疲劳基本理论

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疲劳力学基础理论与应用

疲劳力学基础理论与应用

疲劳力学基础理论与应用疲劳是指在重复加载或应力作用下,物体或材料在一定周期内发生的损伤和破坏过程。

疲劳是许多工程和科学领域中的重要问题,它直接关系到材料的可靠性和寿命。

疲劳力学作为一门研究疲劳问题的学科,基于疲劳力学基础理论,为实际工程问题的解决提供了理论依据和工程指导。

一、疲劳力学基础理论1. 应力-应变曲线在疲劳力学中,应力-应变曲线是研究材料疲劳行为的基础。

它描述了材料在加载过程中的应力和应变关系。

应力-应变曲线通常包括弹性阶段、屈服阶段、塑性阶段和断裂阶段等。

2. 疲劳寿命疲劳寿命是指材料在特定应力幅值下经历特定循环次数后发生破坏的总循环次数或持久循环次数。

疲劳寿命是评价材料耐久性的重要指标,能够帮助工程师预测材料在实际工作中的使用寿命。

3. 应力集中因子应力集中因子是疲劳破坏中的重要参数,指材料内部或表面的应力分布不均匀现象。

应力集中因子的大小与结构形状、应力状态、载荷类型等因素有关。

减小应力集中因子能够有效延长材料的疲劳寿命。

二、疲劳力学的应用1. 材料疲劳寿命评估基于疲劳力学理论,工程师可以通过疲劳试验和数值模拟等方法来评估材料的疲劳寿命。

这有助于选择合适的材料和设计符合要求的结构,以确保工程项目的可靠性和安全性。

2. 疲劳裂纹扩展分析疲劳裂纹扩展是材料疲劳破坏的主要形式之一。

疲劳裂纹的扩展速率和路径对材料的寿命有重要影响。

通过疲劳裂纹扩展分析,可以预测材料在实际工作条件下的裂纹扩展情况,并采取适当的措施延缓裂纹的扩展,从而延长材料的使用寿命。

3. 疲劳强度提高为了提高工程结构的疲劳强度,可以采取一系列措施,如改变材料的热处理过程、表面强化处理、减小应力集中、增加结构的充分度等。

这些措施能够改善材料的抗疲劳性能,提高结构的疲劳寿命。

结论疲劳力学基础理论是研究材料疲劳破坏的重要理论基础,对于解决实际工程问题具有重要意义。

通过应力-应变曲线、疲劳寿命、应力集中因子等基本概念的分析,可以深入理解材料在疲劳环境下的行为规律。

疲劳载荷及分析理论

疲劳载荷及分析理论

疲劳载荷及分析理论疲劳载荷谱(fatigue load spectrum)是建立疲劳设计方法的基础。

根据研究对象的不同,施加在对象上的疲劳载荷也是不同的,所以在应用时要依据某种统计分析方法和理论进行分析。

1 疲劳载荷谱1.1 疲劳载荷谱及其编谱载荷分为静载荷和动载荷两大类。

动载荷又分为周期载荷、非周期载荷和冲击载荷。

周期载荷和非周期载荷可统称为疲劳载荷。

在很多情况下,作用在结构或机械上的载荷是随时间变化的,这种加载过程称为载荷—时间历程。

由于随机载荷的不确定性,这种谱无法直接使用,必须对其进行统计处理。

处理后的载荷—时间—历程称为载荷谱。

载荷谱是具有统计特性的图形,它能本质地反映零件的载荷变化情况[]。

为了估算结构的使用寿命和进行疲劳可靠性分析,以及为最后设计阶段所必需的全尺寸结构和零部件疲劳试验,都必须有反映真实工作状态的疲劳载荷谱。

实测的应力—时间历程包含了外加载荷和结构的动态响应的影响,它不仅受结构系统的影响,而且也受应力—时间历程的观测部位的影响。

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。

编谱的重要一环,是用统计理论来处理所获得的实测子样[]。

1.2 统计分析方法对于随机载荷,统计分析方法主要有两类:计数法和功率谱法[]。

由于产生疲劳损伤的主要原因是循环次数和应力幅值,因此在编谱时首先必须遵循某一等效损伤原则,将随机的应力—时间历程简化为一系列不同幅值的全循环和半循环,这一简化的过程叫做计数法。

功率谱法是借助富氏变换,将连续变化的随机载荷分解为无限多个具有各种频率的简单变化,得出功率谱密度函数。

在抗疲劳设计中广泛使用计数法。

目前,已有的计算法有十余种之多,同一应力—时间历程用不同计数法编制出的载荷谱有时会差异很大。

当然,按照这些载荷谱来进行寿命估算或试验,也会给出不同的结果。

从统计观点上看,计数法大体分为两类:单参数法和双参数法[]。

所谓单参数法是指只考虑应力循环中的一个变量,例如,峰谷值、变程〔相邻的峰值与谷值之差〕,而双参数法则同时考虑两个变量。

钢桥疲劳分析基本理论综述

钢桥疲劳分析基本理论综述
技 经 济 市 场
钢桥疲劳分析基本 理论综述
崔 海 军
( 州工业职 业技 术 学 院 , 苏 扬 州 2 5 2 ) 扬 江 2 1 7
摘 要 : 疲劳是钢材在重复荷载所引起的反复应力作用下, 在材料传力途径有局部缺陷或疵点处逐渐形成裂纹并扩展到断
裂的一种行 为。由于桥 梁应用材料科 学理论发展 的不 完善 、 材料本 身的缺 陷、 施工技术 、 施工方法 、 施工 质量 问题、 车辆超 载 等方方面面的原 因, 多桥梁都发生 了疲劳破坏。 因此本文对钢 桥疲劳验算采用 的荷载及加 载方式和疲 劳分析 方法作 了一 许

