材料疲劳案例分析及设计.
Ansys nCode疲劳分析
Smax Sa Sm Sa Smin
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DS
3.3 平均应力对疲劳寿命的影响
对于应力-疲劳寿命，平均应力的影响通常使用Goodman 或者 Gerber平均应力 修正理论 Goodman 平均应力修正理论假设一条直线
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3.2 缺口应力集中对疲劳寿命的影响
应力梯度影响可以通过Advanced Edit进行定义
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3 平均应力对疲劳寿命的影响
循环峰值应力范围(总应力变化)是影响疲劳寿命的主要因素
– 在应力循环中平均应力是第二个影响因素
在nCode中采用FKM的应力梯度法
– 确定校正系数
在雨流计数前得到有效应力分量：
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3.2 缺口应力集中对疲劳寿命的影响
− User:从查找表中用户自定义应力梯度校正 自定义格式:
Stress gradient correction factor file v1.0 Dimension=mm #Normalized stress gradient G, correction factor n StartCorrectionData 0,1 1,1.1 10,1.2 100,1.3 EndCorrectionData
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3.4 平均应力对疲劳寿命的影响
Sm Sa 1 Se Su
• Goodman 更保守 • 实际的数据往往介于Goodman 和Gerber之间
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fesafe橡胶疲劳案例
fesafe橡胶疲劳案例1. 橡胶疲劳是指在重复加载下，橡胶材料发生疲劳损伤，导致其性能下降或失效的现象。
这一现象在许多工程应用中非常常见，如橡胶密封件、弹性悬挂系统等。
2. fesafe公司是一家专注于橡胶制品研发和生产的企业，其产品广泛应用于汽车、机械、电子等领域。
然而，最近fesafe公司的一批橡胶密封件在使用过程中出现了疲劳失效的情况，引起了公司的关注。
3. 通过分析，发现这批橡胶密封件的疲劳失效主要集中在高温环境下。
在高温环境下，橡胶材料的分子链易于发生断裂，导致密封件失去原有的弹性和密封性能。
4. 进一步的调查发现，这批橡胶密封件的材料质量存在一定问题。
fesafe公司使用的橡胶材料供应商在生产过程中可能存在工艺不合理或原材料配方不当等问题，导致材料性能不稳定。
5. 为了解决这一问题，fesafe公司与橡胶材料供应商进行了多次沟通和合作。
首先，公司要求供应商提供材料的详细物理性能和化学成分等信息，以确保材料的质量。
6. 其次，fesafe公司与供应商共同制定了一套严格的材料测试和质量控制标准，确保每批橡胶材料都符合要求。
这些标准包括材料的硬度、拉伸强度、断裂伸长率等性能指标。
7. 此外，为了减少橡胶密封件在高温环境下的疲劳失效，fesafe公司开始研发新的材料配方。
通过添加抗氧化剂和增塑剂等添加剂，提高橡胶材料的耐热性和耐老化性能，从而延长橡胶密封件的使用寿命。
8. 在新材料配方的基础上，fesafe公司还优化了橡胶密封件的结构设计。
通过改变密封件的几何形状和尺寸，减少材料的应力集中，降低疲劳损伤的发生概率。
9. 此外，fesafe公司还引入了先进的生产设备和工艺，提高橡胶密封件的加工精度和一致性。
通过精确控制材料的硬度和尺寸等参数，减少橡胶材料的内部缺陷，提高密封件的整体性能。
10. 经过一系列的改进和优化，fesafe公司的橡胶密封件的疲劳失效问题得到了有效的解决。
新的材料配方和结构设计使得橡胶密封件在高温环境下具有更好的耐久性和密封性能，满足了客户的需求。
材料力学领域中的重大工程案例分析
材料力学领域中的重大工程案例分析近年来，随着科技的不断进步和工程技术的飞速发展，材料力学领域涌现出了许多重大工程案例。
这些案例不仅在推动着工程领域的发展，也在为我们提供了宝贵的经验和教训。
本文将对材料力学领域中的几个重大工程案例进行深入分析。
1. 案例一：金属材料在高温下的应用金属材料在高温下的应用一直是工程领域的热点之一。
在石油化工等领域中，常常需要使用金属材料来承受高温和高压环境的力学负荷。
然而，由于高温环境的存在，金属材料容易发生蠕变和热疲劳等问题，从而导致工程事故的发生。
以福岛核电站事故为例，该事故是由于金属材料在高温条件下长时间受到热辐射而发生蠕变和热疲劳，最终导致核电站的熔毁和辐射泄漏。
