抗疲劳设计

抗疲劳设计

1、疲劳的概念

疲劳是指材料在循环应力和应变作用下，在一处或者几处逐渐产生局部永久性累计损伤，经一定循环次数产生裂纹或者突然发生完全断裂的过程。

2、疲劳破坏失效的特点

金属零件在使用中发生疲劳破坏的特点：（1）突发性；（2）高度局部性；（3）对各种缺陷的敏感性。

3、疲劳破坏机理

金属的疲劳破坏可以分为疲劳裂纹萌生、疲劳裂纹扩展和失稳断裂三个阶段。

（1）疲劳裂纹萌生

疲劳裂纹萌生是由塑形应变集中引起，有三种常见的萌生方式：滑移带开裂，晶界或孪晶界开裂，夹杂物或相与基体的界面开裂。其中，滑移带开裂不但是最常见的疲劳裂纹萌生方式，也是三种萌生方式中最基本的一种。

（2）疲劳裂纹扩展

疲劳裂纹扩展可以分为第Ⅰ阶段裂纹扩展和第Ⅱ阶段裂纹扩展两个阶段。其中，第Ⅰ阶段裂纹扩展在断口上一般并不留下任何痕迹，第Ⅱ阶段裂纹扩展则常留下“条带”的显微特征。

（3）失稳断裂

失稳断裂是疲劳破坏的最终阶段，它与前两个阶段不同，是在一瞬间突然发生的。

4、疲劳破坏的原因

影响机械零件疲劳强度的因素很多，归纳起来可以从内因（材料的化学成分、组织、内部缺陷、材料强韧化、材料的选择及热处理状况等）和外因（零件几何形状及表面状态、装配与连接、使用环境因素、结构设计、载荷特性等）两个方面来考虑。

（1）缺口效应

在机械零件中，由于结构上的要求，一般都存在有槽沟、轴肩、孔、拐角、切口等截面变化，这些截面变化称之为缺口。在这些缺口处，不可避免地要产生应力集中，而应力集中又必然使零件的局部应力提高。当零件承受静载荷时，由于常用的结构材料都是延性材料，有一定的塑形，在破坏以前有一个宏观塑形变形过程，使零件上的应力重新分配，自动趋于均匀化，因此，缺口对零件的静强度一般没有多大的影响。疲劳破坏的情形完全不同，这时截面上的名义应力尚未达到材料的屈服极限，因此破坏以前不产生明显的宏观塑性变形。这样便使得应力集中处的疲劳强度比光滑部分底，常常成为零件的薄弱环节。因此，抗疲劳设计时必须考虑缺口效应。

（2）尺寸效应

式样和零件的尺寸对其疲劳强度影响很大，一般说来，零件和试样的尺寸增大时疲劳强度降低。这种疲劳强度随着零件尺寸增大而降低的现象称为尺寸效应。

（3）表面加工方法的影响

金属切削加工不仅是一个使制件得到一定尺寸和形状的过程，而且与热处理一样，对金属的性质（确切的说，是对于制件表面层的性质）也有重要影响。制件的疲劳强度多由表面层的性质决定，因此，切削用量、切削工具的几何形状等与切削加工有关的因素，都对疲劳强度的发生有影响。

