疲劳分析介绍学习教案

1、会计学1疲劳分析疲劳分析(fnx)介绍介绍第一页，共42页。第1页/共42页第二页，共42页。n19962379(lnzhu)颈卸荷槽处断裂后脱轨；n2002年，中华航空611号班机飞往香港途中高空解体坠毁，225人死亡。第2页/共42页第三页，共42页。F6前轮球轴断裂前轮球轴断裂双横臂式前悬挂：广本雅阁、一汽马双横臂式前悬挂：广本雅阁、一汽马6、北奔、北奔-戴克克莱斯勒戴克克莱斯勒300C雅阁、雅阁、F6，其球头方向是向上的，属下挂式，承受车重，过度，其球头方向是向上的，属下挂式，承受车重，过度(gud)疲劳。疲劳。马马6、奔驰等采用是下压式。、奔驰等采用是下压式。在汽车上，大约有在汽车上

2、，大约有90%90%以上的断裂可归结为零件的疲劳失效。以上的断裂可归结为零件的疲劳失效。疲劳失效是汽车零件常见疲劳失效是汽车零件常见(chn(chn jin) jin)及危害性最大的一种失效方及危害性最大的一种失效方式。式。疲劳损坏多发生在承受交变载荷的车架、钢板弹簧、螺旋弹簧、轴和疲劳损坏多发生在承受交变载荷的车架、钢板弹簧、螺旋弹簧、轴和杆类零件。杆类零件。“断轴门断轴门”凯美瑞、锐志、凯美瑞、锐志、F6F6、雅阁、雅阁第3页/共42页第四页，共42页。points and which may culminate in crack or complete fracture after a

3、sufficient number of fluctuations. ASTM E206-72n在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的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永久结构变化的发展过程，称为疲劳第4页/共42页第五页，共42页。n发展过程n疲劳是从开始使用到最后破坏的发展过程载荷谱的描述载荷谱的描述(mio sh)与简化与简化应力集中细节处的应力应变应力集中细节处的应力应变疲劳裂纹萌生和扩展的机理和规律疲劳裂纹萌生和扩展的机理和规律（基础性研究）（基础性研究）疲劳寿命预测与抗疲劳设计方法疲劳寿命预测与抗疲劳设计方法（应用性研究）（应用性研究）第5页/共42页第六页，

4、共42页。静力破坏静力破坏疲劳破坏疲劳破坏一次最大载荷作用下的破坏多次反复载荷作用下的破坏小于屈服极限或强度极限不发生破坏远小于静强度极限甚至小于屈服极限就可能破坏通常产生明显的塑性变形通常没有外在宏观的显著塑性变形，破坏形式像脆性破坏，不易察觉断口粗粒状或纤维状两个区域特征：平滑区，粗粒状或纤维状抗力主要取决于材料本身抗力与材料的组成、构件的形状或尺寸、表面加工状况、使用条件及外部工作环境有关第6页/共42页第七页，共42页。电镜照片(zhopin)铝合金疲劳辉纹图疲劳辉纹是疲劳断口形态的电子疲劳辉纹是疲劳断口形态的电子金相的最重要特征，金相的最重要特征，可以把疲劳条带视为判断疲可以把疲劳条

5、带视为判断疲劳破坏的主要依据。劳破坏的主要依据。第7页/共42页第八页，共42页。R.G.1967）。计算(j sun)带裂纹零件的剩余寿命，损伤容限设计。n20世纪20年代用概率统计方法处理疲劳试验数据，60年代后期可靠性理论应用到疲劳强度设计中。n缺口件名义应力-应变与局部应力-应变的关系诺伊贝尔公式（德，H.诺伊贝尔，1961），1968年加拿大R.M.韦策尔提出估算零件裂纹形成寿命的方法局部应力-应变法。第8页/共42页第九页，共42页。交变应力交变应力: :构件内随时间作构件内随时间作(jinzu)(jinzu)周期性变化的周期性变化的应力应力第9页/共42页第十页，共42页。应力(

6、yngl)静应力(yngl)交变应力ot稳定循环变应力非稳定循环变应力脉动循环应力对称循环应力非对称循环应力规律性非稳定循环变应力随机性非稳定循环变应力第10页/共42页第十一页，共42页。稳定循环应力稳定循环应力对称对称(duchn)循循环应力环应力脉动循环应力脉动循环应力非对称非对称(duchn)循环应力循环应力非稳定非稳定(wndng)循环应力循环应力规律性规律性周期性周期性第11页/共42页第十二页，共42页。常用常用(chn yn)导出量导出量应力幅应力幅平均应力平均应力应力比应力比（循环特征系数）（循环特征系数）描述描述(mio sh)交变应力的交变应力的基本量基本量最大应力，最小