这一事件引起了全球范围内对核能安全性的关注，并促使各国加强核安全管理体系。
为防止类似事件的再次发生，研究人员对金属材料在高温下的性能和变形机制进行了深入研究，并提出了一系列改进方案。
例如，通过合金设计、表面涂层和热处理等手段，可以提高金属材料在高温下的稳定性和耐久性，从而降低事故发生的概率。
2. 案例二：复合材料在航空航天领域的应用随着航空航天技术的不断进步，复合材料在该领域中的应用已经成为一种趋势。
与传统的金属材料相比，复合材料具有重量轻、强度高、耐腐蚀等优点，因此被广泛应用于航空航天器的制造。
然而，由于复合材料的复杂性，其力学性能和破坏机制的研究较为困难。
在2003年的哥伦比亚号航天飞机事故中，复合材料的失效被认为是导致飞机解体的重要原因之一。
这一事故使得人们对复合材料在航空航天领域的应用产生了质疑，并加强了对其力学性能和安全性的研究。
为了提高复合材料的性能和可靠性，科学家们通过加强对复合材料的制造工艺、研究破坏机理和评估其寿命等方面的研究，不断改进和完善复合材料的设计和应用。
目前，复合材料已经广泛应用于飞机机身、导弹外壳和卫星等航空航天器的制造中，并取得了显著的成效。
3. 案例三：纳米材料在电子领域的应用纳米材料的发展和应用是当今材料力学领域的一个热门研究方向。
高分子材料的抗疲劳性能研究
高分子材料的抗疲劳性能研究在材料科学领域中，高分子材料是一类被广泛应用于各个领域的材料。
而其中一个重要的性能指标就是抗疲劳性能。
本文将对高分子材料的抗疲劳性能进行研究和探讨。
一、抗疲劳性能的概念及意义抗疲劳性能是指高分子材料在长时间循环加载下的耐久性能。
对于高分子材料而言，抗疲劳性能的优劣与其使用寿命密切相关。
例如，在工程应用中，高分子材料经常需要面对循环加载，如振动、变形等。
如果材料的抗疲劳性能较差，容易在循环加载下发生疲劳破坏，从而缩短使用寿命。
因此，研究和改善高分子材料的抗疲劳性能具有重要意义。
它不仅能够提高材料的使用寿命和可靠性，还能够推动材料科学的发展和应用领域的拓展。
二、影响高分子材料抗疲劳性能的因素1. 结构因素高分子材料的结构对其抗疲劳性能有着重要的影响。
结构中的键合方式、分子链长度、支化度以及晶型等因素都会对材料的疲劳行为产生影响。
例如，对分子链长度较长的高分子材料而言，由于链段移动的难度增加，其疲劳性能相对较好。
而结晶度高的高分子材料因分子链在晶体中的有序排列，具有较高的强度和硬度，抗疲劳性能也相对较好。
2. 外部环境因素高分子材料的使用环境会对其抗疲劳性能产生一定的影响。
例如，在高温、低温、潮湿环境下，高分子材料的分子链易发生结构松动或水解，导致抗疲劳性能下降。
因此，了解材料在不同环境条件下的疲劳性能变化规律对于材料的设计和应用具有重要意义。
三、提高高分子材料抗疲劳性能的方法为了提高高分子材料的抗疲劳性能，可以采取以下方法：1. 改善材料结构通过改变高分子材料的结构，如增加交联度、调控分子链长度等，可以使材料的疲劳性能得到提升。
在工程实践中，高分子材料的改性技术如交联改性、增效剂的加入等已经取得了显著的效果。
2. 优化材料配方通过合理选用添加剂、填充剂等，可以调控材料的疲劳性能。
添加剂的加入可以改善材料的抗老化性能、增强材料的抗疲劳性能；填充剂的加入可以增加材料的机械强度和刚度，提高其抗疲劳性能。
nCode高温SN疲劳分析案例分析
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November 2,
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High-temperature SN Fatigue Analysis
Fig. 12-4 波纹管承受压力脉冲的表面
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High-temperature SN Fatigue Analysis
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12.2 目标
您将学习SN分析引擎如何使用各种加载配置来执行由温度变化 引起的疲劳分析。这些加载由混合负载映射器定义。
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Novembere SN Fatigue Analysis
我们将学习这种负载的应用，以及随温度变化的疲劳性能的定 义。
Fig. 12-1 施加到波纹管内径的温度载荷
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High-temperature SN Fatigue Analysis
Fig. 12-2 施加在波纹管外径的温度载荷
