（机械设计及理论专业论文）基于mscfatigue的轮胎式集装箱门式起重机结构疲劳寿命研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 轮胎式集装箱门式起重机是港口码头常用的装卸机械，它不仅具有良好的 机动性，还可以对多种货物比如散货和集装箱等进行装卸，轮胎式集装箱门式 起重机工作速度高，工况繁重且复杂，受循环往复的交变载荷，因而金属结构 件容易产生疲劳开裂。 目前在轮胎式集装箱门式起重机结构的设计中存在一些问题：长期以来国 内外大型结构的设计大多还停留在静力分析和简化分析阶段，一般结构设计人 员按照常规的设计步骤，根据经验取一系列较大的系数进行强度、刚度和稳定 性等方面的计算和核算，以保证设计的可靠性和安全性。因此设计过程周期较 长，设计的精确度不高。起重机在使用阶段，开焊、开裂甚至断裂现象时有发 生，起重机的使用寿命很大程度上取决于金属结构的使用寿命。对起重机金属 结构进行疲劳强度及疲劳寿命评估就显得十分迫切。因此加强轮胎式集装箱门 式起重机疲劳问题的研究，普及抗疲劳设计的方法有着十分重要的意义。 本文首先介绍了疲劳的一些基本概念、疲劳累积损伤理论以及本文所用到 的疲劳分析软件；本文以5 0 t - 2 6 5 m 轮胎式集装箱门式起重机为例，采用a n s y s 有限元分析软件建立轮胎式集装箱门式起重机门架结构的有限元模型；合理分 析了载荷情况和加载方式，并对模型局部不断调整，然后对其进行静力分析， 验算相关的静强度刚度，为起重机门架结构的疲劳强度分析提供数据；从动力 学理论出发，利用有限元分析软件a n s y s 对轮胎式集装箱门式起重机门架结构 进行模态分析，计算得到前八阶固有频率及主要振型；通过对该起重机典型工 况的分析得到相关的应力谱，再结合材料的s - n 曲线，利用m s c f a t i g u e 软件对 门架结构进行了疲劳寿命估算，得出整机的疲劳寿命云图，对轮胎式集装箱门 式起重机门架结构的设计、使用和维护具有一定的理论指导和实际应用价值。 关键词：起重机；门架结构；有限元分析；疲劳分析；寿命估算 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er u b b e rt i r ec o n t a i n e rg a n t r yc r a n ei sc o m m o n l yt h eh a n d l i n ge q u i p m e n tf o r t h ec o n t a i n e ri nt h eq u a y ，w h i c hn o to n l yh a sg o o dm o b i l i t y ，b u ta l s oc a nb eav a r i e t y o fg o o d ss u c ha sb u l kc a r g oa n dc o n t a i n e rh a n d l i n g b e c a u s eo fi t sh i 曲w o r k i n g s p e e d ，a sw e l la sr e l a t i v e l yc o m p l e xa n dh e a v yw o r k i n gc o n d i t i o n s ，a tt h es a m et i m e ， i ti sl o a d e db yt h ec y c l eo fa l t e m a t i n g1 0 a d ，t h u st h em e t a ls t r u c t u r ep r o n et of a t i g u e c r a c k i n g ，t h a ti sas e r i o u ss e c u r i t yt h r e a tt ot h en o r m a lp r o d u e t i o n f o ral o n gt i m ea th o m ea n da b r o a dd e s i g no fr u b b e rt i r ec o n t a i n e rg a n t r yc r a n e s r e m a i ni nt h es t a t i c a n a l y s i sa n ds i m p l i f ya n a l y s i ss t a g e g e n e r a l l yt h ea n a l y s i so ft h e s t r e n g t h ，s t i f f n e s sa n ds t a b i l i t ya n do t h e ra s p e c t sa r eb a s e do nt h ec o n v e n t i o n a ld e s i g n p r o c e d u r ea n db a s e do ne x p e r i e n c e ；t ot a k eal a r g e rf a c t o rt oe n s u r et h er e l i a b i l i t ya n d s a f e t yp e r f o r m a n c eo ft h ed e s i g n , t h e r e