疲劳寿命设计方法

Æ例如，不同应力幅值应力加载顺序不同，损
伤不同
例子1
有限寿命设计方法
当交变载荷有较多的冲击过载或工作载荷为随机载荷时，工作应力在某些时 刻会越过疲劳极限。此时，疲劳寿命设计主要是保证构件在设计的寿命之内 不发生疲劳破坏，也即设计使构件具有有限的疲劳寿命。
有限寿命设计方法
-Miner法则（疲劳损伤线性累积）
如何使用S-N曲线作寿命评估->Miner法则
有限寿命设计法
-寿命计算
获取材料S-N曲线
获得短期试验应力数据
Miner法则 疲劳损伤度计算
Life=(1/damage)*T 寿命计算
雨流法数据处理 考虑平均应力的损伤修正
T：短期试验时间
疲劳寿命仿真计算
获取材料S-N曲线 疲劳损伤度计算
获得短期试验应力数据
Life=(1/damage)*T 寿命计算
平均应力越大，交变应力造成的损伤越大。
σ1 σ2
N1 N2
无限寿命设计方法
-考虑平均应力的损伤修正
Goodman method
σa
σ1
σca σmean =(σmax+ σmin)/2 σa= (σmax - σmin)/2 σu
修正后的交变应力 平均应力 交变应力 拉伸强度
σca
σca > σa
仿真获取应力数据
对于复杂的机构，可以将多体动力学和有限元分析相结合，从而获得机构工作 状态连续应力数据 用仿真的方法可以代替样机试验，从而能在设计初期进行寿命评估，节省时间 提高效率
疲劳寿命计算的不足
试件和实际零件表面状况差别大
σ
Æ表面状况对疲劳损伤影响较大
试件疲劳性能散差大
损伤线性累积法则存在局限性
σ
S-N curve
1871年，Wohler首先对铁路车轴进行了系统的疲劳研究，发展了S-N曲线及疲劳极限概念
无限寿命设计方法
-S-N曲线(Wohler curve)及疲劳极限
疲劳极限：一般规定，循环次数107所对应的最大应力为疲劳极限
σ
σlimit
S-N curve
无限寿命设计方法
-基于疲劳极限的评判
Alternating stress 作为判断应力 Alternating stress=(σmax- σmin)/2 判断标准 Alternating stress<σlimit
σ
σ2 √ σ×1
σlimit
σ
S-N curve
无限寿命设计方法
-考虑平均应力的损伤修正
平均应力不同，交变应力幅值相同的交变应力造成的损伤不同。
疲劳是一种机械损伤过程 特点:
在这一过程中即使名义应力低于材料屈服强度；破坏前无明显塑性变形，突然发生断裂
百度文库 本质：
Æ交变载荷+金属缺陷Æ金属的循环塑性变形（微观） Æ疲劳一般包含裂纹萌生和随后的裂纹扩展两个过程 Æ疲劳是损伤的累积
金属内部缺陷 （晶体位错）
微裂纹产生
裂纹扩展
疲劳发生过程
断裂
寿命设计方法
-王光建
目录
什么是疲劳失效 无限寿命设计方法
ÆS-N曲线(wohler curve)及疲劳极限
Æ基于疲劳极限的评判
Æ考虑平均应力的损伤修正 有限寿命设计方法
ÆMiner法则(疲劳损伤线性累积) Æ雨流计数法 Æ寿命计算 疲劳寿命仿真计算 疲劳寿命计算的不足
疲劳失效
工作过程中，只有一个幅值的交变应力
σ
例如，σ=60Mpa
循环n次，造成的损伤：
Damage=n/N
当Damage=1时，疲劳发生
N S-N curve
σ
stress with same amplitude
有限寿命设计方法
-Miner法则（疲劳损伤线性累积）
工作过程中，有多个幅值的交变应力 σ1 ，σ2，σ3 各自循环n1,n2,n3次，造
凡是出现如图2所示两种情况之一者，必存在一个应力循环。其中图2a所示的四峰谷值的关 系是：x1≥x2,且x1 ≥ x3和x2 ≥x4。图2b的关系是：x1≤x2,且x1 ≤x3和x2 ≤x4.
当计算机从峰谷值数组中依次取出四个相邻的峰谷值进行判别时，若存在上述两种情况之一 时，就记下这一循环的应力值和平均应力，然后抹去中间两个峰谷值，再次从峰谷值数组中 依次取出两个峰谷值组成新的四个峰谷值。
-雨流计数法
雨流法能将应力历程的所有大大小小的应力循环全部记下，大循环不会被小循环分割。如图 1a所示，大循环585’和其中的小循环676’均被记下，这些大小应力循环形成的应力应变滞回 圈（见图1b），与反复塑性应变引起 的疲劳损伤机理相符。
有限寿命设计方法
-雨流计数法的计算机实现
雨流法的计算机计数的具体实现是用四峰谷值比较法。四峰值比较法可以判别相邻四峰谷中 是否存在一个应力循环。
成的损伤： Damage= n1/N1 + n2/N2 + n3/N3 =Σni/Ni 当Damage=1时，疲劳发生
σ1 σ2 σ3
stress with different amplitude
σ
S-N curve
有限寿命设计方法
-雨流计数法
如何处理复杂交变应力Æ雨流计数法
有限寿命设计方法
疲劳的判断：
金属材料的疲劳断裂口上，有明显的光滑区域与颗粒区域，光滑区域是疲劳断裂区，颗粒区
域是脆性断裂区
粗糙的脆性断裂区
光滑的疲劳区 裂纹源
无限寿命设计方法
-S-N曲线(Wohler curve)及疲劳极限
S-N曲线是根据材料的疲劳强度实验数据得出的应力和疲劳寿命N的 关系曲线
S-N曲线用于描述材料的疲劳特性