疲劳计算影响因素课件.ppt

1、疲劳计算影响因素：疲劳计算影响因素：o服役中的各种航天飞行器，压力容器，核电站，发电厂以及交通运输工具中的一些主要零部件通常是承受复杂的多轴比例与多轴非比例交互循环载荷的作用。早期处理复杂应力状态下的多轴疲劳问题时，将多轴问题利用静强度理论等效成单轴状态，然后利用单轴疲劳理论处理复杂的多轴疲劳问题，这样的处理方法在处理比例加载下的多皱疲劳问题是有效的。但是实际工程结构和设备的重要结构零部件，很多是在非比例多轴加载下的特性，尤其是在非比例多轴加载作用下的特性，尤其在非比例变幅加载下，不能像单轴加载情况那样进行简单的循环计数，因此单纯利用传统的单轴疲劳强度理论来预测其寿命疲劳损伤将会产生很大的困难

2、。o结构失效的一个常见原因是疲劳,其造成破坏与重复加载有关。疲劳通常分为两类:oHCF高周疲劳是当载荷的循环（重复）次数高(如1e4-1e9)的情况下产生的。因此，应力通常比材料的极限强度低。应力疲劳（Stress-based）用于高周疲劳.oLCF低周疲劳是在循环次数相对较低时发生的。塑性变形常常伴随低周疲劳，其阐明了短疲劳寿命。一般认为应变疲劳（strain-based）应该用于低周疲劳计算，低周疲劳发生在10,000 个周期之内。o在设计仿真中,疲劳模块拓展程序（Fatigue Module add-on）采用的是基于应力疲劳（stress-based）理论，它适用于高周疲劳。单轴疲劳和

3、多轴疲劳o如果单纯从所受应力状态来分析，则疲劳可以大体上分为单轴疲劳和多轴疲劳。o单轴疲劳：材料或零件在单向循环载荷作用下所产生的失效现象，这时零件承受单向正应力（应变）或单向切应力（应变），如只承受单向拉压循环应力、弯曲循环应力或扭转循环应力。o多轴疲劳：多向应力或应变作用下的疲劳，也称为复合疲劳。多轴疲劳损伤发生在多轴循环加载条件下，加载过程中有两个或三个应力（应变）分量独立地随时间发生周期性变化。这些应力（应变）分量的变化可以是同位的，按比例的，也可以是非同相，非比例的。疲劳分类o根据应力状态的不同可以分为：1）单轴疲劳：单向循环应力作用下的疲劳，这时零件只承受单向正应力或者是单向切应力

4、。例如只承受单向拉压循环应力、弯曲循环应力、扭转循环应力2）多轴疲劳：多向应力作用下的疲劳，也称为复合疲劳。例如弯扭组合疲劳、双轴拉伸疲劳、三轴应力疲劳。o根据载荷作用的幅度和频率可以分为：1）恒幅疲劳：交变应力的幅度和频率都是不变的。2）变幅疲劳：交变应力的幅度变化，而频率不便。3）随机疲劳：应力幅度和频率都是在随机变化的。o根据载荷工况和工作环境可以分为：1）常规疲劳2）高低温疲劳3）机械疲劳4）热疲劳5）热-机械疲劳6）腐蚀疲劳7）接触疲劳8）微动磨损疲劳9）冲击疲劳泊松比p在材料的比例极限内，由均匀分布的纵向应力所引起的横向应变与相应的纵向应变之比的绝对值。比如，一杆受拉伸时，其轴向伸

5、长伴随着横向收缩，材料的泊松比一般通过试验方法测定。p主泊松比PRXY，指的是在单轴作用下，x方向的单位拉（或压）应变所引起的y方向的压（或拉）应变.p次泊松比NUXY，它代表了与PRXY成正交方向的泊松比，指的是在单轴作用下，y方向的单位拉（或压）应变所引起的x方向的压（或拉）应变。PRXY/NUXY=EX/EY 对于正交各向异性材料，需要根据材料数据分别输入主次泊松比，但是对于各向同性材料来说，选择PRXY或NUXY来输入泊松比是没有任何区别的，只要输入其中一个即可。影响疲劳寿命分析的因素o材料（material）o载荷（loading）o定义（definition）o分析选项（analy