f o r e ，d e s i g nc y c l ei sl o n ga n dt h ea c c u r a c yi s l o w w h i l et h ec r a n e si nt h es e r v i c es t a g e ，t h eo p e nw e l d i n g ，c r a c k i n go rb r e a k a g e h a p p e no c c a s i o n a l l y ，t h es e r v i c el i f eo fc r a n el a r g e l yd e p e n d so nt h em e t a ls t r u c t u r e u s i n gl i f e i ti sv e r yu r g e n tt oe v a l u a t ef a t i g u es t r e n g t ha n df a t i g u el i f e ，a n di ti sg r e a t s i g n i f i c a n c et os t r e n g t h e nt h er e s e a r c h ，a n dt op o p u l a r z et h e o r i e sa n dd e s i g nm e t h o d s n l i sp a p e rd e s c r i b e st h ef a t i g u et h e o r y ，f a t i g u el i f e ，f a t i g u el o a ds p e c t r u ma n dt h e c u m u l a t i v ed a m a g et h e o r y ；b a s e do nq u a y s i d e5 0 t - 2 6 5 mt h er u b b e rt i r ec o n t a i n e r g a n t r yc r a n em e t a ls t r u c t u r e ，u s i n gc o n l m o n f m i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s t os e tu pf i n i t ee l e m e n tm o d e la n dt oc o n d u c ts t a t i ca n a l y s i sa n dm o d a la n a l y s i s ， r a t i o n a l l ya n a l y s et h el o a d i n gc o n d i t i o n sa n dl o a d i n gm e t h o d s ；a n da d j u s tt h el o c a l p l a c eo ft h em o d e lc o n s t a n t l y s t a r t i n gf r o mk i n e t i ct h e o r y ，w ec a nu s et h ef e m s o f t w a r et oc a r r yo u tm o d a la n a l y s i so ft h er u b b e rt i r ec o n t a i n e rg a n t r yc r a n ew h i c h c a nh e l pt oe x t r a c tt h ef i r s tf e ws t a g e so ft h en a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dm o d eo f v i b r a t i o n u s i n ga d v a n c e df a t i g u ea n a l y s i ss o f t w a r em s c f a t i g u ea n a l y s i so ft h e c r a n es t r u c t u r ei na p p r o x i m a t ea c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n st oc a r r yo u tt h ew h o l eo f l i f eo f 砀er u b b e rt i r ec o n t a i n e rg a n t r yc r a n e ，t oe v a l u a t ef a t i g u el i f eo f 功pr u b b e r t i r ec o n t a i n e rg a n t r yc r a n ef o rf a t i g u es t r e s sa n dl i f ea s s e s s m e n t ，d i s t r i b u t i o no ft h e i i 武汉理工大学硕士学位论文 s t r u c t u r ef a t i 舀j el i f e p r e s e n t sd i r e c f l yt 0p e o p l e ，i ti s 擎e a ts c