疲劳计算影响因素

应力幅
a
max min
2
平均应力 m
2 max min
r = －1→对称循环变应力

max m min
t
min r 1 max
a
T
对称循环
a max
m 0

max m min m max min
r = 0→脉动循环应力
疲劳累积损伤理论（线性）
Palmgren-Miner （帕尔姆格伦-迈因那）
线性累积损伤理论系指在循环载荷作用下，疲劳损伤与载荷循环数 的关系是线性的，而且疲劳损伤可以线性累加，各个应力之间相 互独立和互不相关；当累加的损伤达到某一数值时，试件或构件 就发生疲劳破坏。线形累积损伤理论中最典型的理论是Miner— Palmgren理论，简称Miner理论。
疲劳累积损伤理论（线性）
Miner理论对三个问题的回答:
1、一个循环造成的损伤为
D= 1 N
式中N 是对应于当前载荷水平的疲劳寿命
2、等幅载荷下，n个循环造成的损伤为
D= n N
变幅载荷下，n个循环造成的损伤为
D
i 1 n
1 Ni
式中N i是对应于当前载荷水平Si的疲劳寿命
疲劳累积损伤理论（线性）
3、临界疲劳损伤Dcr。若是常幅循环载荷，显然当循环载荷次数n等于 其疲劳寿命N 时，发生疲劳破坏，
Dcr
i 1 n
1 1 Ni
Miner理论可以认为是线性损伤、线性累积循环比理论，其成功之处 在于大量的实验结果(特别是随机谱试验)显示临界疲劳损伤DCR的均 值确实接近于1，在工程上因简便而得到广泛的应用，其他确定性的 方法则需要进行大量试验来拟合众多参数，精度并不比Miner理论更 好。Miner理论的主要不足是：a．损伤与载荷状态无关；b．累积损 伤与载荷次序无关；c．不能考虑载荷间的相互作用。
在按有关标准规则，或根据工作载荷或依赖类似结构的数据编 制出载荷谱后，一般将其循环次数表示，采用Palmgren-Miner 规则进行累积损伤计算，即
n1 n2 n i 1 N1 N 2 Ni
式中：ni Ni 寿命。 载荷谱中应力范围为 i 的循环次数 根据相关接头细节得到的常幅应力范围 i 的疲劳
疲劳寿命分析方法——名义应力有限寿命设计法
有限寿命设计法仅仅保证机器在一定的使用期限内安全使用。它 允许零件的工作应力超过疲劳极限，重量可以比无限寿命法设计 的轻。像飞机、汽车等对重量有较高要求的产品，都使用这种设 计方法进行疲劳设计。
名义应力法以名义应力为设计参数，从材料的S-N曲线出发，考虑 各种因素影响，得出零件的S-N曲线，并根据零件的S-N曲线进行 疲劳设计。
应力设计范围
e
1 m
k im ni e N i 1
式中： K ni N
i
为应力谱中不同应力范围的总数。 对应于应力范围 i 的应力循环次数。 设计寿命期间内所有应力范围下的循环数的总和。 第i级应力范围值。
线性累积损伤准则假定各应力幅出现的先后顺序不影响疲劳寿命
载荷（loading）
载荷类型（type）
1）zero-based 2）fully-reversed 3）ratio 4）history data 比例因子（scale factor）
交变应力：构件内一点处的 应力随时间作周期性变化， 这种应力称为交变应力。
循环特征
min ;( min max ) max r max ;( ) max min min
疲劳计算影响因素：
服役中的各种航天飞行器，压力容器，核电站，发电厂以及交通 运输工具中的一些主要零部件通常是承受复杂的多轴比例与多轴 非比例交互循环载荷的作用。早期处理复杂应力状态下的多轴疲 劳问题时，将多轴问题利用静强度理论等效成单轴状态，然后利 用单轴疲劳理论处理复杂的多轴疲劳问题，这样的处理方法在处 理比例加载下的多皱疲劳问题是有效的。但是实际工程结构和设 备的重要结构零部件，很多是在非比例多轴加载下的特性，尤其 是在非比例多轴加载作用下的特性，尤其在非比例变幅加载下， 不能像单轴加载情况那样进行简单的循环计数，因此单纯利用传 统的单轴疲劳强度理论来预测其寿命疲劳损伤将会产生很大的困 难。