6、tical options）o寿命单位（life unit）材料（material）o疲劳强度因子（fatigue strength factor）疲劳分析计算完毕后，根据疲劳强度因子Kf修正 应力或者应变疲劳曲线。This setting is used to account for a real world environment that may be harsher than a rigidly-controlled laboratory environment in which the data was collected。Common fatigue strength reduct

7、ion factors to account for such things as surface finish can be found in design handbooks。载荷（loading）o载荷类型（type）1）zero-based 2）fully-reversed 3）ratio 4）history datao比例因子（scale factor）)(;)(;minmaxminmaxmaxminmaxminr2minmaxa2minmaxm循环特征应力幅平均应力 mt对称循环对称循环1maxminrmaxa0m min max aT r=1对称循环变应力t 脉动循环0maxmi

8、nrmax2am min max at m m min maxr=0脉动循环应力疲劳的定义（definition）o定义：“由单次作用不足以导致失效的载荷的循环或变化所引起的失效”。o征兆：局部区域的塑性变形所导致的裂纹。此类变形通常发生在零部件表面的应力集中部位，或者表面上或表面下业已存在但难以被检测到的缺陷部位。尽管我们很难甚至不可能在FEA 中对此类缺陷进行建模，但材料中的变化永远都存在，很可能会有一些小缺陷。FEA 可以预测应力集中区域，并可以帮助设计工程师预测他们的设计在疲劳开始之前能持续工作多长时间。疲劳寿命分析方法无限寿命设计方法 无限寿命设计方法包括名义应力法和局部应力-应变法

9、。它是最早的抗疲劳设计方法，其出发点是零件在设计应力下能够长期安全使用。无限寿命设计方法适用于以下情况：1、零件在低于疲劳极限的应力下具有无限寿命。也就是说，当零件的应力小于疲劳极限时，零件能够长期安全使用。2、地面是固定不动的民用机械的重量常常没有严格的限制，往往使用无限寿命法设计。无限寿命法常常是先用静强度设计确定出零件尺寸，再用这种方法进行疲劳强度校核。疲劳寿命分析方法名义应力有限寿命设计法o有限寿命设计法仅仅保证机器在一定的使用期限内安全使用。它允许零件的工作应力超过疲劳极限，重量可以比无限寿命法设计的轻。像飞机、汽车等对重量有较高要求的产品，都使用这种设计方法进行疲劳设计。o名义应力

10、法以名义应力为设计参数，从材料的S-N曲线出发，考虑各种因素影响，得出零件的S-N曲线，并根据零件的S-N曲线进行疲劳设计。疲劳寿命分析方法名义应力有限寿命设计法o有限寿命设计法常常成为安全寿命设计法。它是无限寿命设计法的直接发展。两者的基本参数都是名义应力，其设计思想也大体相似，都是从材料的S-N曲线出发，考虑各种因素影响，得出零件的S-N曲线，并根据零件的S-N曲线进行疲劳设计。o所不同的是，有限寿命设计法使用的是S-N曲线的左支斜线部分，亦即有限寿命部分。另外，由于斜线部分的疲劳寿命各不相同，因此在对材料的S-N曲线进行修正时，要考虑循环数对各影响系数的影响。o另外，无限寿命的设计应力都

11、低于疲劳极限，因此比设计应力低的低应力对零件的疲劳强度没有影响，设计计算时不管实际的工作应力如何变化，只需要按照最高应力进行强度校核即可。o而进行有限寿命设计时，设计应力一般都高于疲劳极限，这时就不能只考虑最高应力，而需要按照一定的累积损伤理论计算总的疲劳损伤。疲劳累积损伤理论（线性）oPalmgren-Miner（帕尔姆格伦-迈因那）线性累积损伤理论系指在循环载荷作用下，疲劳损伤与载荷循环数的关系是线性的，而且疲劳损伤可以线性累加，各个应力之间相互独立和互不相关；当累加的损伤达到某一数值时，试件或构件就发生疲劳破坏。线形累积损伤理论中最典型的理论是MinerPalmgren理论，简称Mine