i e m i f i c 眦m i f li n t l l e o r e t i c a lg u i d a l l e ea n dp r a c t i c da p p l i c a t i o nt 0d ot h ew o r k k e yw o r d s ：c r a n e ；g a i l t i ys t r u c t u r e ；f i i l i t ee l e m e n ta n f l y s i s ；f i n i t ea n a l y s i s ； e s t i m a t i o no ff i c el i f e i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究目的和意义 疲劳与断裂是导致机械零构件失效和工程安全事故的主要原因。通常，先 在高应力区域萌生微观裂纹，在交变循环载荷作用下产生宏观裂纹直到发生结 构断裂。起重机结构的寿命问题越来越引起人们的关注，起重机的寿命基本上 由金属结构的寿命决定。轮胎式集装箱门式起重机是港口码头常用的装卸机械， 它不仅具有良好的机动性，还可以对多种货物比如散货和集装箱等进行装卸， 因此，对轮胎式集装箱门式起重机金属结构尤其是高应力区域估算其使用年限， 对于指导轮胎式集装箱门式起重机的设计、制造，预防工程事故发生具有重要 的意义【。 在以前的轮胎式集装箱门式起重机设计中，设计人员为省略大量人力、财 力和时间，主要按照经验来采取一些系数来进行常规计算，将静强度和静刚度 作为主要设计准则，计算校核也都仅限于强度和刚度方面，不按照疲劳强度来 设计。随着经济发展和科技进步，轮胎式集装箱门式起重机使用越来越频繁。 另外，轮胎式集装箱门式起重机是周期性间歇作业，经常需要频繁起升、下降、 起动和制动。不仅如此，轮胎式集装箱门式起重机工作速度高，工况繁重且复 杂，受循环往复的交变载荷，因而金属结构件容易产生疲劳开裂，严重威胁正 常的安全生产。因此，对起重机机械性能要求越来越高，起重机的的设计和使 用更注重功能性、经济性、可靠性和安全性，起重机的设计计算方法需要不断 更新和完善，对起重机金属结构进行疲劳强度及疲劳寿命评估就显得十分迫切。 本文以结构疲劳理论为基础，采用先进的有限元分析软件a n s y s ，建立轮 胎式集装箱门式起重机门架结构的有限元模型并进行静力分析；进行模态分析， 并提取前八阶的固有频率和振型；运用应力幅法，使用疲劳分析软件m s c f a t i g u e 对轮胎式集装箱门式起重机进行材料特性分析得出材料的s n 曲线，研究其实 际的载荷谱，最后得出轮胎式集装箱门式起重机结构的对数寿命云图和疲劳数 据列表，让厂家和用户方便准确的评估起重机性能，并且有利于改善起重机功 能性，提高经济性l i j 。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 与课题相关的国内外现状与发展动态 1 2 1 国外相关研究动态 疲劳破坏从一开始被认识发展到现在经历了漫长的过程。产业革命的大力 进行带动了蒸汽机车的飞速发展及整个机动装运工具的大力发展，工厂里广泛 缺乏各种机械设备，然而运动部件经常发生失效和各种故障。18 2 9 年，某工程 师用矿山卷扬机的焊接链条进行疲劳方面的试验，至此，破坏事故得以阐明。 这个人是德国采矿工程师w a j a l b e r t 。法国的j v 彭赛列于1 8 3 9 年首先论述了 疲劳问题并提出“疲劳”这一术语。但疲劳研究的奠基人则是德国的a 沃勒。 他在1 9 世纪5 0 6 0 年代首先得到表征疲劳性能的s n 曲线，并提出疲劳极限的 概念。1 8 7 4 年，w 格伯在不断试验的基础上，得出了“极限 的概念和格伯抛 物线副羽，疲劳失效可以用“极限”来描述。 在二战期间，飞机、船舶等各种动力机械频频出现开裂等疲劳破坏事故， 这引起了专家对疲劳现象极大的关注。 2 0 世纪初，光学显微镜首次被科学家用来研究疲劳问题【2 j 。1 9 0 3 年e w i n g j a 和h u m f e r y j c w 二人通过大量的重复的单晶铝和瑞典铁的试验，发现了交变 应力下构件晶体与晶体之间出现了滑移，从而推翻了旧理论，得出了疲劳变形 是由滑移产生的新理论1 3 j 。 1 9 1 3 年，英格里斯( i n g l i s ) 对平板椭圆孔引起的应力集中进行了分析，分 析结果表明，带裂纹的构件根本承受不了任何外载，称为“英格里斯奇论”【4 】。 2 0 世纪2 0 年代初，英国科学家g r i f f i t h a a 最先应用能量原理的方法对玻璃、 陶瓷等脆性材料进行了断裂分析，不仅有力地驳斥了“英格里斯奇论”，而且 成功的解释了“为什么玻璃等材料的实际断裂强度比用分子结构理论所预期的 强度低得多”的问题，更重要的是建立了断裂应力、裂纹尺寸与材料性质三者 相互的联系，奠定了线弹性断裂力学的理论基础。 1 9 2 9 年英国人b p h a i g h 进行了诸多试验对缺1 ：3 应变及“残余应力 进行了 大量研究，后来德国人h n e u b e r 继续在缺口“体素”方面研究分析，在应力梯 度方面也深有研究。 