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1、1. 疲劳分析背景 在日益严酷的市场竞争中 ， 产品的寿命和可靠性成为人们越来越关注的焦点；每年因结构疲劳大量产品在其有效寿命期内报废 ， 由于疲劳破坏而造成的恶性事故也时有出现。 据统计 ， 每年早期断裂造成的损失达 $1190亿美元， 其中 95% 是由于疲劳引起的断裂 ， 应用疲劳耐久性技术， 其中的 50%是可以避免的 ，因此许多企业将疲劳耐久性定为产品质量控制的重要指标。 在传统的设计过程中 ， 机械产品的疲劳寿命通常是通过一定量物理样机的耐久试验得到 ， 不但试验周期长 、 耗资巨大 ， 而且许多相关参数与失效的定量关系也不可能在试验中得出 ， 试验结论还可能受许多偶然因素的影响。
2、 产品投放市场后 ， 耐久性问题的出现造成许多新产品失去竞争力 ， 给企业带来巨大的经济损失 ，同时又使企业形象蒙受巨大的负面影响。 在中国 ， 疲劳耐久性与可靠性问题更是普遍存在 ， 是国产产品缺乏国际竞争力的最重要因素之一。 随着计算机技术发展而诞生的现代设计技术 ，使企业以较低的成本设计出高耐久性产品成为可能 。 在产品设计阶段采用 ANSYS-SAFE， 可在物理样机制造之前进行疲劳分析和优化设计 ，预测产品的寿命 ， 真正实现等寿命周期设计 ，并可极大地降低制造物理样机和进行耐久性试验所带来的巨额研发费用。2. 疲劳的基本概念 疲劳的定义 当材料或结构受到多次重复变化的载荷作用后，应
3、力值虽然始终没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏。这种在交变载荷作用下材料或结构的破坏现象，就叫做疲劳破坏。 疲劳破坏的特征 材料力学是根据静力试验来确定材料的机械性能（比如弹性极限、屈服极限、强度极限）的，这些机械性能没有充分反映材料在交变载荷作用下的特性。因此，在交变载荷作用下工作的零件和构件，如果还是按静载荷去设计，在使用过程中往往就会发生突如其来的破坏。 疲劳破坏与传统的静力破坏有着许多明显的本质区别： 静力破坏是一次最大载荷作用下的破坏；疲劳破坏是多次反复载荷作用下产生的破坏，它不是短期内发生的。 当静应力小于屈服极限或强度极限时，不会发生静力破坏；而交变
4、应力在远小于静强度极限，甚至小于屈服极限的情况下，疲劳破坏就可能发生。 静力破坏通常有明显的塑性变形产生；疲劳破坏通常没有外在宏观的显著塑性变形迹象，即便是塑性良好的金属也这样，就象脆性破坏一样，事先不易觉察出来，这表明疲劳破坏具有更大的危险性。 在静力破坏的断口上，通常只呈现粗粒状或纤维状特征；而在疲劳破坏的断口上，总是呈现两个区域特征，一部分是平滑的，另一部分是粗粒状或纤维状。因为疲劳破坏时，首先在某一点产生微小的裂纹，其起点叫“疲劳源”，裂纹从疲劳源开始，逐渐向四周扩展。由于反复变形，裂开的两个面时而挤紧，时而松开，这样反复摩擦，形成一个平滑区域。在交变载荷继续作用下，裂纹逐渐扩展，承载
5、面积逐渐减少，当减少到材料或构件的静强度不足时，就会在某一载荷作用下突然断裂，其断裂面呈粗粒状或纤维状。 静力破坏的抗力主要取决于材料本身；而疲劳破坏的抗力与材料的组成、构件的形状或尺寸、表面状况、使用条件以及外界环境都有关系。3. 疲劳破坏基本知识疲劳破坏的断口形状3.1 疲劳失效的三个阶段裂纹的产生、扩展和断裂三个阶段。其中裂纹产生阶段占了整个疲劳寿命的极大部分。疲劳失效的三个阶段Initiation Propagation FractureSurface3.2 疲劳载荷的简单描述maximum load = Pmaxminimum load = Pminload range P = Pm
