疲劳与断裂 课程总结.ppt

1,疲劳断裂,课程总结,二、基本概念,三、基本方法,四、抗疲劳断裂设计,一、基本内容,返回主目录,2,一、基本内容,疲劳裂纹萌生：（1-4章） 机理、规律（S-N曲线、e-N曲线）、萌生寿命、 累积损伤、雨流计数、循环应力应变响应计算,裂纹体断裂：（5-7章） LEFM、应力强度因子K、 K1C测试、抗断设计,疲劳裂纹扩展：（8-10章） da/dN-DK曲线、裂纹扩展寿命预测、裂纹闭合与迟滞的概念、抗疲劳设计基本原理,3,1) 疲劳问题的特点： 扰动应力作用； 材料或结构高应力局部； 裂纹萌生并扩展； 使用至破坏的发展过程。,二、基本概念,2) 疲劳研究的任务： 载荷谱； 裂纹萌生和扩展的机理与规律； 寿命预测方法； 抗疲劳设计方法。,4,导出量： 平均应力 Sm=(Smax+Smin)/2 应力幅 Sa=(Smax-Smin)/2 应力变程 DS=Smax-Smin 应力比或循环特性参数 R=Smin/Smax,5,4 ) 疲劳断口特征： 有裂纹源、裂纹扩展区和最后断裂区。 裂纹源在高应力局部或材料缺陷处； 裂纹扩展区有“海滩条带”和“疲劳条纹”。,5) 疲劳断口分析: 是否疲劳破坏? 裂纹源？ 裂纹临界尺寸? 裂纹扩展速率估计？ 破坏载荷？,6,疲劳破坏与静载破坏之比较,疲劳破坏 SSu 破坏是局部损伤累积的结果。 断口光滑，有海滩条带或腐蚀痕迹。有裂纹源、裂纹扩展区、瞬断区。 无明显塑性变形。 应力集中对寿命影响大。,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，是失效分析的重要依据。,静载破坏 SSu 破坏是瞬间发生的。 断口粗糙，新鲜，无表面磨蚀及腐蚀痕迹。 韧性材料塑性变形明显。 应力集中对极限承载能力 影响不大。,7,单调载荷下的弹塑性幂硬化应力-应变关系：,6) 材料的力学性能：,8,断裂性能： 平面应变断裂韧性 K1C 裂纹扩展性能： 门槛应力强度因子 Kth； 疲劳裂纹扩展速率 da/dN=C(K)m,9,7) 断裂三要素与断裂判据,对于承受拉伸的无限宽中心裂纹板， f=1； 对于无限宽单边裂纹板， f=1.12。,断裂判据：,抗力,作用,应力强度因子K是断裂控制参量。,10,8) 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。,11,11) 初始裂纹尺寸a0对寿命有很大的影响。 12) Keff是控制da/dN的更本质的参量。 Keffeff=max-op,10) 疲劳裂纹扩展: da/dN的控制参量是K; da/dN-K曲线有下限Kth, 上限(1-R)Kc。 Paris公式： da/dN=C(K)m,12,14) 任何预测方法都只能给出统计正确的 平均疲劳寿命。,13) 拉伸平均应力有害。 引入残余压应力可改善疲劳性能。 拉伸高载作用，会引起后续裂纹扩展 迟滞。,13,16) 耐久性设计三要素： IFQ、SCGMC 和 P(t,x)。 目标是：估计经济寿命； 实现设计-制造-使用-维修的综合控制。,15) 损伤容限设计的三要素为： 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， 保证结构安全。,14,三、基本方法,A) 应力寿命法,15,A3) 变幅载荷下的损伤累积： Miner理论 D=Di=(ni/Ni)=1 相对Miner理论 NA=NB(n/N)B/(n/N)A,A2) 不同R下，Sa-Sm关系的等寿命转换： Goodman方程： (Sa /Sa(R=-1)+(Sm /Su)=1,16,恒幅疲劳 应力比 R 应力幅 Sa,已知材料的基本S-N曲线,求寿命Nf=C/Sa,疲劳裂纹萌生寿命分析：,17,特例： 若载荷为恒幅对称应变循环，m=0， 可直接由已知的a估算寿命。,已知 、历程,B) 应变寿命方法：,18,B1) 循环应力-应变响应计算方法：,19,已知Kt、S 或e,应力-应变关系,求S 或e,B2) 缺口局部应力-应变计算：,Neuber双曲线： se=Kt2eS 应力应变关系： e=(s/E)+(s/K)1/n,20,1)第一次加载，已知S1或e1，求e1或S1 ； 由循环应力-应变曲线和Neuber双曲线: e1=(s1/E)+(s1/K)1/n s1e1=Kt2S1e1,B3) 缺口疲劳寿命分析计算步骤为：,2) 其后反向，已知DS或De，由滞后环曲线 De=(DS/E)+2(DS/K)1/n 求De或DS； 再由滞后环曲线和Neuber双曲线: DsDe=Kt2DSDe De=(Ds/E)+2(Ds/K)1/n,21,3) 第i点对应的缺口局部si、ei为： si+1=siDsi-i+1； ei+1=eiDei-i+1 式中，加载时用“+”，卸载时用“-”。,4) 确定稳态环的应变幅ea和平均应力sm。 ea=(emax-emin)/2； sm=(smax+smin)/2,22,C) 抗断设计方法(LEFM),1) 已知、a，算K，选择材料，保证不发生断裂；,基本方程：,2) 已知a、材料的K1c，确定允许使用的工作应力；,3) 已知、K1c，确定允许存在的最大裂纹尺寸a。,23,D) 裂纹扩展寿命估算方法,24,基本疲劳分析方法的比较,