为解决变幅载荷作用下的有限寿命设计问题，1 9 4 5 年m a m i n e r 在大量实 验研究的基础上，形成了p a l m g r e n m i n e r 线性累积损伤法则，又称之为m i n e r 2 武汉理工大学硕士学位论文 法则。m i n e r 法则逐渐成为交变载荷作用下的疲劳损伤判据，人们至此开始尝试 预估交变载荷作用下构件的疲劳寿命 4 1 。1 9 5 7 年，g r i r w i n 提出了“应力强度 因子 ，这是一个描述裂纹尖端的控制参量，进一步在断裂力学和裂纹扩展规 律方面作了深入的研究1 4 1 。帕里斯( p a r i s ) 于1 9 6 3 年提出了p a r i s 定律，这一幂指 数定律即疲劳裂纹扩展速率的重要定律。帕里斯认为，构件在处于循环载荷状 态下时，对于已产生裂纹的构件要仔细研究其裂尖部位，并且指出交变应力中 应力的幅度这一分析裂纹扩展率的主要参量，即应力幅【5 l 。弗尔曼( f o r m a n ) 于 1 9 6 7 年提出了f o r m a n 公式，即疲劳裂纹扩展速率修正公式，这一公式很好的考 虑到了平均应力对疲劳扩展的影响。p a r i s 公式和f o r m a n 公式在结构疲劳寿命估 算方面如高周疲劳等有极大影响力【5 】。 2 0 世纪6 0 年代以后，断裂力学尤其是线弹性断裂力学，已经得到相当完备 的发展，为研究含缺陷结构的疲劳问题提供了理论基础；计算机技术的迅速发 展，为含缺陷结构疲劳问题的研究提供了强有力的计算手段；6 0 年代起出现并 迅速发展的高倍电子显微镜、电液伺服控制疲劳机，电火花切割机等，为裂纹 扩展的实验研究、裂纹扩展破坏机理的观察、裂纹的制备等提供了可用的实验 手段。 近几年，疲劳研究有了新的发展：将宏观与微观密切结合起来，研究分析 材料从微观晶粒的变化发展到宏观裂纹产生直至断裂破坏发生的整个过程，研 究并建立相应的物理力学模型，将此模型引入寿命估算的程序或软件中；探索 不同环境下相适用的各种疲劳寿命算法；基于概率统计方法的疲劳算法得到广 泛应用，比如可靠性分析和耐久性设计。 目前，疲劳可靠性研究取得了一定成果。可靠性设计是保证系统和结构完 成规定功能指标的一种先进设计方法，比如零构件可靠性的预测、设计以及评 定工作【6 】。耐久性设计是2 1 世纪疲劳断裂控制研究的一个主要发展方向。耐久 性设计考虑全部可能出现的裂纹群，考虑细节设计及其制造质量对疲劳抗力的 影响，综合考虑安全、功能及使用经济性。 随着计算机技术的发展，新型疲劳软件的不断开发，计算机模拟疲劳试验 也得到了不断发展，并渐渐成熟起来。疲劳寿命分析方法也因此得到广泛应用。 在产品设计的初始阶段，设计师可以对不同方案的疲劳寿命进行初步分析，进 而判断其是否满足产品要求，通过比较不同方案的优点和缺点，提高薄弱环节 的设计，改善不合理设计；设计师在开始的产品测试阶段初步判断关键敏感部 位，试验阶段可以重点监测。有限元疲劳软件如m s c f a t i g u e 可以直观的把零构 3 武汉理工大学硕士学位论文 件表面寿命分布状态显现出来，在很大程度上能缩短产品开发周期，减少试验 样机的需求，减少人力物力的投资，节约时间成本，提高开发效率，使用户在 市场竞争中占统治地位。 1 2 2 国内相关研究动态 我国的疲劳研究工作总的来说进展较晚，基础不牢，研究水平不高。2 0 世 纪5 0 年代只有很少单位开始疲劳研究，2 0 世纪6 0 年代早期，几个部属研究单 位开始尝试解决新产品设计和制造中产生的问题1 7 j 。 1 9 7 8 年，在浙江莫干山召开疲劳问题讨论会，这一会议是全国性的、由郑 州机械研究所( 属于第一机械工业部) 负责的。这之后，航空学会和机械工程 学会等也陆续召开学术交流会探讨疲劳方面的问题，这些对我国疲劳研究工作 有很大影响，推动了我们疲劳理论的发展【8 】。 目前我国有很多高校及科研院所也相继开始了疲劳强度的分析研究，并陆 续开始了各种疲劳试验，在数据处理方面有了较大收获。 相比较而言，在我国，机械设计工作的静强度设计方面，通常使用抗疲劳 设计的只有少数零构件中，比如轴的设计，另外在设计起重机时的研究试验特 别是抗疲劳设计方面不是很多。2 0 世纪8 0 年代开始，国内许多专家学者认识到 起重机可靠性设计具有重要的意义，至此专家们开始进行深入研究。从9 0 年代 以来，根据我国起重装载机械的使用现状，国内专家学者开始针对起重机金属 结构在剩余安全寿命方面和安全性评价方面进行研究，尤其是2 0 0 0 年以来，部 分高校对起重装载机械的这两方面研究和探讨越来越多、越来越深入。 对疲劳研究进行的较早的是北京起重运输机械研究所等，主要针对起重机 的主梁结构开展了常幅状态下的疲劳研究，作了很多试验；在对桥机金属结构 疲劳研究中，武汉科技大学率先运用了统计规律对其试验数据进行了统计分析， 编制了桥架类型起重机的金属结构疲劳载荷谱蝎l ；太原重型机械学院基于应力幅 法，进行了大量疲劳试验，研究得出了箱型梁金属结构疲劳破坏发生的规律【8 1 ； 上海交通大学、西北工业大学和西南交通大学等对金属结构可靠性分析进行了 各种深入探索；武汉理工大学的郭强和熊琛琛等基于应力幅法，运用m s c f a t i g u e 疲劳分析软件对装卸机械的桥架结构等进行了寿命计算1 1 0 】。 起重机包括轮胎式集装箱龙门起重机其结构破坏大多是由疲劳引起的，目 前我国起重机包括轮胎式集装箱龙门起重机的结构设计大多还仅限于静强度方 4 武汉理工大学硕士学位论文 面的设计。