疲劳寿命设计方法.pdf

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 S N曲线 wohler curve 及疲劳极限 基于疲劳极限的评判 考虑平均应力的损伤修正 有限寿命设计方法 Miner法则 疲劳损伤线性累积 雨流计数法 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 疲劳是一种机械损伤过程过程 特点特点 在这一过程中即使名义应力低于低于材料屈服强度 破坏前无明显塑性变形 突然发生断裂 本质本质 交变载荷 金属缺陷 金属的循环塑性变形 微观 塑性变形 微观 疲劳一般包含裂纹萌生和随后的裂纹扩展两个过程 疲劳是损伤的累积累积 疲劳的判断疲劳的判断 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 金属内部缺陷 晶体位错 微裂纹产生裂纹扩展断裂 疲劳发生过程 裂纹源 光滑的疲劳区 粗糙的脆性断裂区 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 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 S N curve 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 limit 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 max min 2 判断标准 Alternating stress a 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 工作过程中 只有一个幅值的交变应力 例如 60Mpa 循环n次 造成的损伤 Damage n N 当Damage 1时 疲劳发生 stress with same amplitude S N curve N 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 1 2 3 各自循环n1 n2 n3 次 造 成的损伤 Damage n1 N1 n2 N2 n3 N3 ni Ni 当Damage 1时 疲劳发生 stress with different amplitude 3 1 2 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 雨流计数法 有限寿命设计方法 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 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 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 雨流法数据处理 考虑平均应力的损伤修正 疲劳损伤度计算寿命计算 Miner法则 Life 1 damage T T 短期试验时间 疲劳寿命仿真计算 获取材料S N曲线 获得短期试验应力数据 疲劳损伤度计算寿命计算 Life 1 damage T 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