7、应力最大应力，最小应力maxmin2/)(minmaxa2/ )(minmaxmmaxminr设计：用设计：用max，min，直观；，直观；试验：用试验：用m，a，便于加载；，便于加载；分析：用分析：用a，r，突出主要控制参量，突出主要控制参量, 便于分类讨论。便于分类讨论。第12页/共42页第十三页，共42页。对称循环对称循环r=-1脉动脉动(midng)循环循环 r=0或或-静应力静应力 r=1 特例特例主要控制主要控制(kngzh)(kngzh)参量：参量：aa，重要影响参，重要影响参量：量：r r频率和波形的影响是较次要的。频率和波形的影响是较次要的。应力幅应力幅aa反映了交变应力在一

8、个应力循环中变化反映了交变应力在一个应力循环中变化大小的程度，它是使金属构件发生疲劳破坏的根本大小的程度，它是使金属构件发生疲劳破坏的根本原因。原因。第13页/共42页第十四页，共42页。一般情况下，材料所承受的循环载荷的应力幅越小，一般情况下，材料所承受的循环载荷的应力幅越小，到发生疲劳破断时所经历的应力循环次数越长。到发生疲劳破断时所经历的应力循环次数越长。S-NS-N曲线就是材料所承受的应力幅水平与该应力幅下发曲线就是材料所承受的应力幅水平与该应力幅下发生疲劳破坏时所经历的应力循环次数的关系曲线。生疲劳破坏时所经历的应力循环次数的关系曲线。（应力（应力- -寿命曲线）寿命曲线）S-NS-

9、N曲线一般是使用标准试样进行疲劳试验获得曲线一般是使用标准试样进行疲劳试验获得(hud)(hud)的。规定的应力循环特征的。规定的应力循环特征r r（一般为（一般为0 0或或-1-1）试验条件：(1)纯弯曲；(2)完全对称循环；(3)应力幅恒定；(4)频率(pnl)在3000-104次分；(5)小试样有足够大的过渡圆角，表面抛光。SN曲线一般需要15根试样确定，由于测试结果的分散性而应用了统计分析。第14页/共42页第十五页，共42页。在不断降载时，试样的循环次数不断增加，若在某应力下旋转107次仍不断裂，即可认为此应力低于疲劳极限，再选取一较高的应力，若在旋转107次的过程中发生断裂，然后在

10、这两个应力之间进行内插，缩小范围，直到试样在旋转107次过程中发生断裂或不断之间的应力差小于10MPa，便可求出材料的疲劳极限。通常所指的材料疲劳极限是以107次作参考基准的。对一般低、中强度钢，当1400MN/m2,如能经受住107周次旋转弯曲而不发生疲劳断裂，就可凭经验认为永不断裂，相应的不发生断裂的最高应力称为疲劳极限。对高强度钢，在S-logN曲线上，即使达到107周次,曲线仍未出现水平的转折，不存在一个可承受无限周次的循环而永不断裂的应力，这样，要求的疲劳寿命越高，工作(gngzu)应力越低。因此，对高强度钢，人为地规定在108周次时不发生断裂的应力才是疲劳极限。对铝合金，不锈钢取对

11、应N =108周次，对钛合金取107周次的应力来确定疲劳极限。疲劳极限是材料抗疲劳能力的重要性能指标，也是进行疲劳强度的无限寿命设计的主要依据。第15页/共42页第十六页，共42页。曲线(qxin)分为高周疲劳和低周疲劳两个部分。一般来说，低周疲劳发生在10,000个周期之内。曲线(qxin)的形状取决于所测试材料的类型。第16页/共42页第十七页，共42页。双对数(du sh)坐标系下S-N曲线被近似简化成一条直线只对横坐标取对数(du sh)，此时常把S-N曲线近似简化成两条直线斜率：斜率：Basquin准则准则注：该公式只适用于高周疲劳阶段，寿命一般大于10000次CNm条件疲劳极限条件

12、疲劳极限第17页/共42页第十八页，共42页。第18页/共42页第十九页，共42页。第19页/共42页第二十页，共42页。maxminr大多数疲劳测试(csh)是在r=-1（对称循环应力）如果在其他r值下须对S-N曲线修正给定寿命下，循环应力幅与平均应力的关系Haigh曲线(qxin)横轴m：平均拉应力和平均压应力纵轴a：交变常应力幅纵轴交点：m0时，a=-1，对称循环横轴交点：a0时，m=b，静载疲劳极限拉伸强度极限第20页/共42页第二十一页，共42页。11bma常用平均应力修正(xizhng)有古德曼法与戈贝尔法真实测试值位于两者之间，古德曼法偏于保守古德曼法古德曼法戈贝尔法戈贝尔法1)

