旋转机器的振动
结构材料疲劳破坏机理
疲劳破坏过程
结构的疲劳是由于裂纹不断开裂形成最 后的破坏。
对于光滑表面是如何导致疲劳破坏的？
光初滑始表缺陷面的疲劳破坏
滑移
滑移带
初始裂纹(微裂纹)
宏观裂纹
脆性断裂
疲劳初始裂纹的形成
晶粒
疲劳断口特征
包括两部分:光 滑面与粗糙面。
疲劳裂纹扩展
疲劳源区
工程结构的疲劳设计
Rainflow counting algorithm
雨流法
频域分析法
在随机结构振动中，通常采用频域分析 法。
载荷谱 响应谱 窄带响应谱 应力统计分布曲线
Probability
应力标准差
22MPa
Rayleigh Distribution s 0.03
0.025
0.02
0.015
Palmgren-Miner 准则
当材料承受高于疲劳极限应力时，每一个载 荷循环都使材料产生一定的损伤，每一个循 环造成的平均损伤为1/N（N 为对应荷载的 疲劳寿命），n 次恒幅载荷造成的损伤就是 C=n/N.
k
D Di ni /Ni
1
对于变幅的损伤D则为 ni 为i 级载荷的循环
次数，Ni 为第i 级载荷下的疲劳寿n命i 。当损 伤累积到了临界值时就发生破坏。
Miner线性累积损伤理论
变幅载荷谱 计数 S（载荷）－N（循环次数）图
累积损伤度
k
D Di ni /Ni
1
利用Miner理论进行疲劳分析的一般步骤
确定构件在设计寿命期的载荷，选取拟用的 设计荷载或应力水平
选用适合构件使用的的S-N曲线 再用S-N曲线，利用Miner线性累积损伤理论，
结构疲劳设计的几个概念
低周疲劳破坏 高周疲劳破坏 有限寿命疲劳设计（S-N 曲线法） 损伤容限疲劳设计（断裂力学法）
材料的疲劳S-N 曲线
获得材料S-N 曲线的实验方法
加载方法：交变加载， 脉动加载。
试验制备：弯曲，拉伸 I试验过程与曲线获得。
疲劳试验加裁交变应力
疲劳试件
疲劳试验装置
对称循环疲劳试验机Fra bibliotek低周与高周疲劳
按照作用的循环应力的大小
低应力，高疲劳 周期） 疲 劳
Smax < Sy Nf >104
高应力，低变疲 劳周期
Smax > Sy Nf < 104
Smax－循环应力 Sy－屈服应力
高周疲劳也称应力控制疲劳,是大多数结构设计依据。
低周疲劳也称应变控制疲劳，是结构设计应避免的工况，也是 设备检修的依据。
计算损伤 判断是否满足疲劳设计要求。
随机交变应的统计方法
对于恒应力幅的交变应力统计比较方便， 但对于随机应力时程则比较麻烦。
通常有两种方法： 时程分析法 频域分析法
时域统计法
对测量或计算获得的交变应力时程曲线 的幅值进行统计，一般采用雨流法，
雨流法可以将随机交变应幅值“数”出 来，便于采用计算机自动识别。
0.01
0.005
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Stress(MPa)
JZ20－2北高点平台典型应力谱及应力峰概率分布
材料的强度与材料的疲劳强度主要区别？
影响结构疲劳寿命因素
材料的抗疲劳性能 交变应力幅值 交变应力性能循环次数 结构应力集中
结构疲劳设计方法
➢ 无限寿命设计
设计条件为 S S f ，材料的疲劳极限 S f 由材料S-N曲线 给出。
➢ 安全寿命设计
使构件在有限长设计寿命内，不发生疲劳破坏的设计； 以材料S-N曲线和Miner累计损伤理论为基础
工作荷载中的交变荷载 环境荷载中交变性荷载
交变应力
F B
A
a
F
Q
F
M
Fa
F CD
a
F
MR sint
Iy
σ
t
交变应力 (alternative stress ）
——应力随时间交替变化
随机交变应力（应变）
结构受环境荷载作用，大多为随机的 动力响应，表现为随机应力。
随机荷载作用的结构疲劳分析是结构 设计的重要内容。
工程结构疲劳设计
无限寿命设计：使结构永远不发生疲劳 破坏。
有限寿命设计：结构在设计年限内不发 生疲劳破坏。
耐久性设计：应用于结构维修与更换。
相关概念
交变应力 材料疲劳破坏机理 材料疲劳强度 结构疲劳寿命与疲劳设计
交变应力
结构在受到交变荷载作用下，会产生交 变性的应力
交变性载荷通常有两类：
精品
8结构的疲劳失效 与疲劳控制设计2
fatigue failure
In materials science, fatigue is the progressive and localized structural damage that occurs when a material is subjected to cyclic loading. The maximum stress values are less than the ultimate tensile stress limit, and may be below the yield stress limit of the material.
➢ 损伤容限设计
假定构件中存在裂纹，用断裂力学、疲劳裂纹扩展分析 和试验验证，保证在定期检查中发现裂纹之前，裂纹不会 扩展到足以引起破坏。
结构疲劳寿命的估计方法
采用有限寿命方法估计，主要有两方面 的内容一是交变应力，二是循环次数。
恒幅交变应力 随机交变应力
Palmgren-Miner 准则 雨流法：时程分析 应力谱法
关于结构的低周疲劳破坏
结构低周疲劳破坏指在很少的应力循环 周期内，结构就疲劳破坏了。通常只有 几千次。
疲劳设计通常要求高周疲劳破坏。 低周疲劳通常引起事故。
渤海上部管线的振动断裂为低周疲劳破 坏。
海洋平台冰振引起的低周疲劳
冰振引起的上部管线疲劳断裂
Failure part
放空管断口分析
放空管的 断裂断口 宏观特征
断口 与轴 线成 90。
角
断口表面 有较明显 的裂纹源、 裂纹扩展 区、瞬断 区
断口表 面没有 明显的 疲劳弧
线
整个 断口 高低
不平
放空管的 断裂断口 微观特征
疲劳 条带 间距 较大
材料的疲劳强度
材料的疲劳强度是指光滑试件经过多次 各循环加载的破坏强度。
通常材料的疲劳强度用S-N 曲线表示。 S-为破坏强度，N-为对应的循环次数。