据 和补充 。该方法的最大特点是不仅可以判定初始 裂纹 尺寸在 给定 的应力状况下是否会扩展 ,而且可以根据结构 细节 中实 际 存 在的裂纹和缺 陷情况来确定结 构断裂时所具有 的疲劳 寿命 , 因此对焊接钢桥的疲劳分析收到 了良好的效果 。但是这种理论 体 系还不够成熟 , 在实际的分析中 , 还需要人们对该种方法不断 认识深化 。 23基于 S N曲线的疲劳寿命评估方法 _ - 基 于 S N 曲线 的疲 劳寿命评估 方法又称 为基于车 辆荷载 - 频值谱 的损伤度验算方法或 车辆荷载频值谱法 。 应力一寿命分析方法发展较早 ,至今仍然是世界各 国进行 钢桥疲劳设计和寿命评估 的主要方法。该方法 的主要依据是对 钢桥各种结构细节所进行大量常 幅疲劳试 验数据 ,但钢桥疲劳 属于变 幅、 低应力 、 高循 环的疲劳范因此如何运用 常幅疲劳试验 数据估算变 幅应力作用下甚 至大部分应力脉远低 于常幅疲劳极 限 的钢 桥 结 构 疲 劳 寿 命 是 一 个 非 常 重 要 的 问 题 。 目前 , A S T B50 A H O、S 4 0以及 E red 3等规 范都采取 了对 常幅疲 劳 uoo e 试验数据得到的 S N曲线进行修正 的方 法 , - 制定 了适用 于钢桥 细节在低应力长寿命区段 的 S N设计曲线。由于我 国现行的桥 -

疲劳理论-

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疲劳累积损伤理论
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风电轴承疲劳累积损伤理论
汇报人:栗春慧 指导老师:王建梅
风电轴承疲劳
定义:在某点或某些点承受扰动应力,且在足够多 的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所 发生的局部的永久结构变化的发展过程,称为疲劳。 风电机组中的大部分零部件承受的是变幅循环载 荷,因此轴承的设计应能保证承受工作过程中的外载 荷而不发生过量的弹性变形和残余变形,同时保证具 有足够的使用寿命。

疲劳基础知识介绍

疲劳基础知识介绍

2.疲劳基础知识 疲劳基础知识
疲劳源区 裂纹扩展区
宏观断口
疲劳断口一般可分为 三个区:疲劳源区、 三个区:疲劳源区、 裂纹扩展区( 裂纹扩展区(光滑区 和瞬时断裂区( )和瞬时断裂区(粗 糙)
瞬时断裂区
2.疲劳基础知识 疲劳基础知识
描述交变应力的基本量
最大应力, 最大应力,最小应力σ
常用导出量
max
2.疲劳基础知识 疲劳基础知识 疲劳曲线
交变应力σ与疲劳寿命N(循环次 数)与之间的关系曲线成为疲劳 曲线(S-N曲线) 图1为材料的疲劳曲线 AB段——静应力强度状况 BC段——低周疲劳(能够见到材 料已发生塑性变形) CD段——有限寿命疲劳阶段 CD段可以用下式描述 σm N = C rN
m σ rN N = σ rm N 0 = C m τ rN N = τ rm N 0 = C ′
图1 材料的疲劳曲线
2.疲劳基础知识 疲劳基础知识
高周疲劳(N>105) 高周疲劳
• 作用于零件、构件上的应力较低, ,工作应力低于材料的屈服极限,甚 至低于弹性极限。 • 描述高周疲劳,用S-N曲线(即σ-N N曲线)。高周疲劳范围内,由于试 样主要产生的只是弹性变形,塑性变形很小 塑性变形很小,用应变也很难测量,这 时采用S-N 曲线。 • 弹簧、传动轴等的疲劳属于此类。 。
1.概述 概述
疲劳破坏与传统静力破坏的本质区别
静力破坏 一次最大载荷作用下的破坏 疲劳破坏 多次反复载荷作用下的破坏
小于屈服极限或强度极限不 远小于静强度极限甚至小于屈服极限就可 能破坏 发生破坏 通常产生明显的塑性变形 通常没有外在宏观的显著塑性变形 通常没有外在宏观的显著塑性变形,破坏 形式像脆性破坏,不易察觉 断口粗粒状或纤维状 两个区域特征:平滑区,粗粒状或纤维状 两个区域特征 抗力主要取决于材料本身 抗力与材料的组成、构件的形状或尺寸、 抗力与材料的组成 表面加工状况、使用条件及外部工作环境 表面加工状况 有关

★★★疲劳分析解析

★★★疲劳分析解析

、绪论疲劳,是固体力学的一个分支,它主要研究材料或结构在交变载荷作用下的强度问题,研究材料或结构的应力状态与寿命的关系。

金属、塑料、木材、混凝土、玻璃、橡胶和复合材料等各种结构材料及其加工成的结构或设备,在载荷的反复作用下,都会产生疲劳问题。

据统计,在三大主要破坏形式(磨损、腐蚀和断裂)之一的断裂失效中,结构破坏的 80% 以上都是由疲劳引起的。

疲劳破坏在工程结构和机械设备中极为广泛,遍及每一个运动的零部件,不管是脆性材料还是塑性材料,疲劳破坏由于没有明显的宏观塑性变形,破坏十分突然,往往造成灾难性的事故。

