疲劳分析方法

疲劳寿命分析方法

摘要：本文简单介绍了在结构件疲劳寿命分析方法方面国内外的发展状况, 重点讲解了结构件寿命疲劳分析方法中的名义应力法、局部应力应变法、应力应变场强度法四大方法的估算原理。

疲劳是一个既古老又年轻的研究分支，自Wohler 将疲劳纳入科学研究的范畴至今，疲劳研究仍有方兴未艾之势，材料疲劳的真正机理与对其的科学描述尚未得到很好的解决。疲劳寿命分析方法是疲分研究的主要内容之一，从疲劳研究史可以看到疲劳寿命分析方法的研究伴随着整个历史。

金属疲劳的最初研究是一位德国矿业工程帅风W.A.J.A1bert 在1829 年前后完成的。他对用铁制作的矿山升降机链条进行了反复加载试验，以校验其可靠性。1843 年，英国铁路工程师W.J.M.Rankine 对疲劳断裂的不同特征有了认识，并注意到机器部件存在应力集中的危险性。1852 年-1869 年期间，Wohler 对疲劳破坏进行了系统的研究。他发现由钢制作的车轴在循环载荷作用下，其强度人大低于它们的静载强度，提出利用S-N曲线来描述疲劳行为的方法，并是提出了疲劳“耐久极限”这个概念。1874年，德

国工程师H.Gerber 开始研究疲劳设计方法，提出了考虑平均应力影响的疲劳寿命计算方法。Goodman讨论了类似的问题。1910年，O.H.Basquin提出了描述金属S-N曲线的经验规律，指出：应力对疲劳循环数的双对数图在很大的应力范围内表现为线性关系。Bairstow 通过多级循环试验和测量滞后回线，给出了有关形变滞后的研究结果，并指出形变滞后与疲劳破坏的关系。1929年B.P.Haigh研究缺口敏感性。1937年H.Neuber 指出缺口根部区域内的平均应力比峰值应力更能代表受载的严重程度。1945 年

M.A.Miner 在J.V.Palmgren 工作的基础上提出疲劳线性累积损伤理论。L.F.Coffin 和

S.S.Manson 各自独立提出了塑性应变幅和疲劳寿命之间的经验关系，即Coffin —Man son公式，随后形成了局部应力应变法。

中国在疲劳寿命的分析方面起步比较晚，但也取得了一些成果。浙江大学的彭禹，郝志勇针对运动机构部件多轴疲劳载荷历程提取以及在真实工作环境下的疲劳寿命等问题，以发动机曲轴部件为例，提出了一种以有限元方法，动力学仿真分析以及疲劳分

析为基础的联合仿真多轴疲劳寿命预测方法；吉林大学的范平清，薛海英，谭庆昌利用

PRO/E MSC/NASTRAWSC/FATIGU软件对MB-1新型客车转向架构架进行了疲劳寿命分析，同时给出了疲劳寿命分布的云纹图；上海汇众汽车制造有限公司的王成龙，张治应用MSC/FATIGU,E结合疲劳台架实验，对汽车安全零件-控制臂进行了疲劳分析等等。疲劳寿命计算方法发展也伴随着其他学科领域的发展。

1 疲劳寿命及其方法简介

1.1 疲劳及疲劳寿命

1.1.1 疲劳定义及分类

疲劳用来表达材料在循环载荷作用下的损伤和破坏。国际标准化组织（ISO）在1964 年发表的报告《金属疲劳试验的一般原理》中对疲劳所做的定义是：“金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫做疲劳”这一描述也普遍适用于非金属材料。

对疲劳可以从不同的角度进行分类。在常温下工作的结构和机械的疲劳破坏取决于外载的大小。从微观上看，疲劳裂纹的萌生都与局部微观塑性有关，但从宏观上看，在循环应力水平较低时，弹性应变起主导作用，此时疲劳寿命较长，称为应力疲劳或高周疲劳；在循环加力水平较高时，塑性应变起主导作用，此时疲劳寿命较短，称为应变疲劳或低周疲劳。

不同的外部载荷造成不同的疲劳破坏形式，由此可以将疲劳分为：机械疲劳-仅由外加应力或应变波动造成的疲劳失效；蠕变疲劳-循环载荷同高温联合作用引起的疲劳失效；热机械疲劳- 循环载荷和循环温度同时作用引起的疲劳失效；腐蚀疲劳-在存在侵蚀性化学介质或致脆介质的环境中施加循环载荷引起的疲劳失效；滑动接触疲劳和滚动接触疲劳-载荷的反复作用与材料间的滑动和滚动接触相结合分别产生的疲劳失效：微动疲劳- 脉动应力与表面间的来回相对运动和摩擦滑动共同作用产生的疲劳失效。机器和结构部件的失效大多数是由于发生上述某一种疲劳过程造成的。

1.1.2 疲劳寿命

疲劳寿命是指结构或机械直至破坏所作用的循环载荷的次数或时间。所谓疲劳破坏或疲劳失效的定义或准则是多种多样的。从疲劳损伤发展过程看，有二阶段疲劳寿命模型、三阶段疲劳寿命模型和多阶段疲劳寿命模型。二阶段模型将疲劳寿命分为裂纹形成和裂纹扩展（图1所示）：结构或材料从受载开始到裂纹达到某一给定的裂纹长度a o为

止的循环次数称为裂纹形成寿命，此后裂纹扩展到临界裂纹长度a cr 为止的循环次数称

为裂纹扩展寿命；从疲劳寿命预测的角度看，这一给定的裂纹长度与预测所采用的寿命性能曲线有关。三阶段模型认为疲劳损伤过程由无裂纹、小裂纹和大裂纹三个阶段组成（图2所示），其中：a msu为小裂纹的上限尺寸，a msL为小裂纹的下限尺寸，a。为工程裂纹尺寸；上述各裂纹尺寸与材料和外载有关。多阶段模型将小裂纹阶段细分为三个阶段：微观小裂纹，物理小裂纹和结构小裂纹〔图3所示），其中：a pi为塑性驻留区形成尺寸，a msi为微观结构小裂纹尺寸，a psi为物理小裂纹尺寸，a i为线弹性断裂力学可应用的最小裂纹长度。上述模型中各阶段疲劳寿命之和称为疲劳全寿命。除上述三个模型外，还有不少模型研究了各个阶段的分界点。

图i 两阶段疲劳寿命模型

图 2 三阶段疲劳破坏模型

图 3 多阶段疲劳寿命模型

1.2 确定疲劳寿命的方法简介

确定结构和机械疲劳寿命的方法主要有两类：实验法和实验分析法。实验分析法也称为科学疲劳寿命分析法。

确定疲劳寿命的实验法完全依赖于实验，是最传统的方法。他直接通过与实际情况相同或相似的试验来获取所需要的疲劳数据。这种方法虽然可靠，但是在设计阶段，或结构件太复杂、太昂贵时，以及在实际情况的类别数量太庞大的情况下，无论从人力、物力，还是从工作周期上来说，它都是不大可行的。由于工程结构、外载荷和环境差异，使得实验结果不具有通用性。