在国内，机械材料的数据当中，疲劳性能数据极度缺乏，抗疲劳设 计数据也几乎没有。此外，抗疲劳设计理论零散没有进行统一整理，行业标准 不够健全，这种现状下对起重机的疲劳工作进行深入研究已刻不容缓。 1 3 本文的研究内容 本文以5 0 t - 2 6 5 m 轮胎式集装箱门式起重机为对象进行研究。本课题以疲劳 理论为基础，运用a n s y s 有限元分析软件，对轮胎式集装箱门式起重机门架结 构做了详细分析并进行建模和网格划分，再利用m s c f a t i g u e 疲劳分析软件对处 于各种工况下的起重机进行疲劳应力分析和对数寿命计算，得出对数寿命云图 和疲劳数据列表，有利于相关人员评估起重机性能，改善起重机功能性，也为 其他设计者进行疲劳分析提供一定的参考。具体内容如下： ( 1 ) 介绍结构疲劳相关理论和疲劳设计方法。 ( 2 ) 利用有限元分析软件a n s y s 建立5 0 t 2 6 5 m 轮胎式集装箱门式起重机 门架结构的有限元模型。 ( 3 ) 基于静力学理论利用有限元分析软件a n s y s 对5 0 t 2 6 5 m 轮胎式集装 箱门式起重机结构门架结构进行强度及刚度计算。 ( 4 ) 基于动力学理论利用有限元分析软件a n s y s 对5 0 t 2 6 5 m 轮胎式集装 箱门式起重机门架结构进行模态分析，计算得到前八阶固有频率及主要振型。 ( 5 ) 基于应力幅法利用大型通用疲劳软件m s c f a t i g u e 软件对5 0 t 2 6 5 m 轮 胎式集装箱门式起重机门架结构进行疲劳寿命估算。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章结构疲劳基本理论 经过1 5 0 多年不断的试验研究，人们给“疲劳定义如下：在某点或某些 点承受扰动应力，并且经历了极大循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材 料中所发生的局部的、永久结构变化的发展过程，称为“疲劳 【1 2 】。人们逐渐 的在对疲劳现象的观察、疲劳机理的认识、疲劳规律的研究、疲劳寿命的预测 等方面积累了丰富的知识，逐渐形成了疲劳的基本理论。 2 1 疲劳裂纹破坏机理 在深入研究疲劳现象时，人们逐渐发现，当交变循环应力接近于结构件疲 劳极限时，经过无数次应力循环之后，结构金属表面的微观晶粒逐渐产生滑移 带。随着循环次数的增加，滑移带加宽。在交变载荷条件下发生的滑移与静载 荷条件下发生滑移在本质上具有相同的的晶体学特征。挤出脊和侵入沟是疲劳 过程中发生在金属表面的另一普遍现象。无数研究表明，结构件在交变循环载 荷作用时晶体表面渐渐产生滑移带、挤出脊和侵入沟，并逐渐发展成为微裂纹， 微裂纹再演变为宏观裂纹【1 2 1 。由疲劳断开的形貌特征，可将疲劳断1 3 分为三个 区，即疲劳源区、裂纹的缓慢扩展区及瞬时断裂区，这三个区对应着裂纹产生 的三个阶段，即裂纹萌生、扩展直至断裂1 2 1 。 2 1 1 裂纹萌生机理 零件疲劳裂纹的萌生是应力集中发展到一定阶段产生的。裂纹通常以下面 方式萌生：滑移带开裂、晶界或孪晶界开裂、夹杂物或第二相与基体的界面开 裂2 l 。滑移带开裂是最基本的一种。 滑移带开裂的顺序首先是滑移线出现，然后是滑移带形成，最后驻留滑移 带形成。滑移可以任何一种载荷形式下发生，比如单调载荷或者循环载荷。载 荷较大时，构件的微观晶粒中较薄弱部分会发生排列错位，即范性变形，这在 构件的金属表面表现方式即是滑移线。当循环载荷继续增大，硬化和软化现象 逐渐产生后，这时范性变形可能不规则的出现在多个滑移面，有些变形比较集 中有些则比较分散，而不规则的范性形变集中起来，在构件的金属表面上的表 6 武汉理工大学硕士学位论文 现方式就是滑移带。接着，在交变循环载荷作用下滑移带不断的演变或挤出或 凹入，应力集中越来越严重，直到形成了驻留滑移带。驻留滑移带是永久性的 不可磨灭的，一般性的滑移带可以抛光来消除，驻留滑移带一旦形成不能完全 消除，必然留有滑移带印迹。最后痕迹越来越深，一直到产生裂纹。可见，驻 留滑移带从产生到不断发展的整个过程，即裂纹萌生过程。滑移的发生有其局 限的范围，通常高应力区域才会产生滑移，构件表面光滑度高时滑移较少产生， 裂纹萌生几率变低。 因此，防止裂纹源应该尽力减少高应力区域。受弯曲应力或扭转应力的零 部件极易产生大的表面应力，从而一些零部件表面的峰值应力局部区域极易产 生裂缝，如加工过程中出现的构件几何形状的变化如表面缺陷或材料缺陷形成 应力集中等的局部细节l l2 1 。 纯金属、单相金属对它们来说裂纹萌生同样是滑移带开裂居多。密排六方 晶系滑移系较少导致滑移困难，此时孪晶形变就成为常见的形式，裂纹往往在 在孪晶与基体表面上萌生f 1 2 】。合金化不规则、晶界较弱时，晶内滑移应力明显 高于晶界，晶间裂纹即在晶界萌生。1 5 。2 5 。温度在滑移带或者孪晶界面多 萌生穿晶裂纹。而高温下穿晶裂纹一般会演变为晶间裂纹。应力水平较高时， 纯表面上滑移线相当规则，但纯表面的位移仍然可以很大【圯】。在晶间和表面交 汇处会往往出现较大挤入槽和应力高度集中区域，因为该区域垂直位移不大。 受力较大应力幅较大的情况下，晶界裂纹多发生。与切应力极大值方向最为接 近的晶界上，晶间裂纹多发生。