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演示算例为不锈钢波纹管，内孔施加一个温度时间序列（图121），另一个温度时间序列施加到外圆（图12-2）。温度循环图 如图12-3所示，整个时间持续6000秒。并在相同时间内产生一个 热应力循环，该例中温度默认单位是摄氏度。
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High-temperature SN Fatigue Analysis
橡胶衬套疲劳失效案例分析与优化
2810.16638/ki.1671-7988.2020.13.009橡胶衬套疲劳失效案例分析与优化李奕宝，罗谢盼，林家荣（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东 广州 510640）摘 要：针对某车型控制臂衬套整车耐久路试失效问题，通过分析路谱载荷，以提高衬套抵抗大扭矩变形为目标，重新定义与之相应的试验条件，并对衬套刚度和结构进行优化设计，优化后的衬套通过了新试验条件的台架验证，并通过整车耐久路试验证。
台架试验和整车耐久路试结果表明，通过分析路谱载荷重新定义的试验条件合理，衬套经优化设计满足整车耐久性能要求。
关键词：结构；路谱；耐久；静刚度中图分类号：U462.1 文献标识码：B 文章编号：1671-7988(2020)13-28-03Analysis And Optimization Of Fatigue Failure Case Of Rubber BushingLi Yibao, Luo Xiepan, Lin Jiarong（GAC Automotive Engineering Research Institute, Guangdong Guangzhou 510640）Abstract: To solve the control arm bushing failure problem in real car endurance test, an optimazation design of bushing stiffness and structure to improve the torque deformation is carried out by analyzing road load. And a novel corresponding bench test method is proposed. The optimized bushing has passed the bench test according to the novel bench test method, and its endurance performance is validated by the real car endurance test. The validity of the novel corresponding bench test method derived by road load and the endurance performance of the optimized bushing have been proved by the results of bench test and real car endurance test.Keywords: Structure; Road Spectrum; Durability; Static stiffnessCLC NO.: U462.1 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2020)13-28-03引言随着汽车零部件制作工艺和精度的不断提升， 路面等级的不断优化，发动机及底盘本身引起的振动噪声问题凸显出来，消费者对于整车的舒适性要求越来越敏感，橡胶衬套，作为底盘的重要减振部件，发挥着极其重要的作用。
材料疲劳案例分析及设计
A. 减缓应力集中的措施
• 紧配合的轮毂与轴的配合面边缘处，有明显的应力集中。 若在轮毂上开减荷槽，并加粗轴的配合部分，以缩小轮毂与 轴之间的刚度差距，便可改善配合面边缘处应力集中的情况
飞机金属疲劳与腐蚀疲劳
• 统计数据表明，飞机结构中有半数以上的破坏形式与 腐蚀或腐蚀疲劳有关。
• 由于具有重量轻、强度好等优越性能的高强度铝合金
已成为航空领域中使用最为广泛的金属材料。然而从
目前对高强度铝合金腐蚀疲劳的研究成果来看，铝合
金对腐蚀引起的破坏是敏感的，腐蚀环境往往会使铝 合金结构的疲劳寿命大大缩短。
材料疲劳破坏案例
报告内容
波音747的疲劳开裂 摩托车发动机连杆断裂原因分析
波音747的主要尺寸
波音747的疲劳开裂
波音747外表皮的成分分析： • 设计师为了减轻飞机自身重量，使得飞机能减少耗油量能 飞得更远，表皮采用的是铝合金。 波音747飞行速度与常识：