因此,对于承受循环载荷的零部件都应进行疲劳强度设计。

疲劳所涉及面之广几乎涵括汽车、铁路、航空航天、海洋工程以及一般机器制造等各个工业领域。

近年来,有限元方法的不断成熟使得 CAE 分析结果的精度和可靠性有了很大的提高。

现在全球各大汽车公司,在产品的并行开发过程中,广泛地将 CAE技术同步应用于车身开发,如刚度、强度、NVH分析、机构运动分析等。

作为车身 CAE 的一个重要方面——疲劳耐久性 CAE 分析技术,基于有限元应力应变结果,结合承受载荷的变化历史和材料的性能参数,并应用相应的疲劳损伤理论来预测构件的疲劳寿命。

与基于试验的传统疲劳分析相比,疲劳 CAE 技术能够提供零部件表面的疲劳寿命分布图,可以在设计阶段判断零部件的疲劳寿命薄弱位置,能够减少试验样机的数量,大大缩短产品的开发周期,降低产品开发成本,提高市场竞争力。

二、疲劳基本概念2.1 疲劳定义疲劳的一词的英文是fatigue,意思是“劳累、疲倦”。

作为专业术语,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;虽然在一般情况下,这个术语特指那些导致开裂或破坏的性能变化” 。

这一描述也普遍适用于非金属材料。

疲劳理论基础

疲劳理论基础
2疲劳问题分类单轴疲劳单向循环应力作用下的疲劳单向拉压弯曲扭转循环多轴疲劳多向应力作用下的疲劳又可细分为荷载等比例同步加载和不等比例加载区别在于主应力方向是否随时间改变按照工作环境还有热疲劳腐蚀疲劳接触疲劳冲击疲劳等形式3疲劳寿命影响因素疲劳寿命n是指疲劳失效时所经受的应力或应变的循环次数疲劳计算时通常不考虑疲劳荷载的施加时间而仅以循环次数为计算依据
2、疲劳问题分类
按应力状态分类
• 单轴疲劳—单向循环应力作用下的疲劳,单向拉-压、弯曲、 扭转循环 • 多轴疲劳—多向应力作用下的疲劳,又可细分为荷载等比例同 步加载和不等比例加载,区别在于主应力方向是否随时间改变
按荷载变化情况分类
• 恒幅疲劳—所有荷载峰值、谷值均相等 • 变幅疲劳—荷载峰值、谷值不相等,也称谱荷载 • 随机疲劳—荷载峰值、谷值不相等,且随机出现
-1<R<0
R=-1 对称循环
R=0 脉动循环
0<R<1
3、疲劳寿命影响因素
3、疲劳寿命影响因素
S/N曲线并不是一直保持直线,当应力幅小 于一定值后,结构可以在该应力幅下持续工作 到无限次循环,称该应力幅为疲劳极限(fatigue limit,endurance limit)。实际中一般取某个较大的 循环次数下的疲劳强度为疲劳极限,称该循环 次数为ND,一般取为107。在S/N曲线图上,ND 为曲线转折点对应的位臵。 疲劳极限的物理意义是:所有应力幅均小于 该值的应力循环不产生疲劳损伤。体现在S/N曲 线图上,第二段直线的斜率为零。 然而对于有大于疲劳极限循环分量的变幅疲 劳,低于疲劳极限的循环分量仍然能够对结构 造成损伤。实际S/N曲线为考虑这一点,第二段 直线往往取一个较小的斜率,一般是m2=2m1-1。 亦有规范规定,即使是变幅疲劳,其中的疲劳 分量小于某一应力幅值后,也不会对结构造成 疲劳损伤。这一应力幅称为截断极限(cut-off limit)。此时S/N曲线为三折线,第三段斜率为零。 GL规范中并未规定截断极限。

疲劳基础必学知识点

疲劳基础必学知识点

疲劳基础必学知识点
下面是疲劳基础必学的一些知识点:
1. 疲劳是指身体或心理在持续或过度劳累后出现的疲劳感。

疲劳可以
分为身体疲劳和心理疲劳两种类型。

2. 身体疲劳是指长时间或过度的体力活动导致肌肉疲劳、体力消耗过
大的状态。

常见的身体疲劳症状包括肌肉酸痛、无力感、身体僵硬等。

3. 心理疲劳是指长时间或过度的精神、思维活动导致精神压力过大的
状态。

常见的心理疲劳症状包括注意力不集中、记忆力下降、焦虑、
抑郁等。

4. 疲劳的产生原因多种多样,包括长时间的连续工作、缺乏休息、睡
眠不足、不合理的工作安排、高强度的体力或精神活动等。

5. 疲劳对身体和心理健康都有不良影响。

身体疲劳可导致身体机能下降、免疫力下降,增加患病风险;心理疲劳可导致情绪低落、抑郁,
影响工作和生活质量。

6. 预防和缓解疲劳的方法包括合理安排工作和休息时间、保证充足的
睡眠、进行适量的体育锻炼、培养良好的生活习惯和心态等。

7. 对于已经出现疲劳的人,需要进行适当休息和恢复,包括休息、放松、进行适度的运动、调整饮食和保持积极的心态等。

8. 长期的疲劳状态可能导致慢性疲劳综合征等长期身体和心理健康问题,需要及时就医咨询和治疗。

这些是疲劳基础知识的一些重要要点,希望对你有帮助!。

汽车材料疲劳分析

汽车材料疲劳分析

汽车材料疲劳分析摘要:本文首先简要介绍疲劳破坏,然后对汽车材料疲劳破坏进行分析讨论,给出几种有效估算疲劳寿命的分析方法。

关键词:材料疲劳、汽车、疲劳寿命预测疲劳破坏涉及面之广几乎涵括汽车、铁路、航空航天、能源、军事国防、海洋油气工程及一般机器制造等各个工业领域,这说明了其问题严重性。