6、ax- Pminload amplitude Pa = P/2 （ 载荷振幅）(also called alternating load)mean load Pm= (Pmax+Pmin)/2 load ratio R = (Pmax)/(Pmin) (载荷比 循环特征 )amplitude ratio A = (Pa)/(Pm) （ 振幅比） 3.3 耐久曲线如对于钢，可能有107个循环的耐久极限。表示无论经过多少次循环，只要应力幅值小于耐久极限应力，则将不会引起疲劳破坏。Load Amplitude PaEndurance limit耐久曲线（可对载荷幅值和循环次数都取常用对数log10）
7、疲劳测试结果4. 疲劳数据的推广 对于特定部件的应力幅和耐久曲线的关系并不通用，当部件的形状改变后即无效。要使这个关系广泛使用，要在三个方面进行推广： 使常数幅值的耐久曲线用于分析复杂的载荷历程； 从光滑试件测得的耐久曲线用于不同形状的零件上； 从一种材料测得的耐久曲线用于计算另一种材料的疲劳寿命并且如果可能的话，不用进行疲劳试验就可估算材料的疲劳特性。4.1 复杂载荷分析两部分常数幅值载荷组成的载荷历程 假设该载荷历程不断重复，直至零件破坏 实际的疲劳分析要求能计算承受各种不同幅值的复杂载荷的零件的疲劳寿命 如果载荷只是由前页较大幅值 Pa1组成，可从耐久曲线图( 左图 )中得到，当循环次数
8、n1等于破坏时的循环次数 N1时，零件发生破坏。显然，此时n1/N1=1。 同理， 如果载荷只是由前页较小幅值Pa2组成，由右图有，破坏时n2/N2=1。 要计算组合载荷作用下的寿命。假设各种幅值的载荷单独作用，则当 n/N=1时发生破坏。 对于两种载荷组合，则当 n1/N1+n2/N2=1 时，零件发生破坏。 对于更加复杂的载荷，其中有多种不同的幅值，发生疲劳破坏的条件为： nN= 1 一个实例 载荷组成 10 cycles of a load amplitude 100 kN 2000 cycles of a load amplitude 10 kN Load amplitude Appl
9、ied cycles Endurance n/N 100 10 1040.001 10 2000 1060.002 0.003 计算得总的 (n/N) = 0.003 根据 Miners 法则 ，当总和值 (n/N) = 1时 ，将发生破坏。 即当上述的载荷组合重复次数为333次时， 将会发生破坏。 因此计算的寿命也就为载荷历程重复 333次 。4.2 耐久曲线在不同形状构件中的应用 尺寸突变处局部应力和应变远大于传统的按工程应力分析计算的值 须在载荷历程中有局部塑性，才会出现疲劳裂纹。 现代疲劳理论将疲劳耐久力与裂纹开始点的局部应力和应变联系起来，理论中就包含了局部塑性，这也是临界位置或局部
10、应力- 应变理论。 早期的方法是用传统的弹性应力分析来计算疲劳寿命和工程应力的关系，耐久曲线表示应力幅值和破坏时的循环次数之间的关系，也叫做应力- 寿命曲线或者S-N曲线。 以上两种分析方法，材料数据都是从光滑的圆柱试样在常数幅值的载荷作用下测得的，这些数据可通过引入应力集中因子而应用于复杂的零部件上。 上页图中XX截面上的平均应力为是名义应力，如果所有的应力是弹性的，则最大的局部应力和名义应力的比值为应力集中因子：Kt= (槽口处局部应力)/(名义应力) 下图为一开槽试样的应力集中系数曲线，对许多材料而言，实际的疲劳强度略高于它。要正确的确定实际疲劳强度需要材料的缺口敏感性方面的知识。 应用