• 波音747一经问世，便赢得了全世界乘客的青睐。747集先 进技术于一体，是世界上最先进、燃油效率最高的飞机。 747-400是目前生产的唯一747机型，在气动性能方面有了 许多重要的改进。波音747是目前世界上运用最广泛的客 运飞机，也是最快的亚音速飞机，其速度能达到音速的 85%，即900km/h。
A. 减缓应力集中的措施
• 在角焊缝处，采用坡口焊接，应力集中程度要比无坡口焊接 改善的多。
B. 增高表层强度
用机械法强化表层（如滚压、喷丸等），使构件表面形 成预压应力层，减弱易引起裂纹的表面拉应力，从而提高疲 劳强度。或采用热处理和化学处理 ，如高频淬火、渗碳、氮 化等。
有限元法进行疲劳分析
展望
01
随着计算机技术和数值分析方法的不断发展，有限元法在疲劳分析中 的应用将更加广泛和深入。
02
未来疲劳分析的研究将更加注重实验验证和理论建模的结合，以提高 预测精度和可靠性。
03
针对复杂结构和材料的疲劳性能研究将进一步加强，以适应各种工程 应用的需求。
04
疲劳分析将与优化设计、可靠性分析和损伤容限设计等相结合，为产 品的全寿命周期管理提供支持。
有限元法进行疲劳分析
目录
• 引言 • 有限元法基础 • 疲劳分析基础 • 基于有限元法的疲劳分析 • 有限元法进行疲劳分析的案例 • 结论与展望
01 引言
疲劳分析的重要性
01
疲劳分析是产品寿命预测的关键 环节，有助于提前发现潜在的疲 劳断裂风险，避免产品在服役过 程中发生意外断裂。
02
通过疲劳分析，可以优化产品设 计，提高产品的可靠性和安全性 ，降低产品全寿命周期成本。
02 有限元法基础
有限元法简介
有限元法是一种数值分析方法， 用于解决各种复杂的工程问题， 如结构分析、热传导、流体动力
学等。
它通过将连续的物理系统离散化 为有限个小的单元，并对这些单 元进行分析，从而实现对整个系
统的近似求解。
有限元法广泛应用于工程设计、 产品开发和科学研究等领域。
有限元法的基本原理
结构应力分析
通过有限元法计算结构的应力分布。
疲劳裂纹扩展模拟
引入裂纹扩展模型，模拟裂纹在结构中的扩 展过程。
应力集中区域识别
找出结构中的应力集中区域，这些区域往往 是疲劳裂纹萌生的地方。
结构疲劳寿命评估
结合材料的疲劳性能参数和裂纹扩展规律， 评估结构的疲劳寿命。
05 有限元法进行疲劳分析的 案例
机械设计中的材料疲劳寿命预测论文素材
机械设计中的材料疲劳寿命预测论文素材材料疲劳寿命预测在机械设计中扮演着至关重要的角色。
它通过分析和预测材料在应力循环加载下的疲劳性能，有助于保证设计的可靠性和安全性。
本文将介绍材料疲劳寿命预测的一些基本概念和方法，并举例说明其在实际机械设计中的应用。
一、材料疲劳寿命预测的基本概念材料疲劳寿命是指材料在应力循环加载下发生疲劳破坏前所能承受的循环加载次数或时间。
在机械设计中，我们需要预测材料在实际使用过程中的疲劳寿命，以便选择合适的材料和优化设计。
了解材料疲劳寿命需要掌握以下几个概念：1. 应力幅和平均应力：应力幅是指材料在循环加载过程中应力波动的幅度，平均应力是指应力波动的平均水平。
2. 应力比：应力比是指最大应力和最小应力之间的比值，用来描述加载过程中的应力状态。
3. S-N曲线：S-N曲线是指应力循环加载次数（S）和材料疲劳寿命（N）之间的关系曲线，用来描述材料的疲劳特性。
二、常用的材料疲劳寿命预测方法1. 经验法：经验法是基于试验数据和经验公式进行材料疲劳寿命预测的方法。
它基于大量试验数据的统计分析，通过拟合曲线来预测材料的疲劳寿命。
2. 统计学方法：统计学方法是基于概率统计理论进行材料疲劳寿命预测的方法。
它通过分析试验数据的分布特征和参数估计，计算材料的疲劳寿命。
3. 数值模拟方法：数值模拟方法是基于计算机仿真和数值计算进行材料疲劳寿命预测的方法。
它通过建立材料的力学模型和疲劳损伤模型，模拟应力加载和疲劳寿命。
三、材料疲劳寿命预测的应用案例1. 汽车发动机曲轴的疲劳寿命预测：在汽车发动机工作过程中，曲轴经受着高频和高应力的循环加载。
通过疲劳寿命预测方法，可以评估曲轴在使用寿命内的疲劳寿命，以确保其安全可靠。
2. 飞机机翼的疲劳寿命预测：飞机机翼在飞行过程中会承受来自气动力和重力的复杂应力加载。
通过数值模拟方法和试验验证，可以预测机翼的疲劳寿命，为飞机的设计和维修提供依据。
3. 桥梁结构的疲劳寿命预测：桥梁结构处于常年加载和环境变化的复杂环境下。
《材料的疲劳》课件
材料内部的微裂纹、孔洞和杂质等缺 陷，会在应力集中处引发应力集中， 导致疲劳裂纹的萌生和扩展。
微观组织
材料的微观组织结构，如相的组成和 分布，也会影响疲劳性能。例如，多 相合金的1 02
温度
温度对材料的疲劳性能有显著影响。在低温环境下，金属材料的疲劳强 度通常会提高；而在高温环境下，由于蠕变和氧化等作用，疲劳强度会 降低。
疲劳数据的处理与解释
数据整理
对实验数据进行整理，包 括应力、应变、寿命等数 据。
数据分析
对整理后的数据进行统计 分析，找出材料的疲劳规 律。
结果解释
根据数据分析结果，解释 材料的疲劳行为和机理。
疲劳寿命预测