对疲劳研究尤其是金属材料是和国民经济发展有密切联系的学科。

汽车作为人类出行密不可分的工具,对其疲劳分析研究尤为重要。

1.疲劳的基本理论1.1.疲劳定义和特点许多机械零件和工程构件,是承受交变载荷工作的。

当材料或结构在在交变载荷的作用下,虽然应力水平低于材料的屈服极限,甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏,但经过长时间的应力反复循环作用以后,也会发生突然脆性断裂,这种现象叫做疲劳破坏。

其具有受交变力、作用时间长、断裂瞬时发生且疲劳断裂区都是脆性等特点。

1.2.疲劳破坏过程和类别疲劳破坏的过程为:在循环交变载荷作用下,在零部件局部最高应力处的晶粒上形成微裂纹,然后发展成宏观裂纹,裂纹继续扩展,最终导致疲劳断裂经历了疲劳成核-微观裂纹生长-最后断裂三个阶段。

金属材料的疲劳现象,按条件不同可分为:高周疲劳、低周疲劳、热疲劳、腐蚀疲劳和接触疲劳等。

2.汽车材料疲劳2.1.汽车材料疲劳破坏汽车长期运行中所承受的外部载荷是循环动态交变载荷,在这种载荷作用下,汽车的许多零构件上都产生动态应力,引起疲劳损伤,其疲劳破坏形式多为疲劳断裂。

疲劳断裂是汽车零部件最主要的失效形式,具有断裂前没有可见裂纹、功能改变等预兆等特点,导致了人们生命财产巨大损失。

但是其可以预防,如果在汽车设计、生产、使用、维护人员具备相关疲劳失效知识,可以减少1/3以上的损失。

2.2.汽车材料疲劳破坏原因汽车材料疲劳失效产生与汽车的设计、生产、使用、维护息息相关,比如:在设计中对疲劳破坏考虑与否;在材料加工过程中,加工工艺水平高低;车辆使用中的定期检修情况或遭受意外冲击等;恶劣复杂行驶环境等;都是造成其疲劳破坏的原因。

如何判定疲劳

如何判定疲劳
突发任务压力下的疲劳是一种应急性的疲劳,主要表现是身体和精神的高度紧张, 以及由于压力导致的睡眠障碍。
突发任务压力导致疲劳的原因主要是由于突然面临紧急任务,需要付出额外的努力 和时间来完成任务,从而引发身体和精神的高度紧张和睡眠障碍。
对于突发任务压力下的疲劳,应该采取以下措施:合理安排工作时间,避免过度加 班,学会放松自己,以及在必要时寻求心理咨询师的帮助。
常常忘记刚刚发生的事情,即使经过提醒也 难以回忆起。
思维迟缓
疲劳状态下,思维变得迟缓,处理问题及做 出决策的能力下降。
意志力减弱
缺乏动力
疲劳时,人们往往感到做事缺乏动力,难以坚持完成 目标。
自控力下降
疲劳状态下,人们的自控力减弱,容易放纵自己,如 过度饮食、吸烟等。
抵触情绪
对于长期处于疲劳状态的人,可能会对一些事物产生 抵触情绪,如抵触工作任务、社交活动等。
疲劳的人可能表现出一些 不良行为,如抽烟、酗酒 、暴饮暴食等,以试图缓 解疲劳感。
疲劳的分类
根据持续时间
可分为短期疲劳和长期疲劳。短 期疲劳通常在数小时或数天内缓 解,而长期疲劳可能需要更长时 间来恢复。
根据原因
可分为身体疲劳和心理疲劳。身 体疲劳通常由体力劳动或运动引 起,而心理疲劳则与工作压力、 生活压力或其他心理因素有关。
血压和心率检测
血压和心率的异常变化也可以作为疲劳程度的参考指标。
肌肉力量检测
通过检测肌肉的力量,可以判断疲劳程度,因为疲劳会影响肌肉 的力量和耐力。
心理量表测量法
疲劳量表
专业的疲劳量表可以评估人的疲劳程 度,通常包括了对疲劳感、精力、睡 眠质量等方面的评估。
自我报告法
让受试者自我报告疲劳程度,可以作 为评估疲劳的参考指标之一。

疲劳寿命理论及应用

疲劳寿命理论及应用

3.疲劳寿命理论及应用(1)疲劳损伤发生在受交变应力(或应变)作用的零件和构件,如起重机的桥架和其他结构件、压力容器、机器的轴和齿轮等,它导致零件或构件的过大变形或断裂。