12、r理论。疲劳累积损伤理论（线性）oMiner理论的物理背景:1、在任意等幅疲劳载荷下，材料在每一应力循环中吸收等量的净功，净功累积到临界值，即发生疲劳破坏；2、在不同等幅及变幅疲劳载荷下，材料最终破坏的临界净功全部相等；3、在变幅疲劳载荷下，材料各级应力循环中吸收的净功相互独立，与应力等级的顺序无关。疲劳累积损伤理论（线性）oMiner理论对三个问题的回答:1、一个循环造成的损伤为2、等幅载荷下，n个循环造成的损伤为 变幅载荷下，n个循环造成的损伤为1=DN=nDN11niiDN式中N 是对应于当前载荷水平的疲劳寿命式中N i是对应于当前载荷水平Si的疲劳寿命疲劳累积损伤理论（线性）3、临界疲

13、劳损伤Dcr。若是常幅循环载荷，显然当循环载荷次数n等于其疲劳寿命N 时，发生疲劳破坏，111ncriiDNMiner理论可以认为是线性损伤、线性累积循环比理论，其成功之处在于大量的实验结果(特别是随机谱试验)显示临界疲劳损伤DCR的均值确实接近于1，在工程上因简便而得到广泛的应用，其他确定性的方法则需要进行大量试验来拟合众多参数，精度并不比Miner理论更好。Miner理论的主要不足是：a损伤与载荷状态无关；损伤与载荷状态无关；b累积损累积损伤与载荷次序无关；伤与载荷次序无关；c不能考虑载荷间的相互作用。不能考虑载荷间的相互作用。应力设计范围e1e1mkmiiinN式中：K 为应力谱中不同应

14、力范围的总数。ni 对应于应力范围 的应力循环次数。N 设计寿命期间内所有应力范围下的循环数的总和。第i级应力范围值。ii线性累积损伤准则假定各应力幅出现的先后顺序不影响疲劳寿命o在按有关标准规则，或根据工作载荷或依赖类似结构的数据编制出载荷谱后，一般将其循环次数表示，采用Palmgren-Miner规则进行累积损伤计算，即 式中：ni 载荷谱中应力范围为 的循环次数 Ni 根据相关接头细节得到的常幅应力范围 的疲劳寿命。12211iiNnNnNnii疲劳累积损伤理论（非线性）o自Miner准则提出以来，针对其不足，提出了大量的累积损伤理论，其中绝大多数为损伤非线性、等累积损伤理论。这些理论大

15、致可分为5类：1、基于损伤曲线法的非线性累积损伤理论；2、基于材料物理性能退化概念的非线性累积损伤理论；3、基于连续损伤力学概念的非线性累积损伤理论；4、考虑载荷间相互作用效应的非线性累积损伤理论；5、基于能量法的非线性累积损伤理论。o基于损伤曲线法损伤曲线法的非线性累积损伤理论这类模型最早由Marco-Starkey（马科与斯塔基）提出，后来Manson-Halford等发展了不同的损伤曲线法。oMarco-Starkey用该模型很好地解释了被广泛引用的两级载荷作用下的载荷次序效应，但没有给出幂指数 的具体表达式，Manson-Halford基于有效微观裂纹增长的概念完善了该模型，并给出材料

16、常数=0.4。o此类模型可称之为损伤幂指规律、等损伤累积规律。Manson理论对两级载荷试验的结果吻合较好，但并没有证明对多级或随机载荷有效，另外该模型无法考虑载荷间的相互作用效应。o基于材料物理性能退化材料物理性能退化概念的非线性累积损伤理论oBui-Quoc发展了一系列的混合模型，这些模型可以考虑平均应力和平均应变作用以及高温疲劳、蠕变疲劳作用下的疲劳累积损伤。o叶笃毅的韧性耗散模型虽然具有较好的物理基础，但在最后的损伤表达式中只含一个参量，即循环数，不含其他力学参量，实际上是另一种形式的幂指数模型，其优点是形式简单，不需要其他试验常数，但同样它也不能考虑载荷间的相互作用。o基于连续损伤力