经验公式法
利用已知材料的疲劳试验数据，建立经验公式来 预测其他条件下的疲劳寿命。
有限元分析法
由于温度循环或热冲击引起的 疲劳。
环境疲劳
由于腐蚀、氧化、辐射等因素 引起的疲劳。
疲劳的危害
01
02
03
结构安全
疲劳失效可能导致结构突 然断裂，从而造成严重事 故和人员伤亡。
经济损失
频繁的疲劳失效会导致设 备维修和更换成本的增加 ，影响生产效率和经济效 益。
社会影响
疲劳失效可能对公共安全 和基础设施造成威胁，如 桥梁、铁路、管道等。
应力均值
应力均值也会影响材料的疲劳寿 命，通常应力均值越高，疲劳寿 命越长。
应力循环特征
应力循环具有对称性和非对称性 两种特征，对称循环下材料的疲 劳寿命较长，而非对称循环下材 料的疲劳寿命较短。
材料的疲劳极限
疲劳极限的定义
01
材料在一定条件下抵抗疲劳的能力，即在一定的应力幅值和循
环次数下不发生疲劳断裂的最大应力值。
钢铁制弹簧的疲劳强度与可靠性分析
钢铁制弹簧的疲劳强度与可靠性分析1. 引言钢铁制弹簧作为一种常见的弹性元件，在各行业中广泛应用。
弹簧承受着循环负荷的作用，长期使用后容易出现疲劳破坏。
因此，研究钢铁制弹簧的疲劳强度和可靠性是十分重要的。
2. 疲劳强度分析疲劳强度是描述材料在循环应力作用下耐受循环负荷次数的能力。
钢铁制弹簧在实际使用中，会受到不同的应力作用。
首先，我们需要确定弹簧的工作条件，并进行应力分析。
应力分析可以通过应力-应变关系、应力变化曲线等方法进行。
然后，结合材料的疲劳曲线，可以得到弹簧的疲劳强度。
疲劳强度的计算通常使用疲劳极限和安全系数相结合的方法。
3. 疲劳寿命预测疲劳寿命预测是评估弹簧在给定工作条件下能够承受多少个循环负荷的方法。
一般分为基于应力的疲劳寿命预测和基于损伤机制的疲劳寿命预测。
基于应力的方法基于弹簧的应力状态，通过应力幅与应力平均值之比来预测疲劳寿命。
基于损伤机制的方法则基于损伤积累理论和损伤参数，通过监测和计算弹簧的损伤程度来预测疲劳寿命。
4. 可靠性分析可靠性是指弹簧在规定的使用寿命内完成指定功能的概率。
对于弹簧的可靠性分析，我们需要确定使用寿命、故障率和可靠度。
使用寿命可以通过疲劳寿命预测得到，而故障率和可靠度可以通过故障数据分析和可靠性理论计算得到。
可靠性分析还需要考虑弹簧在使用过程中的可修复性和可更新性。
5. 影响因素分析影响钢铁制弹簧疲劳强度和可靠性的因素有很多，包括材料的性能、表面处理、制造工艺、应力分布等。
材料的选择对疲劳强度和可靠性有着重要影响。
同时，表面处理和制造工艺也会影响弹簧的疲劳性能。
应力分布是影响疲劳破坏的重要因素，通过优化设计可以改善应力分布，提高弹簧的疲劳强度和可靠性。
6. 优化设计与改进措施为了提高钢铁制弹簧的疲劳强度和可靠性，可以采用一些优化设计和改进措施。
比如，选择合适的材料、改善表面处理、优化制造工艺、优化几何形状以及优化弹簧的应力分布等。
这些措施可以通过计算机仿真和实验验证来确定其效果。
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。
汽车零部件疲劳失效分析
典型零件：
后桥壳、车轮、轮毂轴管、半轴套管、传动轴
各类油管（不锈钢薄壁管、高压油管）、柱塞套
案例
柱塞套失效分析 燃油回油管
13
疲劳失效案例－弹簧类零件
钢板弹簧 螺旋弹簧 扭力杆
钢板弹簧 服役条件：汽车悬架系统中的弹性元件，其作用主要有： 1. 传力作用。传递车桥与车架之间载荷。 2缓冲作用。缓冲来自车轮的冲击力。 3.导向作用。 当它在汽车上纵向安置并且一端与车架作固定铰链连接时，使车轮 按一定轨迹相对于车架和车身跳动。 工作中作用在钢板弹簧上的载荷主要有： 1.来自汽车车架的垂直压力以及由此产生的来自车桥的反向支承力。当车桥和车架 相互远离时，钢板弹簧所受的这一垂直载荷和变形逐渐减小，有时甚至会反向。 2.由于路面不平等原因引起的振动而对簧片产生的扭曲力。 3.钢板弹簧在载荷作用下变形时，各片之间相对滑动而产生的摩擦力与接触应力。 基本性能要求： 高的抗拉强度极限、屈服极限、弹性极限和疲劳极限，同时要求具有高的冲击韧性 和塑性。此外，还要求具有一定的抗腐蚀性能。
载荷的影响汽车零部件疲劳失效案例螺栓类零件01案例eq6102增压喷射泵联结轴01案例eq6102增压喷射泵联结轴03案例连通轴04案例横拉杆05案例转向垂臂销子06案例高压油泵柱塞套失效分析07案例增压器回油管失效分析与改进08案例客车钢板弹簧09案例调整臂弹簧10案例无声链条11案例六档齿轮12案例后桥主减主动轮13案例变速箱太阳轮14案例变速箱中间轴常啮合齿轮15案例42crmo螺栓16案例减振器螺栓定义
7
疲劳失效分析基础
疲劳失效的过程：
8
疲劳失效分析基础
疲劳失效的特征：载荷的影响
9
疲劳失效断口图谱（举例）
10
疲劳失效案例－轴类零件
《钢结构疲劳》课件
疲劳应力分析
应力及应变
疲劳应力是由交变载荷引起的结 构内部的应力。
上下规律分析