向差较大的晶界，晶粒相临的同样会产生晶间 裂纹【1 2 1 。 商用高强合金中，一些杂质以及第二相质点等对裂纹的萌生有着重要的影 响。商用高强合金的屈服强度往往较高，应力幅没有达到较高的水平滑移带不 会出现。由于第二相质点或杂质的存在，应力集中越来越严重，在名义应力较 低的情况下同样可能发生局部范性形变，范性形变一旦发生，裂纹萌生就会产 生于基体的界面，或杂质、脆性第二相发生断裂也会导致裂纹萌生。 疲劳裂纹于金属表面萌生，原因如下： ( 1 ) 对构件来说，表面应力往往大于内部应力，应力幅值大； ( 2 ) 内部晶粒被包围受约束大，表面晶粒受约束较小，表面晶粒比内部晶 粒产生滑移几率大很多； ( 3 ) 表面晶粒和大气直接接触，气体分子会腐蚀表面晶粒，其他介质作用 也会有干扰： 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 金属工艺过程或多或少影响构件的表面属性。焊接、研磨、过度磨削、 划伤等金属工艺过程会导致构件表面产生残余拉应力，残余拉应力和载荷应力 则导致构件晶粒萌生裂纹。 2 1 2 裂纹扩展机理及失稳断裂 疲劳裂纹扩展可分为两个阶段：第1 阶段裂纹扩展和第1 i 阶段裂纹扩展【 1 ， 如图2 1 所示。 应力集中部位裂纹先由永久性的滑移带聚集成核。这一过程受剪应力影响， 剪应力最大的那个方向决定了形成微裂纹的方向。疲劳裂纹萌生以后，会沿切 应力最大的活性面进行扩展，具有结晶学特征。在重复载荷作用下，微裂纹沿 与最大剪应力所在平面呈4 5 0 继续扩展或相互连接。此后，有少数几条微裂纹大 到几十毫米的长度，逐步汇聚成一条主裂纹，并由沿最大剪应力面扩展逐步转 向沿垂直于载荷作用线的最大拉应力面扩展。裂纹沿4 5 0 最大剪应力作用面扩展 为第1 阶段裂纹扩展。滑移带上往往萌生很多条微裂纹，继续施加循环载荷， 这些微裂纹会发生扩展并相互连结。绝大多数裂纹很早会停止扩展。从第1 阶 段向第1 i 阶段转变所对应的裂纹尺寸主要取决于材料和应力幅的水平，但大致 都在o 0 5 m m 以内。应力幅越低，裂纹转变时的长度越长。不同试样裂纹扩展速 率不同，光滑试样第1 阶段的裂纹扩展速率远远低于第1 i 阶段，第1 阶段消耗 的循环数因此远多于第1 i 阶段，而处于第1 阶段的锐缺口或预制裂纹试样的裂 纹扩展则可以忽略不计。 从第1 阶段向第1 i 阶段的转变，一般是内部晶粒没有滑移造成的。表面晶 粒约束少，裂纹端部由此进入金属内部时，内部晶粒受约束，滑移受抑制，裂 8 武汉理工大学硕士学位论文 纹由剪切转变为拉伸扩展。第1 阶段向第1 i 阶段的转变，往往是由裂纹尖端的 应力状态决定的。 第1 i 阶段裂纹扩展不再有结晶学特性。在微裂纹扩展到几个晶粒的深度以 后，裂纹的扩展方向开始转变，由开始的与应力成约4 5 0 角的方向慢慢转向为垂 直于拉应力的方向。这就是第1 i 阶段裂纹扩展【1 引。 两个阶段的裂纹扩展均受应力控制，不过第1 阶段受切应力控制，第1 i 阶 段受正应力控制。在不同环境条件下裂纹扩展形式也不同，在室温、无腐蚀介 质条件下，裂纹扩展多为穿晶裂纹，在高温或者腐蚀介质条件下裂纹扩展则为 沿晶裂纹。 第1 阶段时，裂纹扩展的断口一般不留下痕迹，第1 i 阶段裂纹扩展一般会 留下“条带 的显微特征。如图2 2 所示循环开始时的裂纹尖端形状。循环应力 不断增加从而产生裂纹，然后裂纹慢慢扩大，由于高度的应力集中，裂纹尖端 沿剪应力最大的方向移动( 图( b ) ) ；随着应力继续增大，裂纹张开充分时， 裂纹尖端钝化，呈现半圆形形状，新的表面产生( 图( c ) ) ；卸载时，裂纹从 张开到收缩，新产生的裂纹面却消失不了，在压应力作用下它将产生失稳而在 裂纹尖端呈现凹槽形状；到最后，在循环压应力最大的情况下，裂纹变尖，同 时长度增加。到了下一循环，裂纹又重新开始上述过程。每一个应力循环在裂 纹表面留下的痕迹，就称作疲劳条纹【1 4 1 。 疲劳条纹不同于前述之海滩条带，断口上的海滩条带肉眼可见，低倍放大 镜也可观察的到：疲劳条纹出现在晶粒级，不借助高倍显微镜是观察不到的。 一条海滩条带在多的情况下可以包含上万条疲劳条纹。图2 3 示出了若干典型疲 劳裂纹的放大照片。 图2 2塑性钝化过程图2 3典型的疲劳条纹 9 簧文 武汉理工大学硕士学位论文 疲劳破坏的最终会导致失稳断裂，一旦发生断裂会产生极大经济损失和人 员伤亡。虽然它的表现形式是在某一次应力循环中瞬间发生的，但是从疲劳的 全过程来看，失稳断裂仍然是呈渐进式进行的，是由裂纹萌生和扩展阶段的损 伤累积作为基础引起的。裂纹扩大到临界尺寸时便会发生失稳扩展而很快断裂， 这也是裂纹尖端应力强度因子达到了临界值的一种表现。瞬时断裂区域表面呈 现比较粗糙的颗粒状。 2 1 3 疲劳断口的特征 疲劳断口的特征有宏观和微观特征。 疲劳断口的宏观特征，是大多数材料共有的特征。典型的疲劳断口，有如 下特征： ( 1 ) 疲劳断口有裂纹源、裂纹扩展区和瞬时断裂区三个部分。 图2 - 4 栗轮毂疲劳饭讣断口 裂纹起源于应力集中的最大应力部位。裂纹起源处，称为裂纹源。图2 - 4 中 发白的粗糙部分是瞬断区，也称最后断裂区，是裂纹扩展到极限尺寸后发生瞬 时断裂形成的新鲜断面；下面部分是清晰可见的裂纹扩展区，区域的大小与材 料延性及所承受的载荷水平有关。 ( 2 ) 裂纹扩展区具有光滑、平整断面，可见“海滩条带”及腐蚀痕迹 在变幅循环载荷作用下，裂纹不断扩展。在不同时刻，断面上会逐渐形成 条带样的裂纹痕迹。这些裂纹痕迹明暗相间。这些条带就像海水退潮时留下的 一条一条的沙滩痕迹，即“海滩条带”【1 4 j 。“海滩条带”描述了疲劳裂纹形成 及扩展的过程。扩展过程中，裂纹不断地张开和闭合，相互之间的摩擦使得断 口变得平整、光滑；甚至有时海滩条带也会变得不太明显。由于疲劳裂纹扩展 是一个较长的时间过程，通常在环境的作用下，裂纹扩展区会留有腐蚀痕迹。 ( 3 ) 裂纹源通常位于高应力局部或材料缺陷部位 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 裂纹源通常是一个，也可以有多个裂纹源。裂纹的起源位置一般在高应力 区，而高应力区域通常在材料表面附近。但是如果材料含有杂质、空隙等缺陷， 局部应力也会升高，可能使得缺陷处成为裂纹源。 ( 4 ) 与静载破坏相比较，即使是延性材料也没有明显塑性变形 研究发现将发生疲劳破坏后的断口对合在一起时，一般都能吻合得很好。 这现象说明疲劳破坏前构件并未发生较大塑性变形；即使是延性很好的材料， 也也没有明显塑性变形。这与单调载荷下的破坏有显著不同的特点。 ( 5 ) 表面裂纹在工程实际中一般呈半椭圆形 裂纹源在表面的裂纹，承受循环载荷的作用时，一般沿表面扩展速度较快， 沿深度方向扩展速度较慢，裂纹呈半椭圆形。且宏观裂纹通常在拉应力最大的 平面内扩展。 疲劳断口的微观破坏有三种不同的形式：微解理型、条纹型和微孔聚合型， 利用高倍电子显微镜可以观察n t l 4 1 。 ( a )( b )( c ) 图2 5某典型的钢疲劳断口的微观观察照片 如图2 5 所示为某典型的钢疲劳裂纹扩展微观观察照片。图2 5 ( a ) 、图2 5 ( b ) 、图2 5 ( c ) 分别是微解理型、条纹型、微孔聚合型，其中，微解理型对应于 较低的疲劳裂纹扩展速率，微孔聚合型对应于较高的裂纹扩展速率，条纹型对 应的裂纹扩展速率处于微解理型与微孔聚合型之间。最值得注意的微观疲劳条 纹的形成与载荷循环状况有关。通常由条纹间距可以预测裂纹扩展速率。微观 疲劳条纹与断口的宏观疲劳海滩条带不同，海滩条带的形成对应于周期载荷循 环块，且肉眼可见；疲劳条纹与单个循环载荷对应，利用高倍电子显微镜就能 观察到，一条海滩条带最高可含有上万条条纹。 采用不同观察工具时疲劳断口观察内容如表2 1 所示。 表2 - 1观察工具与疲劳断口观察内容的关系 观察工具肉眼，放大镜金相显微镜电子显微镜 放大倍数1 1 0 倍 1 0 - , 1 0 0 0 倍1 0 0 0 倍以上 观察对象宏观断口，海滩条带裂纹源，夹杂，缺陷条纹，微解理，微孔聚合 武汉理工大学硕士学位论文 由疲劳破坏断口显示的大量信息，可以分析构件或结构的疲劳失效原因。 例如，通过观察断口的宏观形貌可以判断是否为疲劳破坏；如果是疲劳破坏， 则可估计破坏时裂纹的最大尺寸；进而利用断裂力学方法，可判断破坏是否在 经受正常工作载荷时发生；还可以观察裂纹源的位置。 2 2 结构疲劳破坏 2 2 1 疲劳应力 疲劳应力是材料、零件和结构件对疲劳破坏的抗力，在规定的循环应力幅 值和大量重复次数下，材料所能承受的最大交变应力。一个构件或者是一个含 有初始裂纹的构件在低于其强度极限或疲劳临界应力的静应力作用下是不会断 裂的，但是该构件在远低于材料的抗拉强度或临界应力变动载荷的长期作用下， 也会在其中产生裂纹及裂纹发生扩展而导致断裂【1 5 】。 描述变应力的特征参数常用的主要有以下几个： ( 1 ) 最大应力：交变应力中代数值最大时的应力。其中，拉应力方向 为正，反之，压应力方向为负1 5 1 。 ( 2 ) 最小应力：交变应力中代数值最小的应力。和最大应力方向相同， 拉应力方向为正，压应力方向为负【1 5 】。 ( 3 ) 平均应力瓯：交变应力中最大应力与最小应力的代数和的平均值，即： 氏= ( + ) 2 ( 2 1 ) 其中，拉应力、压应力方向与最大最小应力时相同。 ( 4 ) 应力幅疋：交变应力中最大应力与最小应力的差值的一半【1 5 】，即： s o = a s 2 = ( 一) 2 ( 2 2 ) ( 5 ) 应力范围a s ：交变应力中最大应力与最小应力的差值【1 5 】，即： a s = 一。 ( 2 3 ) ( 6 ) 应力比尺：交变应力中最小应力与最大应力的代数比值，它反映了不 同应力循环的特征。即： r = 氏。 ( 2 - 4 ) 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 当= 也。时，r = 一l ，是对称循环；。= o 时，r = o ，是脉动循环； 当= 。时，r = 1 ，疋= o ，是静载。 图2 - 6正弦型恒幅循环应力 疲劳分为应力疲劳和应变疲劳。当最大循环应力不超过屈服应力时，称为 应力疲劳；因循环应力作用水平较低，而同时寿命循环次数较高，故又称作高 周疲劳。反之，当最大循环应力超过屈服应力，因材料屈服后应变较大，此时 相对应力变化较小，因而用应变作为疲劳控制参量十分恰当，此时称为应变疲 劳；因应变疲劳状态下循环应力作用水平较高，而寿命较低，故应变疲劳又称 作低周疲劳【1 6 】。 2 2 2s n 曲线和疲劳极限 材料的疲劳性能，可以用应力水平s 与到破坏时为止的寿命之间的关系 来描述。