ncode培训_实用疲劳理论

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1、1 实用疲劳理论实用疲劳理论 nCode 疲劳耐久性工程高级培训班课程疲劳耐久性工程高级培训班课程 1 2007 nCode 实用疲劳理论实用疲劳理论实用疲劳理论实用疲劳理论 材料的物理性能 疲劳载荷 应力寿命（S-N）法 局部应变法（e-N） 什么是金属疲劳？什么是金属疲劳？ What is Fatigue? Quiz 1: How can you break a metal spoon? Quiz 2: How can you break a ceramic spoon? Quiz 3: Why a metal spoon can be broken, and a ceramic spoo

2、n cannot? 2 金属疲劳失效的原因是什么？金属疲劳失效的原因是什么？金属疲劳失效的原因是什么？金属疲劳失效的原因是什么？ 外因：载荷的变化载荷的变化 内因：金属中有位错金属中有位错 什么是金属疲劳？什么是金属疲劳？什么是金属疲劳？什么是金属疲劳？ 疲劳是一种机械损伤过程， 在这一过程中即使名义应力 低于材料的屈服强度，载荷 的反复变化也将引起失效 疲劳一般包含裂纹萌生和随 后的裂纹扩展两个过程，循 环塑性变形是金属产生疲劳 的主要原因 什么是金属疲劳？什么是金属疲劳？什么是金属疲劳？什么是金属疲劳？ Quiz 4: Can you name a metal fatigue failur

3、e you experienced? 飞机空难飞机空难 (The De Havilland Comet Story)飞机空难飞机空难 (The De Havilland Comet Story) The first passenger jet airliner (1949 - 1980) Suffered two tragic air accidents due to fatigue failure 68 people killed as a result Order books fell by 50 aircraft Ultimately heralded the collapse of t

4、he British civil aircraft industry 火车出轨火车出轨火车出轨火车出轨 汽车零部件失效汽车零部件失效汽车零部件失效汽车零部件失效 Truck frame Manifold Bracket Crankshaft Brake Exhaust pipe Wheel 3 12 2007 nCode 桥梁坍塌桥梁坍塌桥梁坍塌桥梁坍塌 疲劳失效疲劳失效疲劳失效疲劳失效 在美国已经得到确认，由于产 品的疲劳问题所引起的损失占 国民生产总值的 4 左右 (约 1200 亿美元). 中国机械工程手册在第6章“结 构疲劳强度设计”中指出：机 械零构件80以上为疲劳破 坏，因此对于承

5、受循环载荷的 零构件都应进行疲劳强度设计。 疲劳失效所涉及的领域疲劳失效所涉及的领域疲劳失效所涉及的领域疲劳失效所涉及的领域 汽车、航天、航空、航海、能源、国防、铁路、 海洋工程及一般的机器制造等工业领域 铁路 国防 工程车辆 机器 能源 农用车辆 航空航天 轿车 铁路 国防 工程车辆 机器 能源 农用车辆 航空航天 轿车 疲劳失效机理：小裂纹的起始和扩展疲劳失效机理：小裂纹的起始和扩展疲劳失效机理：小裂纹的起始和扩展疲劳失效机理：小裂纹的起始和扩展 1mm 第一阶段第二阶段位错滑移第一阶段第二阶段位错滑移 位错滑移和阶段一裂纹扩展位错滑移和阶段一裂纹扩展 Alternating Stress

6、 Crystal surface Slip bands form along planes of maximum shear giving rise to surface extrusions and intrusions 裂纹起始和扩展裂纹起始和扩展 Formation of a crack causes local stress concentration at the crack tip. The area ahead of the crack is now undergoing cyclic plastic deformation. Crack Stress concentration

7、 4 阶段二裂纹扩展阶段二裂纹扩展 Fast fractureBeacharks due to crack propagation Striations 长裂纹的扩展长裂纹的扩展长裂纹的扩展长裂纹的扩展 多裂纹扩展耦合多裂纹扩展耦合 单裂纹扩展单裂纹扩展 疲劳寿命定义疲劳寿命定义疲劳寿命定义疲劳寿命定义 裂纹起始寿命 裂纹扩展寿命 总寿命 21 2007 nCode 影响疲劳寿命的关键因素影响疲劳寿命的关键因素影响疲劳寿命的关键因素影响疲劳寿命的关键因素 应力或应变范围应力或应变范围 The bigger the range the faster the failure Fatigue lif

8、e reduces exponentially with range Stress Range 平均应力平均应力 Tensile mean accelerates fatigue Compressive mean retards it Viewed conceptually, a tensile mean is acting to force open the crack while the compressive mean is trying to keep it closed 影响疲劳寿命的其它因素影响疲劳寿命的其它因素影响疲劳寿命的其它因素影响疲劳寿命的其它因素 应力集中 表面加工 表面