疲劳寿命与应力幅度的关系通常 遵循Wöhler曲线。
材料疲劳极限
材料的疲劳极限是指在特定载荷 作用下可以承受的最大循环寿命。
钢结构疲劳断面
1
断面形式
钢结构的断面形式可以是均匀截面、变
材料断面类型
2
宽截面或倒梯型截面等。
常见的材料断面类型包括圆形、方形、
矩形和T型截面。
3
断面理论公式
通过断面理论公式可以计算出钢材在疲 劳载荷下的应力集中程度。
疲劳寿命预测
周期载荷曲线识别
通过分析实际载荷曲线，可 以识别出结构的周期性载荷 特征命 和剩余寿命。
温度对疲劳寿命的影响
高温环境会加速钢结构的疲 劳损伤，降低其寿命。
检测方法和预防疲劳
检测方法
常用的疲劳检测方法包括应力监 测、振动监测和裂纹检测。
疲劳预防措施
通过增加结构刚度、改进设计和 合理维护等手段可以减轻钢结构 的疲劳损伤。
疲劳失效事故案例
一些重大事故往往是由于钢结构 的疲劳失效引起的，如桥梁垮塌 等。
总结
钢结构疲劳概述
钢结构疲劳是一个复杂的研究 领域，需要综合考虑载荷、材 料和结构等方面的因素。
未来展望
随着材料科学和结构设计的进 步，钢结构的疲劳性能可以进 一步提高。
QA
欢迎大家提问，我将尽力解答 关于钢结构疲劳的问题。
《钢结构疲劳》PPT课件
疲劳是钢结构中重要的结构失效模式之一。了解钢结构的疲劳现象及其造成 的损伤对于提高结构的可靠性至关重要。
疲劳的介绍
疲劳定义
疲劳是材料或结构在受到周 期性载荷作用下产生的损伤 和破坏。
马后炮化工-2. 使用CAESAR II进行管道疲劳分析-李世林
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用CAESAR II的疲劳曲线和累计损伤
疲劳曲线案例, Markl 的 20ksi.FAT, 与许用位移应力 范围公式 (1a) 在工况编辑器中恰当的定义循环次数. (注意最大的应 力范围输入两次, 我们将用第一个, N=14500, ):
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用CAESAR II的疲劳曲线和累计损伤
选择要求的工况来评估:
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用CAESAR II的疲劳曲线和累计损伤
观察结果:
Load Case Information
Results for Node 10
Results for Node 20
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用CAESAR II的疲劳曲线和累计损伤
节点10 的详细信息:
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疲劳 – 定义*
疲劳是当一个材料承受循环荷载时，结构发生的一种 渐进的、局部的破坏。通常情况下最大应力值是小于 材料的极限拉伸强度和屈服强度值的。
当一个材料收到反复的加载与卸载会发生疲劳问题。 如果荷载达到某一个值，在材料的表面将产生微观的 裂缝。最终裂缝将达到一个临界值，然后结构将突然 断裂。结构的形状将对其疲劳寿命产生显著的影响； 方孔或者尖角处将引起较高的局部应力，这些位置将 使裂缝的发起点。圆孔和平滑的过度对提高结构的疲 劳强度非常重要。
CAESAR II 累积损伤报告收集了所有应力范围的疲 劳损伤。
– 0.40+0.34+0.25<1
7/22/14
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重新计算案例
现在，系统与荷载不变，对循环次数进行调整:
Load @ 20
Stress Range @ 10 (psi)
Ansys nCode疲劳分析及应用
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3.2 缺口应力集中对疲劳寿命的影响
理论分析：
与材料相关的参数，可通过下式估算：
q：缺口敏感系数
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缺口半径
Kf：疲劳缺口系数 光滑件疲劳极限与缺口件疲劳极限之比
Kt：弹性应力集中系数 缺口处最大实际应力与该处名义应力之比
一般Kf小于Kt ，两者的关系可以用缺口敏 感系数q表征。
40
3.4 多轴状态对疲劳寿命的影响
如果加载过程中主应力方向改变，计算应力范围使用一个派生的单轴应力可 能是不正确的
临界平面法可用于计算主应力方向改变的情况
临界平面法计算平面应力和在几个径向平面进行重新求解
− 默认是每10度 (18 个平面) − 雨流计数法在每个平面上计算疲劳损伤 − 准则平面是最大损伤的平面
• 拉伸平均应力减少疲劳寿命
• 压缩平均应力增加疲劳寿命
Smax
Sa
Sm
DS
Sa Smin
