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
ÆS-N曲线(wohler curve)及疲劳极限Æ基于疲劳极限的评判
Æ考虑平均应力的损伤修正…有限寿命设计方法
ÆMiner法则(疲劳损伤线性累积) Æ雨流计数法Æ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
…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，突然发生断裂…本质：
Æ交变载荷+金属缺陷Æ金属的循环塑性变形（微观）
Æ疲劳一般包含裂纹萌生和随后的裂纹扩展两个过程
Æ疲劳是损伤的累积
金属内部缺陷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
-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
σ
S-N curve 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
σ
σ
limit
S-N curve
-基于疲劳极限的评判
…Alternating stress 作为判断应力
Alternating stress=(σ
- σmin)/2
max
…判断标准
σAlternating stress<σ
limit
σσ
limit
σ
√
2
S-N curve σ
×
1
-考虑平均应力的损伤修正…平均应力不同，交变应力幅值相同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。
σ
1
σ
2
N1N2
-考虑平均应力的损伤修正…Goodman method
σ
a
σ
1
σ
ca 修正后的交变应力
σ
mean =(σmax+ σmin)/2 平均应力
σ
ca
> σa
σa= (σmax - σmin)/2 交变应力
σ
u 拉伸强度σ
ca
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
σ
例如，σ=60Mpa
循环n次，造成的损伤：
Damage=n/N
当Damage=1时，疲劳发生
N
S-N curve σ
stress with same amplitude
-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= n
1/N1 + n2/N2 + n3/N3
=Σn
i/N i
当Damage=1时，疲劳发生
σ1
σ2 S-N curve
σ3
stress with different amplitude
-雨流计数法
…如何处理复杂交变应力Æ雨流计数法
-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
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
获得短期试验应力数据
雨流法数据处理
考虑平均应力的损伤修正
T：短期试验时间
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
获得短期试验应力数据
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，节省时间提高效率
疲劳寿命计算的不足
…试件和实际零件表面状况差别大
σÆ表面状况对疲劳损伤影响较大
…试件疲劳性能散差大
…损伤线性累积法则存在局限性
Æ例如，不同应力幅值应力加载顺序不同，损
伤不同。