部位往往与静强度危险部位不一致。
2） 动强度设计方法，即疲劳设计： 根据结构受力载荷，确定疲劳危险部位，保证结构危险部位满足疲劳 强度要求。 疲劳设计分为：有限疲劳设计，无限疲劳设计（早期）
断裂力学的出现，使人们注意研究裂纹扩展寿命，最为著名就是 美国人P.C.Paris于1957年提出的Paris公式，它是计算裂纹扩展寿命 的基本公式。
裂纹形成寿命的研究可追溯到二十世纪五十年代Manson和Coffin 进行了开拓性的研究，提出了著名的Manson-Coffin应变—寿命曲线。 Neuber利用结构切口根部材料可用光滑式样来模拟实验的原理提出了 局部应力—应变法，从而形成了裂纹形成寿命计算方法。
裂纹区
试样
疲劳强度的最新发展： 1）随机疲劳理论： 由于概率统计理论，计算机和数值计算方法的发展而推动的随机 劳理论的发展。 考虑 a：载荷的随机性，有宽带和窄带随机载荷之分。P11，P27
b：疲劳强度材料参数的随机性。 考虑多元随机变量的求解 P107 2）多轴疲劳： 多轴疲劳非常复杂，目前还没有世界公认的方法 3）长寿命区疲劳寿命计算： 长寿命区试验非常困难，主要是费用太高
疲劳强度课件
内容要点
（一）：疲劳强度基本概念：
1. 概论：疲劳强度在工业中的地位，疲劳破坏的三个阶段，疲劳断口； 2. 金属的循环应力—应变曲线：迟滞回线，循环硬化与软化； 3. 疲劳曲线：材料S—N曲线，概率统计知识，P—S—N曲线，疲劳极限图；
（二）：疲劳累积损伤理论：
疲劳损伤的概念，线性疲劳累积损伤假设，非线性疲劳累积损伤理论
设计要求
参考相关结构，进行受力分析， 包括：动力学彷真，有限元计算，疲劳强度计算
确定结构尺寸
结构疲劳实验 是否满足要求
结束
修改结构
疲劳设计包括：力学，材料学，测试试验技术工程设计
（2） 疲劳强度发展史
疲劳强度起源于十九世纪处，当时由于铁路运输的发展，不断出 现机车车轴的疲劳破坏。德国人 艾伯特 1829年；法国人 彭塞则 1839年；苏格兰人 兰金 1843年先后进行研究。
教学参考书
（1）徐灏： 《疲劳强度》； （2）吕彭民：《大型复杂结构抗疲劳设计》； （3）张祖民：《机械结构抗疲劳设计》； （4）J.Fatigue （5）《机械强度》杂志 （6）J.Fracture&Fatigue
一 疲劳强度基本概念
1 概论： （1）疲劳强度在工业中的地位
机械零件失效的三种形式：a：磨损；b：腐蚀；c：断裂。其中前两 种过程慢，可以更换或者修复；而断裂则是灾难性的。受动载荷作用的机 械零件和工程结构80%是由金属疲劳断裂引起的。疲劳强度校核是新产品 和已有产品强度校核的主要内容。 机械设计有两种方法： 1）静强度设计方法：工程机械设计目前主要采用这种方法（国外40年代）。
对称循环
非对称循环
为了考虑平均应力的影响，就出现了疲劳极限图，这里贡献最大 的就是W.格伯和J.Goodman，通过疲劳极限图可将有平均应力下的 疲劳问题转化为对称循环下的疲劳寿命曲线。
二战期间，飞机疲劳失事频繁出现，一些动力机械也出现疲劳事 故，使得循环应力作用下的疲劳事故成为实际问题。出现了疲劳累积 损伤理论，人们开始研究有限寿命设计。疲劳累积损伤贡献最大的要 算Palmgren和Miner，Palmgren于1924年提出了线性累积损伤理论他 在估算滚动轴承的寿命时假设累积损伤与转动次数成线性关系。1945 年，美国人Miner对线行累积损伤进行了理论推导，形成广泛应用的 Miner-Palmgren线性累积损伤法则。
1. 名义应立法：计算全寿命，主要用于高周疲劳； 2. 局部应力—应变法：计算裂纹形成寿命； 3. 断裂力学法：计算裂纹扩展寿命。
（四）：疲劳试验 材料试验，实物结构试验，高周疲劳试验，低周疲劳试验，裂纹扩展寿命试验
（五）：常规疲劳强度设计：
真正的车轴疲劳研究是德国人 A.沃勒 他设计了一台旋转弯曲疲 劳实验机，对车轴在不同应力下进行了疲劳实验，得到了第一条S-N 曲线，他发现在应力低于弹性极限时也会发生疲劳破坏，但存在一个 应力幅极限值，当应力小于该值时就不会发生疲劳破坏。
A.沃勒为常规疲劳强度设计奠定了基础，他发现在试验中平 均应力对疲劳寿命有影响.
