疲劳寿命设计方法

寿命设计办法-王光建目录„什么是疲劳失效„无限寿命设计办法S-N曲线(wohlercurve)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„有限寿命设计办法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„疲劳寿命计算的局限性疲劳失效„疲劳是一种机械损伤过程„特点:在这一过程中即使名义应力低于材料屈服强度；破坏前无明显塑性变形，忽然发生断裂„本质：Æ交变载荷+金属缺点Æ金属的循环塑性变形（微观）Æ疲劳普通包含裂纹萌生和随即的裂纹扩展两个过程Æ疲劳是损伤的累积金属内部缺点微裂纹产生裂纹扩展断裂

（晶体位错）疲劳发生过程„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

域是脆性断裂区粗糙的脆性断裂区光滑的疲劳区裂纹源无限寿命设计办法-S-N曲线(Wohlercurve)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的关系曲线„S-N曲线用于描述材料的疲劳特性σS-Ncurve1871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无限寿命设计办法-S-N曲线(Wohlercurve)及疲劳极限„疲劳极限：普通规定，循环次数107所对应的最大应力为疲劳极限σσlimitS-Ncurve无限寿命设计办法-基于疲劳极限的评判„Alternatingstress作为判断应力Alternatingstress=(σmax-σmin)/2„判断原则Alternatingstress<σlimitσσσlimitσ2√S-Ncurveσ×1无限寿命设计办法-考虑平均应力的损伤修正„平均应力不同，交变应力幅值相似的交变应力造成的损伤不同。„平均应力越大，交变应力造成的损伤越大。σ1σ2N1N2无限寿命设计办法-考虑平均应力的损伤修正„Goodmanmethodσaσ1σca修正后的交变应力σmean=(σmax+σmin)/2平均应力σca>σaσa=(σmax-σmin)/2交变应力σu拉伸强度σca例子1有限寿命设计办法„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，疲劳寿命设计重要是确保构件在设计的寿命之内

不发生疲劳破坏，也即设计使构件含有有限的疲劳寿命。有限寿命设计办法-Miner法则（疲劳损伤线性累积）„如何使用S-N曲线作寿命评定->Miner法则„工作过程中，只有一种幅值的交变应力σ例如，σ=60Mpa循环次，造成的损伤：Damage=n/NDamage=1时，疲劳发生NS-Ncurveσstresswithsameamplitude有限寿命设计办法-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σσ1，σ2，σ3各自循环n1,n2,n3次，造成的损伤：Damage=n1/N1+n2/N2+n3/N3=Σni/NiDamage=1时，疲劳发生σ1σ2S-Ncurveσ3stresswithdifferentamplitude有限寿命设计办法-雨流计数法„如何解决复杂交变应力Æ雨流计数法有限寿命设计办法-雨流计数法„雨流法能将应力历程的全部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），与重复塑性应变引发的疲劳损伤机理相符。有限寿命设计办法-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。四峰值比较法能够鉴别相邻四峰谷中与否存在一种应力循环。„但凡出现如图2所示两种状况之一者，必存在一种应力循环。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鉴别时，若存在上述两种状况之一时，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构成新的四个峰谷值。有限寿命设计法-寿命计算Miner法则获取材料S-N曲线Life=(1/damage)*T疲劳损伤度计算寿命计算获得短期实验应力数据雨流法数据解决考虑平均应力的损伤修正T：短期实验时间疲劳寿命仿真计算获取材料S-N曲线Life=(1/damage)*T疲劳损伤度计算寿命计算获得短期实验应力数据仿真获取应力数据„对于复杂的机构，能够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持续应力数据„用仿真的办法能够替代样机实验，从而能在设计早