零件和构件在低于材料屈服极限的交变应力(或应变)的反复作用下,经过一定的循环次数以后,在应力集中部位萌生裂纹。

裂纹在一定条件下扩展,最终突然断裂,这一失效过程称为疲劳破坏。

材料在疲劳破坏前所经历的应力循环数称为疲劳寿命。

(2)常规疲劳强度计算是以名义应力为基础的,可分为无限寿命计算和有限寿命计算。

零件的疲劳寿命与零件的应力、应变水平有关,它们之间的关系可以用应力一寿命曲线(e-n曲线)和应变一寿命曲线(δ-n曲线)表示。

应力一寿命曲线和应变一寿命曲线统称为s-n曲线。

根据试验可得其数学表达式。

在疲劳试验中,实际零件尺寸和表面状态与试样有差异,常存在由圆角、链槽等引起的应力集中,所以,在使用时必须引入应力集中系数k、尺寸系数ε和表面系数β。

(3)循环应力的特性用最小应力e min与最大应力e max的比值r=e min/e max表示,r称为循环特征。

对应于不同循环特征,有不同的s-n曲线、疲劳极限和条件疲劳极限。

对不同方向的应力,可用正负值加以区别,如拉应力为正值,压应力为负值。

当r=-1,即e min=e max 时,称为对称循环应力;当r=0,即e min=0时,称为脉动循环应力;当r=+1,即e min=e max 时,应力不随时间变化,称为静应力;当+1>r>-1时,统称为不对称循环应力。

对应于不同循环特征,有不同的s-n曲线、疲劳极限和有限寿命的条件疲劳极限。

材料疲劳极限可从有关设计手册、材料手册中查出。

缺乏疲劳极限数据时,可用经验的方法根据材料的屈服极限es,和断裂极限eb计算。

零件的疲劳极限erk和τrk是根据所使用材料的疲劳极限,考虑零件的应力循环特性、尺寸效应、表面状态应力集中等因素确定。

(4)疲劳损伤积累理论认为:当零件所受应力高于疲劳极限时,每一次载荷循环都对零件造成一定量的损伤,并且这种损伤是可以积累的;当损伤积累到临界值时,零件将发生疲劳破坏。

★★★疲劳分析解析

★★★疲劳分析解析

一、绪论疲劳,是固体力学的一个分支,它主要研究材料或结构在交变载荷作用下的强度问题,研究材料或结构的应力状态与寿命的关系。

金属、塑料、木材、混凝土、玻璃、橡胶和复合材料等各种结构材料及其加工成的结构或设备,在载荷的反复作用下,都会产生疲劳问题。

据统计,在三大主要破坏形式(磨损、腐蚀和断裂)之一的断裂失效中,结构破坏的80%以上都是由疲劳引起的。

疲劳破坏在工程结构和机械设备中极为广泛,遍及每一个运动的零部件,不管是脆性材料还是塑性材料,疲劳破坏由于没有明显的宏观塑性变形,破坏十分突然,往往造成灾难性的事故。

因此,对于承受循环载荷的零部件都应进行疲劳强度设计。

疲劳所涉及面之广几乎涵括汽车、铁路、航空航天、海洋工程以及一般机器制造等各个工业领域。

近年来,有限元方法的不断成熟使得CAE分析结果的精度和可靠性有了很大的提高。

现在全球各大汽车公司,在产品的并行开发过程中,广泛地将CAE技术同步应用于车身开发,如刚度、强度、NVH分析、机构运动分析等。

作为车身CAE的一个重要方面——疲劳耐久性CAE分析技术,基于有限元应力应变结果,结合承受载荷的变化历史和材料的性能参数,并应用相应的疲劳损伤理论来预测构件的疲劳寿命。

与基于试验的传统疲劳分析相比,疲劳CAE技术能够提供零部件表面的疲劳寿命分布图,可以在设计阶段判断零部件的疲劳寿命薄弱位置,能够减少试验样机的数量,大大缩短产品的开发周期,降低产品开发成本,提高市场竞争力。

二、疲劳基本概念2.1 疲劳定义疲劳的一词的英文是fatigue,意思是“劳累、疲倦”。

作为专业术语,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;虽然在一般情况下,这个术语特指那些导致开裂或破坏的性能变化”。

这一描述也普遍适用于非金属材料。

2.2 疲劳破坏特点构件的疲劳破坏与静力破坏有着本质的不同,主要具有以下特点:(1) 在交变载荷作用下,构件中的交变应力在远小于材料的强度极限,甚至小于材料的弹性极限时,破坏就可能发生。

疲劳分析简介

疲劳分析简介

02
循环计数法通常采用实验方法 进行,需要记录材料在不同应 力水平下的循环次数。
03
循环计数法适用于确定材料的 低周疲劳性能和疲劳极限。
裂纹扩展分析
基于裂纹扩展的疲劳分析方 法,通过研究裂纹在交变应 力作用下的扩展规律来预测
材料的疲劳寿命。
裂纹扩展分析通常采用实验 方法和有限元分析方法进行

涉及裂纹扩展速率、临界裂 纹长度等概念。
3. 提供了详细的疲劳数据报告,方便用 户理解和评估结果。
2. 支持各种材料类型,包括金属、塑料 、复合材料等。
特点
1. 提供了多种疲劳算法,包括名义应力 、应变-寿命、应力-寿命等。
FatigueMaster软件
特点
2. 支持多种疲劳预测方法,包括 名义应力法、局部应力应变法等 。
介绍:FatigueMaster是一款专业 的疲劳分析软件,广泛应用于汽 车、航空航天、电子设备等领域 。
多轴复杂应力状态下的疲劳研究
多轴复杂应力状态下的疲劳行为
在许多工程应用中,材料和结构常常受到多轴复杂应力作用,如航空航天、核能等领域中的关键部件 。因此,研究多轴复杂应力状态下的疲劳行为及其机理,对于提高这些部件的疲劳寿命和安全性具有 重要意义。
多轴复杂应力状态下的疲劳损伤演化机制
多轴复杂应力状态下的疲劳损伤演化机制是疲劳分析中的重要问题之一。因此,研究多轴复杂应力状 态下的疲劳损伤演化机制,对于揭示材料和结构的疲劳失效机理、预测其疲劳寿命具有重要作用。
汽车领域应用
要点一
车身结构分析
汽车车身结构在行驶过程中受到振动和冲击载荷的作用, 可能产生疲劳裂纹。通过对车身结构进行疲劳分析,可以 预测和防止疲劳裂纹的产生,提高车辆的安全性能。

