课程总结

14) 任何预测方法都只能给出统计正确的 14)
平均疲劳寿命. 平均疲劳寿命.
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15) 损伤容限设计的三要素为: 损伤容限设计的三要素 三要素为 剩余强度,损伤增长和检查周期. 剩余强度,损伤增长和检查周期. 目标是 以检查控制损伤程度, 目标是:以检查控制损伤程度, 保证结构安全. 保证结构安全. 16) 耐久性设计三要素: 耐久性设计三要素 三要素: IFQ, IFQ,SCGMC 和 P(t,x). P(t,x). 目标是 估计经济寿命; 目标是:估计经济寿命; 实现设计-制造-使用-维修的综合控制. 实现设计-制造-使用-维修的综合控制.
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10) 疲劳裂纹扩展: 疲劳裂纹扩展: da/dN的控制参量是K; /dN的控制参量是 的控制参量是 da/dN-K曲线有下限Kth, /dN- 曲线有下限 上限(1上限(1-R)Kc. Paris公式 Paris公式: 公式: da/dN=C(K)m /dN=C(
lg da/dN K=(1-R)Kmax
应力集中对极限承载能力 应力集中对寿命影响大. 影响不大. 应力集中对寿命影响大. 影响不大. 由断口可分析裂纹起因 扩展信息, 裂纹起因, 由断口可分析裂纹起因,扩展信息,临界裂纹 尺寸,破坏载荷等 的重要依据. 尺寸,破坏载荷等,是失效分析的重要依据.
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6) 材料的力学性能: 材料的力学性能:
5) 疲劳断口分析: 4 ) 疲劳断口分析: 疲劳断口特征: 裂纹源,裂纹扩展区和最后断裂区. 有裂纹源,裂纹扩展区和最后断裂区. 是否疲劳破坏? 是否疲劳破坏? 裂纹源在高应力局部或材料缺陷处; 裂纹源在高应力局部或材料缺陷处; 裂纹源? 裂纹临界尺寸? 裂纹源? 裂纹临界尺寸? 裂纹扩展区 扩展区有 海滩条带" 疲劳条纹" 裂纹扩展区有"海滩条带"和"疲劳条纹". 裂纹扩展速率估计? 破坏载荷? 裂纹扩展速率估计? 破坏载荷?
寿 命 预 测
变幅载荷
随机载荷
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A1) 随机谱
变幅块谱: 变幅块谱: 简化雨流计数法
A2) 不同R下,Sa--Sm关系的等寿命转换: 不同R --S Goodman方程: Goodman方程: 方程 (Sa /Sa(R=-1))+(Sm /Su)=1 (R=A3) 变幅载荷下的损伤累积: 变幅载荷下的损伤累积: Miner理论 Miner理论 相对Miner理论 相对Miner理论 D=∑Di=∑(ni/Ni)=1 D=∑ )=1 NA=NB∑(n/N)B/∑(n/N)A
加载变程用"+", 卸载用"-". 卸载用" 加载变程用" 注意材料记忆特性, 封闭环不影响其后的响应, 注意材料记忆特性, 封闭环不影响其后的响应, 去掉封闭环按原路径计算.雨流法可作参考. 去掉封闭环按原路径计算.雨流法可作参考.
依据计算数据( 画出σ 响应曲线. 依据计算数据(εi ,σi ), 画出σε响应曲线.