疲劳源区
迟滞回线所包围的面积代表材料塑性变形时外力所做的功或所消耗的能 量，也表示材料抗循环塑性变形的能力，该面积可以通过积分来计算。
（2）材料的记忆特性
（a） 应力-时间历程 （b）应力-应变响应 记忆特性：由34时，先由3点，再由4点，不是沿3的延长线（虚 线），而是沿着12的延长线，即材料记忆原来路径。 记忆特性用来评价材料的循环应变历史对应力—应变的影响。 （3）载荷顺序效应 载荷顺序对疲劳寿命的影响已经被试验所证实。
结构形成塑性变形晶粒在晶界面之间滑移形成微裂纹裂纹扩展
就形成宏观裂纹裂纹继续扩展到一定时候截面强度削弱到截面
应力达到强度极限瞬断。
（5）疲劳断口 疲劳断口由三部分组成：疲劳源区；
瞬间断裂区
疲劳扩展区；瞬断区。
断裂位置一般都在应力集中部位， 如拐弯，轴臂的过度处。
疲劳扩展区
2：金属的循环应力—应变 （1）循环加载的迟滞回线
（3）疲劳的分类
疲劳主要分为高周疲劳与低周疲劳，高周用应力-寿命曲线进行 计算，名义应力法（应力疲劳）；低周用应变-寿命曲线进行计算， 局部应力—应变法，（应变疲劳）；高周疲劳与低周疲劳的分界一 般是104次。
（ 4）疲劳破坏的三个阶段：
裂纹形成—裂纹扩展—疲劳断裂。
在交变载荷作用下，在结构有缺陷部位或有应力集中部位，
1. 单向应力作用下的疲劳强度计算：已知载荷，寿命，求应力是否满足要求 2. 单向应力作用下疲劳寿命的估算； 3. 复合应力作用下的疲劳强度计算； 4. 复合应力作用下疲劳寿命的估算
（六）：随即疲劳：
1. 载荷谱的测试与整理； 2. 疲劳寿命估算方法。
（七）：结构抗疲劳设计最新发展动态；
（八）：抗疲劳设计在工程机械设计中的应用
也就是许用应力法： 存在问题：
a. 设计的机械零件特别笨重（为了安全，只有加大整个截面尺寸）； b. 尽管笨重，但仍有疲劳裂纹产生。 原因： a. 疲劳裂纹发生在构件的危险点的局部区域，通过裂纹不断扩展，
最终导致断裂。 b. 疲劳危险部位往往与静强度危险部位不一致。
2） 动强度设计方法，即疲劳设计： 根据结构受力载荷，确定疲劳危险部位，保证结构危险部位满足疲劳 强度要求。 疲劳设计分为：有限疲劳设计，无限疲劳设计（早期）
断裂力学的出现，使人们注意研究裂纹扩展寿命，最为著名就是 美国人P.C.Paris于1957年提出的Paris公式，它是计算裂纹扩展寿命 的基本公式。
裂纹形成寿命的研究可追溯到二十世纪五十年代Manson和Coffin 进行了开拓性的研究，提出了著名的Manson-Coffin应变—寿命曲线。 Neuber利用结构切口根部材料可用光滑式样来模拟实验的原理提出了 局部应力—应变法，从而形成了裂纹形成寿命计算方法。
裂纹区
试样
疲劳强度的最新发展： 1）随机疲劳理论： 由于概率统计理论，计算机和数值计算方法的发展而推动的随机 劳理论的发展。 考虑 a：载荷的随机性，有宽带和窄带随机载荷之分。P11，P27
b：疲劳强度材料参数的随机性。 考虑多元随机变量的求解 P107 2）多轴疲劳： 多轴疲劳非常复杂，目前还没有世界公认的方法 3）长寿命区疲劳寿命计算： 长寿命区试验非常困难，主要是费用太高
疲劳强度课件
内容要点
（一）：疲劳强度基本概念：
1. 概论：疲劳强度在工业中的地位，疲劳破坏的三个阶段，疲劳断口； 2. 金属的循环应力—应变曲线：迟滞回线，循环硬化与软化； 3. 疲劳曲线：材料S—N曲线，概率统计知识，P—S—N曲线，疲劳极限图；
（二）：疲劳累积损伤理论：
疲劳损伤的概念，线性疲劳累积损伤假设，非线性疲劳累积损伤理论
设计要求
参考相关结构，进行受力分析， 包括：动力学彷真，有限元计算，疲劳强度计算
确定结构尺寸
结构疲劳实验 是否满足要求
结束
修改结构
疲劳设计包括：力学，材料学，测试试验技术工程设计
（2） 疲劳强度发展史
疲劳强度起源于十九世纪处，当时由于铁路运输的发展，不断出 现机车车轴的疲劳破坏。德国人 艾伯特 1829年；法国人 彭塞则 1839年；苏格兰人 兰金 1843年先后进行研究。
教学参考书
（1）徐灏： 《疲劳强度》； （2）吕彭民：《大型复杂结构抗疲劳设计》； （3）张祖民：《机械结构抗疲劳设计》； （4）J.Fatigue （5）《机械强度》杂志 （6）J.Fracture&Fatigue
一 疲劳强度基本概念
1 概论： （1）疲劳强度在工业中的地位
机械零件失效的三种形式：a：磨损；b：腐蚀；c：断裂。其中前两 种过程慢，可以更换或者修复；而断裂则是灾难性的。受动载荷作用的机 械零件和工程结构80%是由金属疲劳断裂引起的。疲劳强度校核是新产品 和已有产品强度校核的主要内容。 机械设计有两种方法： 1）静强度设计方法：工程机械设计目前主要采用这种方法（国外40年代）。
对称循环
非对称循环
为了考虑平均应力的影响，就出现了疲劳极限图，这里贡献最大 的就是W.格伯和J.Goodman，通过疲劳极限图可将有平均应力下的 疲劳问题转化为对称循环下的疲劳寿命曲线。
二战期间，飞机疲劳失事频繁出现，一些动力机械也出现疲劳事 故，使得循环应力作用下的疲劳事故成为实际问题。出现了疲劳累积 损伤理论，人们开始研究有限寿命设计。疲劳累积损伤贡献最大的要 算Palmgren和Miner，Palmgren于1924年提出了线性累积损伤理论他 在估算滚动轴承的寿命时假设累积损伤与转动次数成线性关系。1945 年，美国人Miner对线行累积损伤进行了理论推导，形成广泛应用的 Miner-Palmgren线性累积损伤法则。