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别很大。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[]0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。由于交变载荷本身固有的特性，对任一应力循环，总需要用两个参数来表示。其代表是雨流计数法。

雨流计数法是目前在疲劳设计和疲劳试验中用的最广泛的一种计数方法，是对随机信号进行计数的一种方法的一种。雨流计数法与变程对一均值计数法

一样具有比较严格的力学基础，计数结果介于峰值法和变程法之间，提供比较符合实际的数据。雨流法是建立在对封闭的应力一应变迟滞回线逐个计数的基

础上，它认为塑性的存在是疲劳损伤的必要条件，从疲劳观点上看它比较能够反映随机载荷的全过程。由载荷一时间历程得到的应力一应变迟滞回线与造成的疲劳损伤是等效的[]o 应该指出，所有现行计数法均未记及载荷循环先后次序的信息资料。因为载荷先后次序的影响总是存在的，但如果将简化后的程序载荷谱的周期取短一些，则载荷先后次序的影响会减小至最小程度，这点已被荷兰国家宇航实验室的试验结果证实[]o

2疲劳累积损伤理论

2.1概述

在疲劳研究过程中，人们早就提出了“损伤”这一概念。所谓损伤，是指在疲劳过程中初期材料内的细微结构变化和后期裂纹的形成和扩展[]o累积损伤

规律是疲劳研究中最重要的课题之一，它是估算变幅载荷作用下结构和零件疲劳寿命的基础。

大多数结构和零件所受循环载荷的幅值都是变化的，也就是说，大多数结构和零件都

是在变幅载荷下工作的。变幅载荷下的疲劳破坏，是不同频率和幅值的载荷所造成的损伤逐渐累积的结果。因此，疲劳累积损伤是有限寿命设计的核心问题。

当材料承受高于疲劳极限的应力时，每一个循环都使材料产生一定的损伤，每一个循环所造成的平均损伤为1N o这种损伤是可以积累的，n次恒幅载荷所造成的损伤等于其循环比C二nN。变幅载荷的损伤D等于其循环比之和，即

l

D 八"N i ,

i 4

其中：I -----变幅载荷的应力水平等级

n----第i级载荷的循环次数

N i ----第i级载荷下的疲劳寿命

I

当损伤积累到了临界值D f时，即D =2n/N j=D f时，就发生疲劳破坏。D f

i」

为临界损伤和，简称损伤和。

不同研究者根据他们对损伤累积方式的不同假设，提出了不同的疲劳累积损伤理论（fatigue damage cumulative rules）到现在，已经提出的疲劳累积损伤理论不下数十种。这些理论归纳起来大致可以分为以下四大类[18]:

（1）线性疲劳累积损伤理论：这种理论假定材料各个应力水平下的疲劳损

伤是独立进行的，总损伤可以线性叠加。最具有代表性的是Miner法则，以及

稍加改变的修正Miner法则和相对Miner法则。

（2）双线性累积损伤理论：这种理论认为材料疲劳过程初期和后期分别按

两种不同的线性规律累积。最具有代表性的是Man so n的双线性累积损伤理论。

（3）非线性累积损伤理论：这种理论假定载荷历程与损伤之间存在着相互干涉作用，即各个载荷所造成的疲劳损伤与其以前的载荷历史有关。最具代表的是损伤曲线法和Corten-Dolan理论。

（4）其它累积损伤理论：这些理论大多是从实验、观测和分析归纳出来的经验或半经验公式。如Levy理论和Kozin理论等。

2.2线性累积损伤理论

在很多实际结构，它们常承受随机载荷，其最大和最小应力值经常在变化，情况就更为复杂。为了估算疲劳寿命，除了S-N曲线，还必须借助于疲劳累积

损伤准则。在工程中最常用的仍为线性累积损伤准则。

1. Miner 法则

线性累积损伤理论认为每个应力循环下的疲劳损伤是独立的，总损伤等于每个循环下的损伤之和，当总损伤达到某一数值时，构件即发生破坏。线性疲劳累积损伤理论中最具有代表性的是Palmgren-Miner理论，简称Miner法贝U，