（4）平均应力的影响

拉伸平均应力使疲劳强度和寿命降低，压缩平均应力使疲劳强度和寿命增加。

（5）其它因素的影响

a)加载频率的影响低频使疲劳极限降低，高频使疲劳极限升高；

b)应力波形的影响循环的波形（正玄、三角形、梯形、矩形等）确定

了在最大应力下停留时间。在高温与腐蚀介质条件下循环波形有较

大影响。滞后回线特性与循环波形密切相关，因此，在应变伏较大

的情况下，循环波形对裂纹形成寿命有很大影响，而对裂纹扩展寿

命影响很小。在焊接试验时，由三角波变为方波，使寿命明显降低。

c)中间停歇的影响1>中间停歇对疲劳极限没有明显的影响；2>中间

停歇对疲劳寿命有一定影响，其影响随材料而异。对低碳钢影响较

大，每隔10%N停歇6-8个小时可使疲劳寿命提高一倍以上；而对

于合金钢、铝合金、镁、铜等金属，则影响很小，停歇越频繁，停

歇时间越长，对疲劳寿命的影响越大。停歇时若对试样进行中间加

热，则提高疲劳寿命的效应加强，这时即使停歇时间很短也有明显

影响。

5、提高零构件疲劳强度的方法

（1）合理选材

底周期疲劳时，应选择塑性好的材料；高周期疲劳时，应选择强度高的材料；寿命介于高低周疲劳之间时，应兼顾强度和塑形，选择韧性好的材料。

（2）改进结构和工艺

a)改进结构

降低零件危险截面的应力集中是提高零件疲劳强度的有效方法。另外，

建立预应力和预紧力，可以降低其交变应力，也能够提高其疲劳强度。

可以采取以下措施：（1）适当加大危险截面的尺寸；（2）避免尖角和适

当加大过渡圆角半径；（3）设卸载孔、卸载沟或卸载槽，改进应力流线，

降低应力集中；（4）将微动磨损与应力集中分离开来；（5）改善载荷的

不均匀分配；（6）建立预应力及预紧力。

b)改进工艺

采取的改进的工艺有以下几种方式：（1）提高表面粗糙度，尽量避免擦

伤和划痕；（2）使零件的加工方向与其最大主应力方向一致；（3）保持

的正确配合；（4）采用适当的热处理工艺；（5）采用时效处理；（6）在

零件制造过程中，不使表面层产生有害的拉伸残余应力；（7）不使毛坯

材料产生偏析、脱碳、夹杂、裂纹等缺陷；（8）对焊缝进行电渣重熔，

将对焊接头焊缝的凸出部切除，将焊角处打磨使其光滑过渡；（9）在焊

件上加工出坡口，避免焊缝未焊透。

（3）表面强化

表面强化的方法有：表面热处理、表面化学热处理、表面冷作硬化。

表面热处理包括火焰淬火和感应淬火；表面化学热处理包括渗碳、渗氮和氰化；表面冷作硬化包括喷丸、滚压、锤击和超载拉伸等。

（4）表面防护

疲劳破坏一般都自表面起始，而表面与外界接触，其疲劳强度受外界环境影响。因此，采用一定的表面防护方法，使表面与有害的外界环境隔离，可以提高其疲劳强度。

a)液体涂层

在金属表面涂以润滑剂薄膜或润滑油，可以将金属表面与空气中的有害

成分-氧和湿气-隔开，可以提高金属的疲劳强度。

b)金属镀层

在钢制金属上镀以非铁金属，可以提高零件的耐磨性、防蚀和耐热性能，

有时也可以修复已磨损的零件。

c)阳极氧化

阳极氧化是一种电解镀液过程，它能在铝合金上形成一层硬的抗蚀的氧

化铝表层。

（5）合理操作与定期检修

合理的操作对提高零部件的疲劳强度具有重要意义，为了提高设备的使用期限，还必须对设备进行定期检修，以便及时发现问题，采取有效措施，防止设备长期在不正常的工况下运行，而加速其受力件的疲劳和磨损失效。

6、有限元方法在疲劳分析设计中的应用

利用有限元软件可以根据机械结构系统受到外力负载时应力、位移、温度等的变化，判断出结构是否符合设计要求。通过实测或其他方法得到机械结构工作状态下受力的变化数值，以载荷谱的形式进行有限元疲劳分析，得到疲劳寿命和动载荷应力、应变的变化，从而为结构的改进及优化提供更有效的数据。这种方法可以缩短设计周期，节约大量的试验和生产费用，降低研制成本，从而在技术上保证产品的安全型、稳定性和可靠性。

现在市面上可以进行疲劳分析的通用软件有如ANSYS、HyperWorks、Abaqus、COMSOL Multiphysics等，还有一些专业的疲劳分析软件如Ncode、FE-safe、MSC-fatigue等。