11、S- N曲线，光滑试样的耐久极限应力幅除以应力集中因子Kt就得到同样耐久力情况下缺口部分的疲劳强度估计值。drr/dKt1.02.03.00 0.15 0.3P PStress S = P/AA =d24 较低的疲劳耐久力时，缺口处疲劳强度的计算更复杂，因为Kt 是弹性应力集中系数，而缺口处的应力会显示出塑性。下图为开口部分的耐力极限。 当应力为弹- 塑性时，局部应变和工程应力疲劳方法都包含了计算开口效应的方程。Stress amplitude SaEndurance Nf cyclesSmooth specimenNotched component4.3 平均应力的影响 平均应力会影响到疲劳
12、寿命，对于同样的应力幅值，平均应力越高，疲劳寿命越短。因此疲劳分析中还必须进行平均应力修正。 下图曲线表示了平均应力对疲劳寿命的影响。R = -1R = 0Stress amplitude SaEndurance Nfcycles4.4 影响疲劳强度的其他因素 构件尺寸的影响 裂纹产生阶段占了整个疲劳寿命的极大部分，疲劳裂纹的产生与表面应力、应变及表面其它特征有关。 对于受弯构件，尺寸大的比尺寸小的应力梯度小，承受高应力的材料的体积就越大，因此其疲劳寿命比尺寸小的就更短。 同理，轴向受力构件比受弯构件疲劳寿命短。参考下页的图示。 通常在常数幅值的载荷作用下，轴向受力的钢试件的耐久极限应力仅为受
13、弯构件的70% 。弯曲中测得的大、小试件在靠近表面处承受较大应力的材料的体积 由于疲劳裂纹的产生是表面现象，对构件表面的任何处理都会极大的影响到疲劳强度。这些重要因素包括： 表面质量：打磨、车加工、轧制 、铸造、锻压。 表面处理：电镀或包层。 由于装配过程或喷丸硬化、滚压等特殊处理引入的残余应力。 运用环境：腐蚀性气体、盐水腐蚀和使用温度。 接触面间的微振磨损。-表面光洁度的影响如下图有效的应力集中因子Ksurface是下图所示的表面光洁度系数的倒数。 Ksurface乘以几何应力集中因子Kt得到几何和表面光洁度的组合影响表面光洁度修正系数-环境影响环境对疲劳强度的影响-镀镍对疲劳强度的影响钢
14、的表面镀镍对疲劳强度的影响-微振磨损会降低疲劳强度微振磨损对钢的疲劳强度的影响-残余应力的影响 残余应力对耐久力的影响比较有限，因为与低周疲劳关联的局部屈服将消除由喷丸硬化和滚压引起的残余应力。 在疲劳计算中，通常没有考虑加载的频率和波形的影响，测试表明20Hz 和20kHz 的频率只对疲劳破坏寿命有轻微影响。 光滑试件的测试数据是从单轴应力试件得到的。构件上经常会出现双轴应力，比如说单轴加载构件上的应力集中处。双轴应力部分的疲劳寿命从数量级上就小于单轴耐力曲线所表示的疲劳寿命。-另外的考虑5. 疲劳分析基本方法 用于分析单轴数据，应力幅用于计算疲劳寿命。单轴数据在实际问题中出现较少，通常推荐
15、采用多轴算法。 这种算法可通过S -N曲线和使用局部应变材料数据来完成。 当使用局部应变材料数据时，疲劳寿命曲线由下式确定： 否则，寿命曲线由材料数据库中给定的SN 值来确定。 Goodman、Gerber 或不进行平均应力修正在后面讲解。2= f(2Nf)b5.1 单轴应力寿命分析5.2 单轴应变疲劳寿命算法 用于分析单轴数据，弹、塑性应变幅可用于计算疲劳寿命。单轴数据在实际问题中出现较少，我们通常推荐采用多轴算法。2= f(2Nf)b 真实的局部应力幅和耐久性之间的关系： 真实的局部应变幅和耐久性之间的关系：2= fE(2Nf)b+ f(2Nf)c 平均应力修正的三种等效寿命方程如下： Smith-Watson-Topper 平均应力修正 ： Morro ws平均应力修正 ： 不进行平均应力修正：2max= f2E(2Nf)2b+ ff(2Nf)b +c2= f- mE(2Nf)b+ f(2Nf)c2= fE(2Nf)b+ f(2Nf)c5.3 Goodman、 Gerber平均应力修正 应力周