17、学连续损伤力学概念的非线性累积损伤理论o疲劳损伤的发展是一个不可逆的能量耗散过程，耗散的能量可分解为外状态变量与内状态变量，内状态变量反映材料内部结构状态的变化，当其变化到一定程度时，材料便丧失了抗疲劳的能力，以致发生疲劳破坏。从这一概念出发并假设：a加载过程中材料中的不可逆应变仅为微观塑性应变；b损伤变化率对有效应力的影响很小。o于是得出疲劳损伤部分的非线性的损伤演变方程。新兴的损伤力学研究方法已应用到疲劳研究领域，损伤力学方法以热力学原理为背景，借助严密的数学、力学概念建立表征损伤演变规律的发展方程。此法突破了维象研究的范畴。研究前景广阔。其不足是理论性很强，材料常数难以确定，现阶段尚难于

18、在工程上推广。o考虑载荷间相互作用效应载荷间相互作用效应的非线性累积损伤理论o考虑载荷间相互作用效应的非线性累积损伤理论有三类。第一类包括Corten-Dolan模型和Freudenthal-Heller模型（科尔顿与多兰）。这两种模型都是基于对S-N 曲线的修改。Spitzer和Manson对上述模型做了改进。第二类和第三类模型均由Bui-Quoc提出，第二类模型称之为假想载荷法。第三类模型基于对循环比的修正。目前只有Corten-Dolan模型在工程上有应用。oCorten-Dolan损伤理论使用二级程序试验测定材料常数值，并认为材料常数值不变。但实际上二级程序试验与结构件承受的随机载荷谱

19、有很大不同，而且材料常数值并非不变，是随载荷的增大而降低的，所以工程应用时，为了可靠，Corten-Dolan损伤理论仍需做大量的试验。o基于能量法能量法的非线性累积损伤理论oInglis首先发现滞后能与材料疲劳行为间的关系，随后Halford和Niu等发展了多种基于能量法的疲劳累积损伤理论。o由于损伤与加载的过程有关，因此模型可以考虑载荷次序效应以及载荷间的相互作用效应，同时该模型还考虑了加载过程中应变硬化指数的变化。模型的理论性强，但需要确定的参数多，因而难于在工程上推广。o任何一个理论或模型，都应具有四大特性：可证性、可适性、可验性、可行性。疲劳累积损伤理论目前尚不完善，根本原因在于疲劳

20、损伤演化机理十分复杂。对照上述四大特性，Miner线性疲劳累积损伤理论具有很好的可证性、可适性、可验性、可行性，因而仍在工程上得到广泛的应用。特别是当结构或材料受到随机载荷作用时，如果随机载荷系列中的疲劳载荷几乎都处于HCF区，用Miner线性疲劳累积损伤理论就足够了；如果随机载荷系列中有相当比例的疲劳载荷处于LCF区，则用相对Miner法则效果较好。o基于材料物理性能退化概念的非线性累积损伤理论，基于连续损伤力学概念的非线性累积损伤理论，以及基于能量法的非线性累积损伤理论，具有很强的物理基础和严密的数学逻辑证明，能够考虑多种疲劳现象，因此此类模型有很广阔的应用前景，但是，由于缺少实验数据的支

21、持，此类模型目前很难在工程上得到应用。分析选项（analytical options）o应力寿命：这种方法仅基于应力水平，只使用方法。尽管不适用于包含塑性部位的零部件，低周疲劳的精确度也乏善可陈，但这种方法最容易实施，有丰富的数据可供使用，并且在高周疲劳中有良好的效果。o 应变寿命：这种方法可以对局部区域的塑性变形进行更详细的分析，非常适合低周疲劳应用。但是，结果存在一些不确定性。o线性弹性破坏力学（LEFM）：这种方法假设裂缝已经存在并且被检测到，然后根据应力强度预测裂缝的增长。借助计算机代码和定期检查，这种方法对大型结构很实用。由于易于实施并且有大量的材料数据可用，SN 是最常用的方法。分