在各种疲劳载荷作用下，恒幅循环应力的载荷谱最简单的载荷谱。对 称恒幅循环载荷作用下，经实验得出的应力寿命关系，可用s 。n 曲线表达，这 是材料的基本疲劳性能曲线。应力比r = 一1 时= ，此时基本应力- 寿命曲 线叫做s - n 曲线。在对称的恒幅循环载荷作用下到破坏为止时的循环次数寿命 定义为厂。 材料的基本s - n 曲线，给出的是光滑材料在恒幅对称循环应力作用下的裂 纹萌生寿命。用一组标准试件( 约为7 _ l o 件) 进行疲劳试验，同时给定应力比r ， 施加不同的应力幅，最后统计相应的寿命，即可得到如图2 7 所示的s - n 曲线。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 0 s 1 0 4l 扩l d 1 0 7浙 图2 7s n 曲线 由图2 7 可知，在应力比给定的情况下，应力水平s 越小，寿命越长。当应 力水平s 小于某极限值时，试件不会发生破坏，此时寿命趋于无限长。由s - n 曲线确定的，对应于寿命的应力，称为寿命为循环的疲劳强度，记作。 寿命趋于无穷大时所对应的应力的极限值s ，称为材料的疲劳极限。r = 一1 时，疲劳极限处于最小值。材料的疲劳极限一般情况下都是指火= l 时的最大应 力，可用，表示。 s - n 曲线为德国人w 6 h l e ra 首先提出，故而又被称为w 6 h l e r 曲线。s n 曲 线在坐标中一般呈线性，但是当达到足够大时就会演变为直线【1 7 】。有时也会 突然断开，也会出现转折。 s - n 曲线是在应力比r = 一1 的情况下得到的数据曲线。描述材料曲线的最常 用形式是幂函数形式，即 s 肼n = c( 2 5 ) m 和c 是材料、应力比、加载方式有关的参数。对一般的焊接结构，实际 情况下其应力比不一定会为l 或- 1 。将上式两边取对数，且令k = l g c ，则有 l g n = k - m l g s ( 2 6 ) m = 弋 机毗7 7 6 k 纠刀7 6 、l 。+ + l 羚+ r ( 4 x 。1 0 6 厂 b k = 6 3 0 1 + m 1 9 7 _ 兰l 一 卜i + rs _ 1 ) 展 1 4 ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 武汉理工大学硕士学位论文 热6 一槲的疲栅度撼忙弘1 + 剀； 熊一非对称循环焊接结构有效应力集中系数； 厥：一i + r s 1 协9 ， 厥= l 亡下f 竺 ( 2 - 9 ) 1 - rs b s = 3 4 5 + s b ( 2 1 0 ) f 篷。= 砖( 4 1 0 6 ) 6 ( 2 1 1 ) 强度 1 4 0 0m p a 的碳钢和合金钢进行近似计算公式为l = 3 8 + 0 4 3 s b 。 合金钢和不锈钢的推荐值为0 4 7 【1 们。 2 3 疲劳强度的主要影响因素 2 3 1 平均应力的影响 平均应力对疲劳寿命重要的影响作用。应力水平一定时，平均应力增大， 应力比r 随之增大，疲劳寿命则随之下降。平均压应力会使疲劳强度提高，平 均拉应力则使疲劳强度降低。 如图2 8 所示，以平均应力瓯为横坐标，应力幅疋为纵坐标。对于一个应 力循环来说： 1 瓯= 去( 趾+ ) ( 2 1 2 ) 武汉理工大学硕士学位论文 瓯= 圭( 一) s 。? s l 图2 - 8h a i g h 图 许多试验表明，和& 之间有如下关系： s 。+ s m = s 一 曼：二虽绝：坐 s 二+ 。1 + r ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) s n l 等s o = 等了a s = 篙一了a s ( 2 - 1 6 ) 可见，当丛为一定时，平均应力瓦随应力比r 增大而增大。故而平均应力 瓯对疲劳裂纹扩展的影响往往是通过应力比尺来体现。当瓯= 0 时，配就是 r = 一l 时的疲劳极限篷。；s o = 0 ，载荷为静载。 等寿命条件下， 曼+ f 显1 _ - l ( 2 1 7 ) & 。l 瓯 这是著名的g e r b e r 关系。 而g o o d m a n 关系则表达为 s o + 曼：l( 2 1 8 ) s ds h 在工艺实践中用喷丸、预应变、渗碳以及渗氮等，在高应力构件表面引入 残余压应力，是降低构件的疲劳裂纹扩展速率，提高疲劳寿命的有效措施。 2 3 2 缺口效应 通常来说实际零构件不是完全光滑的，常常有不同形式的缺口( 如孔、圆 角、台阶等) 存在，缺口附近必然会产生应力集中，缺口的应力集中效应会使 局部应力大幅提高，使疲劳性能严重下降。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 理论应力集中系数k 代表的是在缺口处所体现的应力集中程度，描述的是 应力集中使零构件局部应力提高的作用 2 0 1 。理论应力集中系数k 是缺1 3 处最大 实际应力与该处名义应力最之比，即 k = 等 ( 2 _ 1 9 ) 式中：瓯。一最大应力； 鼠一名义应力。 理论应力集中系数k 和材料无关，和几何形状有关2 0 1 。疲劳强度的影响因 素包括结构材料、几何形状及所受的载荷。 名义应力瓯是按净面积计算的，不考虑缺1 3 引入的应力