第5章 结构疲劳寿命分析

第5章 结构疲劳寿命分析

R= -1时,弯曲载荷作用下的疲劳极限可估计为
Sf (弯曲)= 0.5Su
(当Su < 1400MPa)
Sf (弯曲)= 700MPa (当Su ≥ 1400MPa)
二.疲劳分析基本理论
(一)应力疲劳分析理论
2. S-N曲线的近似估计
(1) 疲劳极限Sf与极限强度Su的关系

R= -1时,轴向拉压载荷作用下的疲劳极限为
主要内容
一.疲劳的基本概念 二.疲劳分析基本理论 三.疲劳设计分析方法 四.疲劳分析工程应用案例
二.疲劳分析基本理论

根据结构作用的循环应力的大小,疲劳可分为 应力疲劳 和 应变疲劳
二.疲劳分析基本理论
(一)应力疲劳分析理论
若最大循环应力Smax小于材料屈服应力Sy ,则称为应 力疲劳;因作用的应力循环水平较低,寿命循环次数 较高(疲劳寿命Nf一般大于106次),故称为高周疲 劳。
Sf (拉压)= 0.35Su

R= -1时,扭转载荷作用下的疲劳极限为
Sf (扭转)= 0.29Su
¾
注意:不同载荷作用形式下的疲劳极限和S-N曲线不同。
二.疲劳分析基本理论
(一)应力疲劳分析理论
2. S-N曲线的近似估计
(2) 无实验数据时S-N曲线的估计 若疲劳极限Sf和材料极限强度Su为已知,S-N曲线可用下述方法 作偏于保守的估计。 由S-N曲线的幂函数形式 S m N = C ,通过一定假设确定参数m和C。
二.疲劳分析基本理论
(一)应力疲劳分析理论

破坏的定义:
疲劳破坏有裂纹萌生、稳定扩展和失稳扩展断裂三个阶段。应 力疲劳理论只研究裂纹萌生寿命。因此定义“破坏”为
① ②

疲劳基本理论

疲劳基本理论

3. 疲劳破坏基本知识
疲劳破坏的断口形状
3.1 疲劳失效的三个阶段
裂纹的产生、扩展和断裂三个阶段。其中裂纹产生阶段 占了整个疲劳寿命的极大部分。
Surface
Initiation
Propagation
Fracture
疲劳失效的三个阶段
3.2 疲劳载荷的简单描述
maximum load minimum load load range DP load ampli
E
(2Nf )
b
+
'f (2Nf )c
5.3 Goodman、Gerber平均应力修正

应力周期中:

应力范围 Smax-Smin 应力幅 (Smax-Smin)/2 平均应力 (Smax+Smin)/2

对于Goodman、Gerber平均应力修正,应力幅和平均应 力用于计算平均应力为零时的等效应力幅Sa0和耐久性。
5.1 单轴应力寿命分析

用于分析单轴数据,应力幅用于计算疲劳寿命。单轴 数据在实际问题中出现较少,通常推荐采用多轴算法。 这种算法可通过S-N曲线和使用局部应变材料数据来完 成。 当使用局部应变材料数据时,疲劳寿命曲线由下式确 定:
D
2 =
'f (2Nf )b

否则,寿命曲线由材料数据库中给定的SN值来确定。 Goodman、Gerber或不进行平均应力修正在后面讲解。
1. 疲劳分析背景

在日益严酷的市场竞争中,产品的寿命和可靠 性成为人们越来越关注的焦点;每年因结构疲 劳大量产品在其有效寿命期内报废,由于疲劳 破坏而造成的恶性事故也时有出现。 据统计,每年早期断裂造成的损失达$1190亿 美元,其中95% 是由于疲劳引起的断裂,应用 疲劳耐久性技术,其中的50%是可以避免的, 因此许多企业将疲劳耐久性定为产品质量控制 的重要指标。

疲劳强度理论分析及应用

疲劳强度理论分析及应用
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.
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)
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
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。