22、析选项o平均应力理论：“SN-None”：忽略平均应力的影响 Goodman：适用于低韧性材料,对压缩平均应力没能做修正。Soderberg：更保守,并且在有些情况下可用于脆性材料.Gerber：能够对韧性材料的拉伸平均应力提供很好的拟合,但它不能正确地预测出压缩平均应力的有害影响。Mean stress curves：使用多重S-N曲线（如果定义的话）p应力分量pBin size分析选项 Goodman.（英国人，古德曼）提出了著名的简化直线Goodman图，对压缩平均应力没能做修正。通常适用于脆性（低韧性材）材料。分析选项oSoderberg（盖帕尔）：更保守，并且在有些情况下可用于脆性材

23、料。给出疲劳寿命的保守估计。分析选项oGerber（格伯）研究了平均应力对疲劳强度的影响，提出了Gerber抛物线方程：能够对韧性材料的拉伸平均应力提供很好的拟合，但它不能正确地预测出压缩平均应力的有害影响。Goodman 图表这三种方法都只能应用于所有相关联的S-N 曲线都基于完全反转载荷的情况。而且，只有所应用疲劳载荷周期的平均应力与应力范围相比很大时，修正才有意义。上图显示了交替应力、材料应力极限和载荷平均应力之间的关系。实验数据显示，失效判据位于Goodman 曲线和Gerber 曲线之间。这样，就需要一种实用的方法基于这两种方法并使用最保守的结果来计算失效。pGoodman：适用于低

24、韧性材料,对压缩平均应力没能做修正。pSoderberg：更保守,并且在有些情况下可用于脆性材料。pGerber：能够对韧性材料的拉伸平均应力提供很好的拟合,但它不能正确地预测出压缩平均应力的有害影响。01mmaay01mmaaTS201mmaaTS 表示非零平均应力疲劳强度的应力幅值 是全更迭加载的（固定寿命的）应力幅值 屈服强度 拉伸强度01mmaaTSa0mayTS分析选项p快速雨流法计数（quick rainflow counting）p最大次数（infinite life）p最多点数（Maximum data points to plot）o峰值计数法：对载荷波形中落在了各载荷等级中

25、的所有峰值（波峰和波谷）的数目进行统计技术，这种方法记录了载荷波动的信息，但是夸大了实际载荷时间历程中小载荷波动的幅值，即夸大了载荷对机件的损伤程度，因此偏于保守。o变程计数法（振幅计数法）：只计及载荷时间历程中波峰和波谷之间的距离，而不考虑该振程距零载荷的距离，它考虑了影响机件寿命的主要因素振幅，但是忽略了载荷的静态分量。o雨流计数法（塔顶计数法）：根据材料的应力-应变过程进行计数，统计应力循环（或半循环）的大小和频次，较为符合材料的应力-变循环的特性，最适合进行寿命估计。o雨流技术法的方法如下：1）雨流的起点依次从每个峰值的内侧开始，波形左半部为内侧；2）雨点在下一个峰值落下，直到对面有一

26、个比开始的峰值更大的峰值为止，也就是说比开始的最大值更大的值或者比最小值更小的值为止；3）当雨流遇到来自上面屋顶留下的雨时，就停止；4）按以上过程取出所有循环，并记下各自的变程；5）再按照正负斜率去除所有半循环，记下各自的变程；6）把取出的半循环按修正的“变程对”计数法配成全循环。o应该注意的是，应变-时间记录的每一部份只计而且仅计数一次。一个基本假设是一个大的幅值所引起的损伤并不受夹在大循环中的小幅值循环所引起的应力-应变回线而截断的影响。o可见，对于交变载荷下的应力波形，最合理的统计方法为雨流技术法。寿命单位（life unit）o循环次数oBlocko秒（seconds）o分钟（Minutes）o小时（Hours）