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3.3 平均应力对疲劳寿命的影响
对于应力-疲劳寿命，平均应力的影响通常使用Goodman 或者 Gerber平均应力 修正理论
Goodman 平均应力修正理论假设一条直线
1. 避免设计缺陷引起的疲劳破坏
2. 避免过于保守的设计
产品出现不应当发生 的疲劳失效，会使企 业的信誉受损，经济 损失更大！
过于保守设计，使得产 品的成本增加，市场竞 争力下降！
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ANSYS nCode 的功能特色
支持的有限元结果： 静态分析(线性/非线 性) 瞬态分析 模态分析 频谱响应
桥梁结构的疲劳分析及其加固设计
桥梁结构的疲劳分析及其加固设计桥梁是连接城市和乡村的重要交通工具之一。
然而，由于长期受到车辆、行人和自然环境的影响，桥梁结构很容易出现腐蚀和疲劳等病理现象。
如何进行有效的桥梁疲劳分析和加固设计，是当前重要的研究课题之一。
本文将从以下四个方面进行讨论。
一、桥梁结构的疲劳分析方法桥梁结构的疲劳分析是衡量其安全性和寿命的重要指标。
目前，主要有两种方法用于桥梁结构的疲劳分析：基于经验的方法和基于理论的方法。
基于经验的方法利用已有的历史数据，通过实验和模拟来评估桥梁结构的疲劳强度和寿命。
这种方法的缺点是过于依赖历史数据，因此实际应用效果不尽如人意。
基于理论的方法则是从桥梁结构的力学原理出发，采用数学模型和计算方法来评估桥梁结构的疲劳强度和寿命。
这种方法具有一定的普适性和可重复性，并且可以提供准确的分析结果。
目前，基于理论的方法已经成为了桥梁结构疲劳分析的主流方法之一。
二、桥梁结构的疲劳破坏机理桥梁结构的疲劳破坏主要是由于长期的循环荷载作用引起的。
当桥梁承受不断变化的荷载时，其受力状态也在不断变化。
这就使得桥梁结构内部的应力分布不均匀，从而导致材料疲劳和疲劳裂纹的产生。
而随着疲劳裂纹的扩大，桥梁的承载能力也会不断降低，最终导致桥梁结构的破坏。
三、桥梁结构的加固方法为了提高桥梁结构的稳定性和寿命，需要采取一些科学有效的加固方法。
桥梁结构的加固设计通常包括以下几个步骤：1. 对桥梁结构进行检查和评估，确定存在的疲劳裂纹和局部腐蚀等病害。
2. 根据桥梁结构的材料、力学和环境特点，选择合适的加固措施和材料。
3. 利用数值模拟和实验测试等手段，对加固方案进行验证和优化，并确定最终的加固方案。
4. 实施加固方案，确保对桥梁结构的影响最小化，并保证加固后的桥梁结构能够承受原有设计荷载的要求。
四、桥梁结构疲劳加固案例近年来，国内外研究机构和工程单位对桥梁结构疲劳加固设计进行了大量实践，取得了显著的成果。
以天津海河大桥为例，其在运营期间发现了大量的疲劳病害。
金属材料滚动接触疲劳试验典型疲劳案例
金属材料滚动接触疲劳试验典型疲劳案例
金属材料滚动接触疲劳试验是一种模拟轴承、齿轮、轧辊、轮箍等滚动接触零件工矿的失效试验。
它可为这些零件的设计、选材、制定冷、热加工工艺提供依据。
是将一恒载荷施加于滚动或滚动加滑动接触的试样，使其接触表面受到循环接触应力的作用，测定试样发生接触疲劳失效的应力循环次数。
标准YB/T5345-2006指出疲劳失效的判别依据：
1.深层剥落面积大于或等于3mm2时，即判为疲劳失效。
2.麻点剥落（集中区），在10mm2面积内出现麻点率达15%的损伤时，即判为疲劳失效。
3.特殊试验的疲劳失效判别，可根据试验目的确定。
标准虽然有指出疲劳失效判别的依据，但是实际应用的时候，还是有部分试验人员不明确试验之后的试样处于什么状态才算达到疲劳。
我们经过大量的试验，做出了一批疲劳试验，现附部分典型疲劳试样照片，供大家参考。
案例1案例2案例3
另外，需要注意的是，还有部分客户在疲劳试验中往往出现较严重的磨损现象，这就需要再进一步分析试验选择的对磨材料是否合
适，分析进行疲劳试验所用的试验参数比如试验载荷、滑差率等是否合适。
济南益华摩擦学测试技术有限公司。
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飞机金属疲劳与腐蚀疲劳
• 统计数据表明，飞机结构中有半数以上的破坏形式与腐蚀 或腐蚀疲劳有关。 • 由于具有重量轻、强度好等优越性能的高强度铝合金 已成为航空领域中使用最为广泛的金属材料。然而从目前 对高强度铝合金腐蚀疲劳的研究成果来看，铝合金对腐蚀 引起的破坏是敏感的，腐蚀环境往往会使铝合金结构的疲 劳寿命大大缩短。
应变-疲劳寿命公式：
e p f (2 N f ) b f (2 N f ) c 2 2 2 E
应变-疲劳寿命曲线通常由一系列应变疲劳试验确定。
总应变幅值与疲劳寿命的关系示意图
• 弹性线与塑性线交点称为疲劳寿命转变点。 • 从图中可以看出，在短寿命高应变区，疲劳寿命 主要取决于 f ，因而提高材料的塑性有助于提高 疲劳抗力；而在长寿命低应变区，疲劳寿命主要 取决于弹性应变，提高强度 f ( f f )，则 在同样的应变幅下可延长寿命，或者，对于同样 的疲劳寿命，材料可经受更大的应力幅值。