影响疲劳寿命分析的因素
材料（material）
载荷（loading） 定义（definition） 分析选项（analytical options） 寿命单位（life unit）
材料（material）
疲劳强度因子（fatigue strength factor）
疲劳分析计算完毕后，根据疲劳强度因子Kf修正 应力或者应变疲 劳曲线。 This setting is used to account for a "real world" environment that may be harsher than a rigidly-controlled laboratory environment in which the data was collected。Common fatigue strength reduction factors to account for such things as surface finish can be found in design handbooks。
疲劳累积损伤理论（非线性）
自Miner准则提出以来，针对其不足，提出了大量的累积损伤理论 ，其中绝大多数为损伤非线性、等累积损伤理论。这些理论大致 可分为5类：
1、基于损伤曲线法的非线性累积损伤理论； 2、基于材料物理性能退化概念的非线性累积损伤理论； 3、基于连续损伤力学概念的非线性累积损伤理论； 4、考虑载荷间相互作用效应的非线性累积损伤理论； 5、基于能量法的非线性累积损伤理论。
单轴疲劳和多轴疲劳
如果单纯从所受应力状态来分析，则疲劳可以大体上分为单轴疲 劳和多轴疲劳。
单轴疲劳：材料或零件在单向循环载荷作用下所产生的失效现象， 这时零件承受单向正应力（应变）或单向切应力（应变），如只 承受单向拉压循环应力、弯曲循环应力或扭转循环应力。 多轴疲劳：多向应力或应变作用下的疲劳，也称为复合疲劳。多 轴疲劳损伤发生在多轴循环加载条件下，加载过程中有两个或三 个应力（应变）分量独立地随时间发生周期性变化。这些应力 （应变）分量的变化可以是同位的，按比例的，也可以是非同相， 非比例的。
结构失效的一个常见原因是疲劳,其造成破坏与重复加载有关。疲 劳通常分为两类:
HCF高周疲劳是当载荷的循环（重复）次数高(如1e4 -1e9)的情况 下产生的。因此，应力通常比材料的极限强度低。应力疲劳 （Stress-based）用于高周疲劳. LCF低周疲劳是在循环次数相对较低时发生的。塑性变形常常伴随 低周疲劳，其阐明了短疲劳寿命。一般认为应变疲劳（strainbased）应该用于低周疲劳计算，低周疲劳发生在10,000 个周期之 内。。 在设计仿真中, 疲劳模块拓展程序（Fatigue Module add-on）采用 的是基于应力疲劳（stress-based）理论，它适用于高周疲劳。
疲劳累积损伤理论（线性）
Miner理论的物理背景:
1、在任意等幅疲劳载荷下，材料在每一应力循环中吸收等量的净 功，净功累积到临界值，即发生疲劳破坏； 2、在不同等幅及变幅疲劳载荷下，材料最终破坏的临界净功全部 相等； 3、在变幅疲劳载荷下，材料各级应力循环中吸收的净功相互独立 ，与应力等级的顺序无关。
a
t
r
t
脉动循环
min 0 max
a m
ຫໍສະໝຸດ Baidumax
2
疲劳的定义（definition）
定义：“由单次作用不足以导致失效的载荷的循环或变化所引起 的失效”。
征兆：局部区域的塑性变形所导致的裂纹。此类变形通常发生在 零部件表面的应力集中部位，或者表面上或表面下业已存在但难 以被检测到的缺陷部位。 尽管我们很难甚至不可能在FEA 中对此类缺陷进行建模，但材料 中的变化永远都存在，很可能会有一些小缺陷。FEA 可以预测应 力集中区域，并可以帮助设计工程师预测他们的设计在疲劳开始 之前能持续工作多长时间。
泊松比