13、(21bma索特贝尔格法索特贝尔格法11sma第21页/共42页第二十二页，共42页。应的主要原因。n（3）大尺寸试件含有更多的疲劳损伤源，裂纹萌生的概率高，从而导致疲劳强度下降。n尺寸系数：当应力集中和终加工方法相同时，尺寸问d的试样或零件的疲劳极限与几何相似的标准尺寸试样的疲劳极限之比。11d通常由设计(shj)手册查得第22页/共42页第二十三页，共42页。0maxtK零件存在槽沟、轴肩、孔、拐角、切口等不连续部分致使截面形状发生(fshng)突变，引起比名义应力大得多的局部应力集中。缺口处的应力集中是造成零部件疲劳强大幅度下降的最主要因素。应力集中的程度用应力集中系数（又称理论应力集中

14、系数）Kt来描述。maxmax为最大应力，为最大应力，00为载荷除以缺口处净为载荷除以缺口处净截面积所的得平均截面积所的得平均(pngjn)(pngjn)应力（名义应应力（名义应力）。力）。第23页/共42页第二十四页，共42页。wwofK除非是高强度材料，零件的疲劳极限并非随Kt降低想象中那样大，即应力(yngl)集中使零件疲劳强度降低的倍数和它使零件应力(yngl)提高的倍数并不相同。此时应力(yngl)集中系数就无法真实地反映缺口对疲劳强度的影响。因此常用疲劳缺口系数Kf（fatigue notch factor，又被称为有效应力(yngl)集中系数）来更直接地反映疲劳强度的真实的降低程

15、度。w0w0，ww分别为无缺口分别为无缺口(quku)(quku)光滑试样光滑试样和缺口和缺口(quku)(quku)试样的疲劳极限。试样的疲劳极限。Kt与 Kf之不同在于材料对缺口的敏感度Kt第24页/共42页第二十五页，共42页。11tfKKq8 . 1)/2079(0254. 0ba和材料性质的不均匀性增大时q小。还与缺口(quku)的曲率半径有关，因此q并不是材料常数。经验公式(Peterson)：r:缺口(quku)半径；a:材料常数，与材料的强度极限有关)/1/() 1(1raKKtf)/1/(1raq第25页/共42页第二十六页，共42页。修改修改第26页/共42页第二十七页，共

16、42页。n零部件表面状况对疲劳强的影响程度用表面敏感系数表示。n1.表面加工粗糙度n2.表层(biocng)组织结构n3.表层(biocng)应力状态第27页/共42页第二十八页，共42页。高的同时，使缺口敏感性也变高。n对于缺口材料或带有缺口的零部件，提高其疲劳寿命最有效的方法是合理地进行结构设计和工艺选择等手段来设法降低或改进它的应力集中情况。一味地选用高强度钢材，未必能够达到目的，相反在表面较粗糙和尺寸较大的情况下有可能反而使构件的疲劳强度下降。第28页/共42页第二十九页，共42页。 到目前为止，疲劳强度的设计实质上还是基于大量试验结果的估算。近年来已经出现了有关疲劳强度设计的专用软件

17、，使得(sh de)这项工作的效率更高和更易趋于合理准确，但对于它的使用同样需要具有一定的疲劳强度设计的经验。 对于新产品的开发，应至少对于某些重要零部件等，同时进行试验研究和试验验证。如果受试验条件等的限制，可以根据零部件的特点进行合理简化来进行模拟性试验。 诸多纷杂的因素中，对于疲劳强度危害最大的是应力集中。因此，从设计和制造的过程来看，危害最大的第一是结构的不合理；第二是工艺缺陷如焊接缺陷、机械加工缺陷、材料内部缺陷，还包括偶然因素造成的表面伤痕等等；第三是材料的选择。 第29页/共42页第三十页，共42页。第30页/共42页第三十一页，共42页。各种修正：各种修正：平均应力平均应力应力

18、集中应力集中表面表面(biomin)(biomin)状况状况尺寸效应尺寸效应.第31页/共42页第三十二页，共42页。第32页/共42页第三十三页，共42页。第33页/共42页第三十四页，共42页。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而正常工作，也即设计使构件具有(jyu)有限的疲劳寿命。考虑到偶然因素的影响，为确保安全在设计时一般使设计寿命为使用寿命的数倍。第34页/共42页第三十五页，共42页。KKD)11(1KKD)(11KKDnKnmaDaaD1nKnmaDaDa1aD，aD应力比为R时的疲劳极限；m，m平均应力；，平均应力折算(sh sun)系数，对于Goodman方程有=m/b第35页/共42页第三十六页，共42页。iiNnDni第第i级应力水平下经过的应力循环数；级应