材料疲劳及设计
报告内容Biblioteka 波音747的疲劳开裂 Add your title Add your title Add your title
疲劳破坏
• 钢材在连续反复荷载作用下，其应力虽然没有达到抗拉强度，甚至 还低于屈服强度时，也可能发生突然破坏，这种现象称为疲劳破坏。 钢材在疲劳破坏之前，没有明显的变形，是一种突然发生的脆性断裂 ，所以疲劳破坏属于反复荷载作用下的脆性破坏。 • 钢材的疲劳破坏是经过长时间的发展过程才出现的，其破坏过程 可分为三个阶段：裂纹的形成、裂纹缓慢扩展、最后迅速断裂而破坏 。钢材的疲劳破坏首先是由于钢材内部结构不均匀和应力分布不均匀 所引起的。应力集中可以使个别晶粒很快出现塑性变形及硬化，从而 大大降低钢材的疲劳强度。对于承受连续反复荷载的结构，设计时必 须考虑钢材的疲劳问题。 • 反复作用的荷载值不随时间变化，则在所有应力循环内的应力幅将保 持常量，称为常幅疲劳。若反复荷载作用下，应力循环内的应力随时 间随机变化，则称为变幅疲劳。
疲劳裂纹扩展的概念
承受结构或元件，由于交变载荷的作用，或者由于载荷 和环境侵蚀的联合作用，会产生微小的裂纹，裂纹将随着交 变载荷周次的增加或环境侵蚀时间的延长而逐渐扩展。随着 裂纹尺寸增大，结构或元件的剩余强度逐步减小，最后导致 断裂。
疲劳裂纹的萌生从宏观而言，总是起源于应力集中区、 高应变区、强度最弱的基体、结构拐角、加工切削裂焊缝、 腐蚀坑等区域。从微观而言可分为滑移带开裂、晶界开裂、 非金属夹杂（或第二相）与基体界面开裂三种机制。
飞机金属疲劳与声疲劳
• 噪声源以压力波的形式带动周围的空气振动，将声波 向四周传播，当声波遇到飞机结构时，便会在结构上形成 声压。现代飞机的噪声源除了发动机外，还包括飞机的辅 助动力装置、航炮或火箭发射，以及机体附面层气流起伏 引起的飞行器结构振动等。 • 声疲劳同其他由于随机载荷而产生的疲劳破坏没有本 质上的区别。它同样可以使飞机的薄板结构因声致振动而 产生破坏；或引起铆钉松动、断裂、甚至飞掉；有时还会 引起蒙皮撕裂。这些故障都会影响飞机结构的完整性与安 全性。
飞机金属疲劳与交变载荷
• 在服役期间，飞机不断重复着起飞、飞行与降落这一过程，而 在每次起飞、飞行与降落过程中，飞机的结构都承受着各种各 样反复作用的疲劳载荷。这些疲劳载荷主要包括： • 1 跑道上颠簸的地面滑行载荷；飞 • 2 行中大气紊流(乱流)引起的“突风载荷”； • 3飞机作仰俯、偏航以及侧身等动作时的机动载荷； 4飞机着陆时的撞击载荷： 5气密座舱飞机舱内增压一卸压的所谓“地—空—地”循环载 • 这些载荷通常都比较小，不足以使飞机结构发生一次性断 裂，但它们日复一日，年复一年地作用在飞机上， 飞机结构中 的疲劳损伤便会在不知不觉中累积。一旦这种疲劳损伤累积到 一定程度，飞机的结构就会开裂，从而发生破坏，并最终诱发 空中解体。
Paris等对A533钢在室温下，针对 R Kmin Kmax 0.1 的情况 收集了大量数据，总结除了著名的经验公式，帕里斯公式。
疲劳裂纹扩展速率
Paris（帕里斯）公式（1963年）
da m C （ K ） dN
K Kmax Kmin
C、m是材料常数，对于同一材料，m不随构件的形状和 载荷性质而改变，常数C与材料的力学性质（如 s 及硬 化指数等）、试验条件有关。 对数形式
da lg lg C m lg K dN
疲劳裂纹扩展速率
第一阶段低速率区 •材料的裂纹刚形成，因此应力 场强度因子低，使得裂纹尖端塑 性区尺寸小；
波音747的疲劳开裂
• 事件回顾
• 2002年5月25日，中华航空611号班机为一架波音 747-209B型客机，由桃园国际机场前往香港国际 机场途中，因金属疲劳导致飞机在澎湖外海 35,000呎高空解体坠毁。206名乘客及19名机组 员无人生还。
原因追溯
• 1980年2月7日，该航机在香港启德机场曾因重落地损伤 到机尾蒙皮。 • 损伤到机尾后，华航仅用一块面积与受损蒙皮相若的铝版 覆盖该处（根据波音的维修指引，新蒙皮的面积须较受损 的大最少30%），并没有依波音所订的维修指引把整块蒙 皮更换，造成该地方累积了金属疲劳的现象。22年来，维 修人员没有察觉任何异常。 • 该处裂开后，造成空中失压解体。根据事故后回收的机身 残骸，该处裂痕至少长达90.5吋（约2.3米），而研究显 示在高空中飞机上的裂痕超过58吋（约1.5米）时就会有 结构崩毁的可能。
疲劳裂纹扩展速率
疲劳裂纹扩展的定量表示用 ， N是交变应力的循 环次数增量，a 是相应的裂纹长度的增量。
a N 称为疲劳裂纹扩展速率，表示交变应力每循环一次裂
a da N 或 dN
纹长度的平均增量，它是裂纹长度a、应力幅度或应变幅度的 函数。 在低振幅下观察到
13107 cm / 次 ，而在高振幅下为 13102 cm / 次