σ σ 1 ′ ε = εe + ε p = + 2( ) n
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材料的疲劳性能: R=材料的疲劳性能:( R=-1) S-N曲线 SmN=C c b ′ σ f′ ε-N曲线 + ε a= εea ε pa= ( 2Ν ) + εf ( 2Ν )
Ε
断裂性能: 断裂性能: 平面应变断裂韧性 裂纹扩展性能: 裂纹扩展性能: 门槛应力强度因子 疲劳裂纹扩展速率 Kth; da/dN=C(K)m /dN=C(
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B2) 缺口局部应力-应变计算: 缺口局部应力-应变计算: 求S 已 知 Kt , 或e 应力-应 S 或e 变关系
联立求解 σ 和ε Neuber双曲线 双曲线 应力-应变关系 应力 应变关系
Neuber双曲线: σε=K Neuber双曲线: σε=Kt2eS 双曲线 应力应变关系: =(σ E)+(σ 应力应变关系: ε=(σ/E)+(σ/K)1/n
疲劳 断裂
课程总结
一,基本内容 二,基本概念 三,基本方法 四,抗疲劳断裂设计
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一,基本内容
疲劳裂纹萌生:(1-4章) :(1
1 ,2 ,4 章 机理,规律(S-N曲线,ε-N曲线),萌生寿命, 曲线, 曲线),萌生寿命, ),萌生寿命 机理,规律( 累积损伤,雨流计数, 累积损伤,雨流计数,循环应力应变响应计算
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3) 循环应力水平的描述 循环应力水平的描述 基本量: 基本量: 导出量: 导出量: 平均应力 应力幅 应力变程 Smax, Smin
S
Smax Sm
Sa
Sa
0
Smin
t
Sm=(Smax+Smin)/2 Sa=(Smax-Smin)/2 S=Smax-Smin R=Smin/Smax
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应力比或循环特性参数
由Goodman直线: Goodman直线 直线: 求Sa(R=-1) (R=(Sa/S-1)+(Sm/Su)=1
随机载荷
计数法
变幅载荷
B) 应变寿命方法: 应变寿命方法:
εa= σ f′ σm E
c b (2 N) + ε f′ (2 N)
已知 ε ,σ 历程
循环 响应 计算
稳 态 环
εa 和 σm
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3) 第i点对应的缺口局部σi,εi为: 点对应的缺口局部σ
σi+1=σi±σi-i+1; εi+1=εi±εi-i+1
式中,加载时用" 卸载时用" 式中,加载时用"+",卸载时用"-". 4) 确定稳态环的应变幅εa和平均应力σm. 确定稳态环的应变幅ε 和平均应力σ =(ε )/2; =(σ εa=(εmax-εmin)/2; σm=(σmax+σmin)/2 5) 利用ε-N曲线估算寿命. 利用ε 曲线估算寿命 估算寿命.
最后断裂区 裂纹扩展区 海滩条带 裂纹源
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裂纹扩展区 海滩条带
最后断裂区
裂纹源
疲劳破坏与静载破坏之比较
疲劳破坏 S <S u 静载破坏 S >S u 破坏是局部损伤累积的结 果. 断口光滑, 断口光滑,有海滩条带或 腐蚀痕迹.有裂纹源, 腐蚀痕迹.有裂纹源,裂 纹扩展区,瞬断区. 纹扩展区,瞬断区. 无明显塑性变形. 无明显塑性变形. 破坏是瞬间发生的. 破坏是瞬间发生的. 断口粗糙,新鲜,无表面 断口粗糙,新鲜, 磨蚀及腐蚀痕迹. 磨蚀及腐蚀痕迹. 韧性材料塑性变形明显. 韧性材料塑性变形明显.
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三,基本方法
恒幅载荷
S ,R=-1 实验研究 基本疲劳性能 S-N曲线 曲线
A) 应力寿命法
缺口影响 尺寸, 尺寸,光洁度 等影响 平均应力的影响 Goodman直线 Goodman直线 Miner 累积损伤理论 雨流计数法
构件S 构件S-N曲线 各种修正) (各种修正) 无限寿 命设计 安全寿 命设计
裂纹体断裂:(5-7章) :(5 疲劳裂纹扩展:(8-10章) :(8 10章
第5 章
LEFM,应力强度因子K LEFM,应力强度因子K, K1C测试,抗断设计 测试, 第8 章 da/dN- 曲线,裂纹扩展寿命预测 da/dN-K曲线,裂纹扩展寿命预测,裂纹闭合 寿命预测, 与迟滞的概念, 与迟滞的概念,抗疲劳设计基本原理
单调载荷下的弹塑性 硬化应力 应变关系: 单调载荷下的弹塑性幂硬化应力-应变关系: 弹塑性幂 应力σ σ 1n ε = εe + ε p = + ( )
E K
材料的循环性能: 材料的循环性能: 循环应力应变曲线 滞后环曲线
σa σ a 1 n′ ε a = εea+ ε pa= +( ) E K′
E 2 K′
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B3) 缺口疲劳寿命分析计算步骤为: 缺口疲劳寿命分析计算步骤为:
1)第一次加载,已知S1或e1,求e1或S1 ; 1)第一次加载,已知S 第一次加载 由循环应力-应变曲线和Neuber双曲线 双曲线: 由循环应力-应变曲线和Neuber双曲线: 联立求解 =(σ E)+(σ ε1=(σ1/E)+(σ1/K')1/n' σ1和ε1. σ1ε1=Kt2S1e1 2) 其后反向,已知S或e,由滞后环曲线 其后反向,已知 e=(S/E)+2(S/K')1/n' 求e或S; e=(S/E)+2( 再由滞后环曲线和Neuber双曲线 再由滞后环曲线和Neuber双曲线: 双曲线: σε=K σε=Kt2Se ε=(σ E)+2(σ ε=(σ/E)+2(σ/K')1/n' σ/ σ/ 联立求解 σ,ε. σ,ε.