在材料的比例极限内，由均匀分布的纵向应力所引起的横向应变 与相应的纵向应变之比的绝对值。比如，一杆受拉伸时，其轴向 伸长伴随着横向收缩，材料的泊松比一般通过试验方法测定。
主泊松比PRXY，指的是在单轴作用下，x方向的单位拉（或压） 应变所引起的y方向的压（或拉）应变. 次泊松比NUXY，它代表了与PRXY成正交方向的泊松比，指的是 在单轴作用下，y方向的单位拉（或压）应变所引起的x方向的压 （或拉）应变。PRXY/NUXY=EX/EY 对于正交各向异性材料，需要根据材料数据分别输入主次泊松比， 但是对于各向同性材料来说，选择PRXY或NUXY来输入泊松比是 没有任何区别的，只要输入其中一个即可。
基于损伤曲线法的非线性累积损伤理论这类模型最早由MarcoStarkey（马科与斯塔基）提出，后来Manson-Halford等发展了不同 的损伤曲线法。
Marco-Starkey用该模型很好地解释了被广泛引用的两级载荷作用 下的载荷次序效应，但没有给出幂指数 的具体表达式，MansonHalford基于有效微观裂纹增长的概念完善了该模型，并给出材料 常数=0.4。
另外，无限寿命的设计应力都低于疲劳极限，因此比设计应力低 的低应力对零件的疲劳强度没有影响，设计计算时不管实际的工 作应力如何变化，只需要按照最高应力进行强度校核即可。
而进行有限寿命设计时，设计应力一般都高于疲劳极限，这时就 不能只考虑最高应力，而需要按照一定的累积损伤理论计算总的 疲劳损伤。
疲劳寿命分析方法——名义应力有限寿命设计法
有限寿命设计法常常成为安全寿命设计法。它是无限寿命设计法 的直接发展。两者的基本参数都是名义应力，其设计思想也大体 相似，都是从材料的S-N曲线出发，考虑各种因素影响，得出零件 的S-N曲线，并根据零件的S-N曲线进行疲劳设计。
所不同的是，有限寿命设计法使用的是S-N曲线的左支——斜线部 分，亦即有限寿命部分。另外，由于斜线部分的疲劳寿命各不相 同，因此在对材料的S-N曲线进行修正时，要考虑循环数对各影响 系数的影响。
疲劳寿命分析方法——无限寿命设计方法
无限寿命设计方法包括名义应力法和局部应力-应变法。它是最早
的抗疲劳设计方法，其出发点是零件在设计应力下能够长期安全使用。 无限寿命设计方法适用于以下情况： 1、零件在低于疲劳极限的应力下具有无限寿命。也就是说，当零件的 应力小于疲劳极限时，零件能够长期安全使用。 2、地面是固定不动的民用机械的重量常常没有严格的限制，往往使用 无限寿命法设计。 无限寿命法常常是先用静强度设计确定出零件尺寸，再用这种方 法进行疲劳强度校核。
疲劳分类
根据应力状态的不同可以分为：
1） 单轴疲劳：单向循环应力作用下的疲劳，这时零件只承受单向正应 力或者是单向切应力。例如只承受单向拉压循环应力、弯曲循环 应力、扭转循环应力 2） 多轴疲劳：多向应力作用下的疲劳，也称为复合疲劳。例如弯扭组 合疲劳、双轴拉伸疲劳、三轴应力疲劳。
根据载荷作用的幅度和频率可以分为：
此类模型可称之为损伤幂指规律、等损伤累积规律。Manson理论 对两级载荷试验的结果吻合较好，但并没有证明对多级或随机载 荷有效，另外该模型无法考虑载荷间的相互作用效应。
基于材料物理性能退化概念的非线性累积损伤理论
Bui-Quoc发展了一系列的混合模型，这些模型可以考虑平均应力 和平均应变作用以及高温疲劳、蠕变疲劳作用下的疲劳累积损伤。 叶笃毅的韧性耗散模型虽然具有较好的物理基础，但在最后的损 伤表达式中只含一个参量，即循环数 ，不含其他力学参量，实际 上是另一种形式的幂指数模型，其优点是形式简单，不需要其他 试验常数，但同样它也不能考虑载荷间的相互作用。
1） 恒幅疲劳：交变应力的幅度和频率都是不变的。 2） 变幅疲劳：交变应力的幅度变化，而频率不便。 3） 随机疲劳：应力幅度和频率都是在随机变化的。
根据载荷工况和工作环境可以分为：
1）常规疲劳 2）高低温疲劳 3）机械疲劳 4）热疲劳 5）热-机械疲劳 6）腐蚀疲劳
7）接触疲劳
8）微动磨损疲劳 9）冲击疲劳