疲劳载荷及分析理论

疲劳载荷及分析理论

疲劳载荷及分析理论首先,我们来了解一下疲劳载荷的概念。

疲劳载荷是指材料在循环加载条件下所承受的力或应力。

在实际应用中,材料通常处于复杂的加载条件下,例如汽车发动机的连续工作、机械设备的振动加载等。

这些加载会引起材料内部微观结构的损坏,从而导致疲劳损伤的产生。

接下来,我们来介绍一下疲劳载荷及分析的理论。

疲劳载荷及分析理论主要有静强度理论、疲劳极限理论、疲劳寿命预测理论等。

1.静强度理论:静强度理论是最简单和最常用的疲劳载荷分析方法。

它基于材料的抗拉强度和屈服强度进行评估。

根据静强度理论,材料的疲劳强度等于其静态强度除以一个所谓的安全系数。

然而,静强度理论忽略了疲劳寿命与应力幅度和循环次数之间的关系,对于高循环寿命的材料来说,其预测精度较低。

2.疲劳极限理论:疲劳极限理论是一种基于材料疲劳极限强度的分析方法。

该理论认为,疲劳寿命取决于材料所能承受的最大应力幅度。

根据疲劳极限理论,疲劳寿命将不再受到循环次数的限制,而是由材料的极限疲劳强度决定。

然而,疲劳极限理论也存在一定的局限性,不能适用于所有材料。

3.疲劳寿命预测理论:疲劳寿命预测理论是一种根据材料疲劳曲线和应力幅度来预测疲劳寿命的方法。

这种方法基于疲劳裂纹扩展机制,考虑了疲劳寿命与循环次数、应力幅度等因素之间的关系。

通过分析材料的疲劳曲线和应力幅度,可以预测材料在不同加载条件下的疲劳寿命。

疲劳寿命预测理论是目前应用较为广泛的疲劳载荷分析方法之一最后,我们来讨论一下疲劳载荷及分析理论的应用。

疲劳载荷及分析理论广泛应用于工程设计、材料研究以及产品可靠性评估等领域。

在工程设计中,疲劳载荷及分析理论可以帮助工程师评估材料在实际工作条件下的疲劳寿命,从而确定合适的结构尺寸和材料选择。

在材料研究领域,疲劳载荷及分析理论可以用于优化材料的疲劳性能,提高其疲劳寿命。

在产品可靠性评估中,疲劳载荷及分析理论可以帮助企业检测和评估产品的疲劳强度和寿命,从而改进产品设计和维护策略。

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D
2 =
'f
E
(2Nf )
b
+
'f (2Nf )c
5.3 Goodman、Gerber平均应力修正

应力周期中:

应力范围 Smax-Smin 应力幅 (Smax-Smin)/2 平均应力 (Smax+Smin)/2

对于Goodman、Gerber平均应力修正,应力幅和平均应 力用于计算平均应力为零时的等效应力幅Sa0和耐久性。
5.2 单轴应变疲劳寿命算法

用于分析单轴数据,弹、塑性应变幅可用于计算疲劳 寿命。单轴数据在实际问题中出现较少,我们通常推 荐采用多轴算法。

真实的局部应力幅和耐久性之间的关系:D 2 真实的局部应变幅和耐久性之间的关系:D 2 Smith-Watson-Topper 平均应力修正:
D
2
=
1. 疲劳分析背景

在日益严酷的市场竞争中,产品的寿命和可靠 性成为人们越来越关注的焦点;每年因结构疲 劳大量产品在其有效寿命期内报废,由于疲劳 破坏而造成的恶性事故也时有出现。 据统计,每年早期断裂造成的损失达 $1190 亿 美元,其中95% 是由于疲劳引起的断裂,应用 疲劳耐久性技术,其中的 50%是可以避免的, 因此许多企业将疲劳耐久性定为产品质量控制 的重要指标。

下图为Goodman平均应力修正(参考DS理论部分)

下图为Gerber平均应力修正:

该方法允许Goodman、Gerber平均应力修正用于所有的 耐久性分析。但两种方法对低周疲劳都不可靠。


随着计算机技术发展而诞生的现代设计技术, 使企业以较低的成本设计出高耐久性产品成为 可能。在产品设计阶段采用ANSYS-SAFE,可 在物理样机制造之前进行疲劳分析和优化设计, 预测产品的寿命,真正实现等寿命周期设计, 并可极大地降低制造物理样机和进行耐久性试 验所带来的巨额研发费用。
2. 疲劳的基本概念

要计算组合载荷作用下的寿命。假设各种幅值 的载荷单独作用,则当n/N=1时发生破坏。

对于两种载荷组合,则当n1/N1+n2/N2=1 时, 零件发生破坏。

对于更加复杂的载荷,其中有多种不同的幅值, 发生疲劳破坏的条件为:
n N = 1
一个实例

载荷组成

10 cycles of a load amplitude 100 kN 2000 cycles of a load amplitude 10 kN
• 在静力破坏的断口上,通常只呈现粗粒状或纤维 状特征;而在疲劳破坏的断口上,总是呈现两个 区域特征,一部分是平滑的,另一部分是粗粒状 或纤维状。因为疲劳破坏时,首先在某一点产生 微小的裂纹,其起点叫“疲劳源”,裂纹从疲劳源 开始,逐渐向四周扩展。由于反复变形,裂开的 两个面时而挤紧,时而松开,这样反复摩擦,形 成一个平滑区域。在交变载荷继续作用下,裂纹 逐渐扩展,承载面积逐渐减少,当减少到材料或 构件的静强度不足时,就会在某一载荷作用下突 然断裂,其断裂面呈粗粒状或纤维状。 • 静力破坏的抗力主要取决于材料本身;而疲劳破 坏的抗力与材料的组成、构件的形状或尺寸、表 面状况、使用条件以及外界环境都有关系。
= Pmax = Pmin = Pmax - Pmin Pa = DP/2 (载荷振幅) (also called alternating load) mean load Pm = (Pmax+Pmin)/2 load ratio R = (Pmax)/(Pmin) (载荷比 循环特征) amplitude ratio A = (Pa)/(Pm) (振幅比)
由于疲劳裂纹的产生是表面现象,对构件表面 的任何处理都会极大的影响到疲劳强度。这些
重要因素包括:

表面质量:打磨、车加工、轧制 、铸造、锻压。

表面处理:电镀或包层。
由于装配过程或喷丸硬化、滚压等特殊处理引入的 残余应力。


运用环境:腐蚀性气体、盐水腐蚀和使用温度。 接触面间的微振磨损。

5. 疲劳分析基本方法
=
'f (2Nf )b
'f
E43;
'f (2Nf )c

平均应力修正的三种等效寿命方程如下:

max
=
'f 2
E
(2Nf )
2b
+
'f 'f (2Nf )b+c

Morrow’s平均应力修正:
D
2 =
'f - m
E
(2Nf )
b
+
'f (2Nf )c

不进行平均应力修正:
设计,在使用过程中往往就会发生突如其来
的破坏。

疲劳破坏与传统的静力破坏有着许多明显的 本质区别:
• 静力破坏是一次最大载荷作用下的破坏;疲劳破 坏是多次反复载荷作用下产生的破坏,它不是短 期内发生的。 • 当静应力小于屈服极限或强度极限时,不会发生 静力破坏;而交变应力在远小于静强度极限,甚 至小于屈服极限的情况下,疲劳破坏就可能发生。 • 静力破坏通常有明显的塑性变形产生;疲劳破坏 通常没有外在宏观的显著塑性变形迹象,即便是 塑性良好的金属也这样,就象脆性破坏一样,事 先不易觉察出来,这表明疲劳破坏具有更大的危 险性。


在传统的设计过程中,机械产品的疲劳寿命通 常是通过一定量物理样机的耐久试验得到,不 但试验周期长、耗资巨大,而且许多相关参数 与失效的定量关系也不可能在试验中得出,试 验结论还可能受许多偶然因素的影响。

产品投放市场后,耐久性问题的出现造成许多 新产品失去竞争力,给企业带来巨大的经济损 失,同时又使企业形象蒙受巨大的负面影响。 在中国,疲劳耐久性与可靠性问题更是普遍存 在,是国产产品缺乏国际竞争力的最重要因素 之一。

4.3 平均应力的影响

平均应力会影响到疲劳寿命,对于同样的应力幅值, 平均应力越高,疲劳寿命越短。因此疲劳分析中还必 须进行平均应力修正。 下图曲线表示了平均应力对疲劳寿命的影响。

Stress amplitude Sa
R R=0
弯曲中测得的大、小试件在靠近表面处 承受较大应力的材料的体积

Cycles to failure Nf
耐久曲线
(可对载荷幅值和循环次数都取常用对数log10)
疲劳测试结果
4. 疲劳数据的推广

对于特定部件的应力幅和耐久曲线的关系并不通用,
当部件的形状改变后即无效。要使这个关系广泛使用,
要在三个方面进行推广:

使常数幅值的耐久曲线用于分析复杂的载荷历程; 从光滑试件测得的耐久曲线用于不同形状的零件上; 从一种材料测得的耐久曲线用于计算另一种材料的
疲劳寿命—并且如果可能的话,不用进行疲劳试验
就可估算材料的疲劳特性。
4.1 复杂载荷分析
两部分常数幅值载荷组成的载荷历程

假设该载荷历程不断重复,直至零件破坏 实际的疲劳分析要求能计算承受各种不同幅值的复 杂载荷的零件的疲劳寿命

如果载荷只是由前页较大幅值Pa1组成,可从耐久 曲线图(左图)中得到,当循环次数n1等于破坏时的 循环次数N1时,零件发生破坏。显然,此时 n1/N1=1。同理,如果载荷只是由前页较小幅值Pa2 组成,由右图有,破坏时n2/N2=1。
5.1 单轴应力寿命分析

用于分析单轴数据,应力幅用于计算疲劳寿命。单轴 数据在实际问题中出现较少,通常推荐采用多轴算法。 这种算法可通过S-N曲线和使用局部应变材料数据来完 成。 当使用局部应变材料数据时,疲劳寿命曲线由下式确 定:
D
2 =
'f (2Nf )b

否则,寿命曲线由材料数据库中给定的SN值来确定。 Goodman、Gerber或不进行平均应力修正在后面讲解。


Load amplitude
100 10
Applied cycles
10 2000
Endurance
104 106
n/N
0.001 0.002 0.003
计算得总的 (n/N) = 0.003 根据 Miner’s 法则,当总和值 (n/N) = 1时,将 发生破坏。即当上述的载荷组合重复次数为 333次时,将会发生破坏。 因此计算的寿命也就为载荷历程重复333次。
3. 疲劳破坏基本知识
疲劳破坏的断口形状
3.1 疲劳失效的三个阶段
裂纹的产生、扩展和断裂三个阶段。其中裂纹产生阶段 占了整个疲劳寿命的极大部分。
Surface
Initiation
Propagation
Fracture
疲劳失效的三个阶段
3.2 疲劳载荷的简单描述
maximum load minimum load load range DP load amplitude

疲劳的定义

当材料或结构受到多次重复变化的载荷作用 后,应力值虽然始终没有超过材料的强度极
限,甚至比弹性极限还低的情况下就可能发
生破坏。这种在交变载荷作用下材料或结构
的破坏现象,就叫做疲劳破坏。
疲劳破坏的特征

材料力学是根据静力试验来确定材料的机械 性能(比如弹性极限、屈服极限、强度极限) 的,这些机械性能没有充分反映材料在交变 载荷作用下的特性。因此,在交变载荷作用 下工作的零件和构件,如果还是按静载荷去
载荷比 R=0 和 R=-1 时的疲劳载荷 Zero based vs Fully reversed
3.3 耐久曲线
如对于钢,可能有107个循环的耐久极限。表示无论经过 多少次循环,只要应力幅值小于耐久极限应力,则将不 会引起疲劳破坏。
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