εa= σ f′ σm E
c b ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2 N) + ε f′ (2 N)
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C) 抗断设计方法(LEFM) 抗断设计方法(LEFM) 基本方程: 基本方程:
临界情况: 临界情况: a K= f (W ,) σ π a ≤ K1c ac K= f (W ,) σ π a =K1c
1) 已知σ,a,算K,选择材料,保证不发生断裂; 已知σ 选择材料,保证不发生断裂; 2) 已知a,材料的K1c,确定允许使用的工作应力σ; 已知a 材料的K 确定允许使用的工作应力σ 3) 已知σ,K1c,确定允许存在的最大裂纹尺寸a. 已知σ 确定允许存在的最大裂纹尺寸a
对于承受拉伸的无限宽中心裂纹板, 对于承受拉伸的无限宽中心裂纹板, 对于无限宽单边裂纹板, 对于无限宽单边裂纹板,
8) 线弹性断裂力学给出裂尖应力趋于无穷大, 线弹性断裂力学给出裂尖应力趋于无穷大, 故裂尖附近的材料必然要发生屈服. 故裂尖附近的材料必然要发生屈服. Irwin给出的塑性区尺寸 Irwin给出的塑性区尺寸R为: 给出的塑性区尺寸R (平面应力) 平面应力) 1 1 K1 2 R=2 rp = απ ( ) α = σ ys (平面应变) (7-4) 平面应变) 2 2 平面应变情况下塑性区尺寸约为平面应力的1/3. 平面应变情况下塑性区尺寸约为平面应力的1/3. 9) 临界CTOD值(δc)可作为弹塑性断裂材料参数. 临界CTOD值 可作为弹塑性断裂材料参数. 以CTOD为控制参量的弹塑性断裂判据为: CTOD为控制参量的弹塑性断裂判据为 为控制参量的弹塑性断裂判据为: δ ≤δc
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二,基本概念
1) 疲劳问题的特点: 疲劳问题的特点: 扰动应力作用 作用; 扰动应力作用; 材料或结构高应力局部; 高应力局部 材料或结构高应力局部; 裂纹萌生并扩展; 萌生并扩展 裂纹萌生并扩展; 使用至破坏的发展过程. 使用至破坏的发展过程. 2) 疲劳研究的任务: 载荷谱; 载荷谱; 裂纹萌生和扩展的机理与规律; 裂纹萌生和扩展的机理与规律; 寿命预测方法; 寿命预测方法; 抗疲劳设计方法. 抗疲劳设计方法.
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K1C
7) 断裂三要素与断裂判据
裂纹尺寸和形状 作用应力 材料断裂韧性K 材料断裂韧性K1C
断裂三要素
应力强度因子K是断裂控制参量. 应力强度因子K是断裂控制参量.
断裂判据: 断裂判据:
作用
抗力 或 K≤K1C f=1; f=1; f=1.12. f=1.12.
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K= f ( a , ) σ π a ≤ K1c W
=(1-R) K c -5 ~-6
10 -9
10
1
2
3
Kth
lg( K)
11) 初始裂纹尺寸a0对寿命有很大的影响. 11) 初始裂纹尺寸a 12) Keff是控制da/dN的更本质的参量. 12) 是控制d /dN的更本质的参量 Keff∝σeff=σmax-σop
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13) 拉伸平均应力有害. 拉伸平均应力有害. 引入残余压应力可改善疲劳性能. 引入残余压应力可改善疲劳性能. 拉伸高载作用, 拉伸高载作用,会引起后续裂纹扩展 迟滞. 迟滞.
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疲劳裂纹萌生寿命分析: 疲劳裂纹萌生寿命分析: 恒幅疲劳 应力比 R 应力幅 Sa
Yes
Yes
Nf→∞
Sa<S-1
No
R=-1 R=No
求寿命N 求寿命Nf=C/Sa 已知材料的 基本S 基本S-N曲线 Miner 理论 D = ∑ ni N i = 1
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Sm=(1+R)/(1-R)Sa =(1+R)/(1
估算 寿命 2N
特例: 特例: 若载荷为恒幅对称应变循环, 若载荷为恒幅对称应变循环,σm=0, 可直接由已知的ε 估算寿命. 可直接由已知的εa估算寿命.
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B1) 循环应力-应变响应计算方法: 循环应力-应变响应计算方法:
第一次加载, 曲线描述,已知ε 第一次加载,由σa-εa曲线描述,已知εa算σa. 后续反向, εσ曲线描述; 后续反向,由εσ曲线描述; 曲线描述 由谱中已知的ε算相应的σ 且有: ε算相应的σ, 由谱中已知的ε算相应的σ,且有: εi+1 =εi± εi-i+1 ; σi+1=σi± σi-i+1