9、处理 尺寸效应 加载频率、波形对室温疲劳影响很小 23 2007 nCode Hitchhikers Guide to the GalaxyHitchhikers Guide to the Galaxy The Meaning of Life 5 怎样预测疲劳寿命？怎样预测疲劳寿命？ How fatigue life is predicted? 疲劳发展简史疲劳发展简史 疲劳发展简史疲劳发展简史 (1/2)疲劳发展简史疲劳发展简史 (1/2) 1839年，Poncelet 首先使用“疲劳”一词。 1849年，英国机械工程学会（IMechE）辩论结晶理论 1864年，Fairbairn 用交变载

10、荷对船链进行了实验 1871 年，Wohler首先对铁路车轴进行了系统的疲劳研究。 发展了旋转弯曲疲劳试验 ，S-N曲线及疲劳极限概念 1886年，Bauschinger 首先确证了应力-应变滞回线 1903年，Ewing 和 Humphrey 证明结晶理论是不正确的， 指出疲劳是由于塑性变形所引起 1910年，Bairstow 调查了应变循环中的应力-应变响应， 提出了循环硬化和循环软化概念 1920年，Griffith 研究了玻璃中的裂纹，由此诞生了断裂力学 Wohler 疲劳试验疲劳试验Wohler 疲劳试验疲劳试验 1871 年，Wohler 首先对铁路车轴进行了系统的疲劳研究。 发展

11、了旋转弯曲疲劳试验 ，S-N曲线及疲劳极限概念。 Wohler 曲线和疲劳极限曲线和疲劳极限Wohler 曲线和疲劳极限曲线和疲劳极限 Unnotched Shaft Log (Nf , 疲劳循环次数疲劳循环次数) Stress Amplitude 应力幅应力幅 Notched Shaft 光滑试样 缺口试样 应力幅应力幅 (Y) 1 个应力循环个应力循环 疲劳发展简史疲劳发展简史 (2/2)疲劳发展简史疲劳发展简史 (2/2) 1955年，Manson 和 Coffin 研究了应变条件控制下的疲劳， 热循环、低周疲劳及 塑性应变问题。 1959年，Paris 首先提出了一种用断裂力学参数处理

12、 裂纹扩展的方法。 1961年，Neuber 建议了一种方法，估计应力集中处的 弹塑性应力应变。 1968年，Matsuishi 和 Endo 提出了雨流循环计数方法。 1981年，能够进行合理疲劳计算的计算机得到了发展。 1982年，nCode 国际有限公司成立，开发和销售疲劳寿命 预测软件，提供疲劳咨询服务 2002年，nCode推出了 ICE-flow疲劳软件 6 经典疲劳寿命预测技术经典疲劳寿命预测技术 三种基本的疲劳寿命估计方法三种基本的疲劳寿命估计方法三种基本的疲劳寿命估计方法三种基本的疲劳寿命估计方法 S-N (总寿命法) 名义应力或弹性应力和总寿命之间的关系 e-N (裂纹起始

13、寿命法) 局部应变和裂纹起始寿命之间的关系 LEFM (裂纹扩展寿命法) 应力强度因子和裂纹扩展速率之间的关系 这些方法依赖于相似性！ Nf = Ni + NpNf = Ni + Np 总寿命总寿命= 裂纹起始寿命裂纹起始寿命+ 裂纹扩展寿命 名义应力法 裂纹扩展寿命 名义应力法 S-N 局部应变法局部应变法 (e-N) 断裂力学法断裂力学法 nom nom 同样的名义应力，同样的疲劳总寿命同样的名义应力，同样的疲劳总寿命! 名义应力名义应力 (S-N) 法法名义应力名义应力 (S-N) 法法 对付高周疲劳对付高周疲劳 S-N 曲线定义曲线定义S-N 曲线定义曲线定义 Log 应力范围 Log

14、 Nf 总寿命 疲劳极限 1 b1 b2 1 ( ) 1b NCS = 应力范围应力范围 1 个应力循环个应力循环 试样和实际零件的差别试样和实际零件的差别试样和实际零件的差别试样和实际零件的差别 通常没有应力集中 表面光洁度一定 通常不进行表面处理 尺寸一定 常幅加载 均值不变 (通常为 0) 有应力集中 表面光洁度多样 表面可能经过处理 尺寸不同 通常为变幅加载 均值变化 试样试样零件零件 7 局部应变局部应变 (e-N) 法法局部应变局部应变 (e-N) 法法 对付低周疲劳 同样的局部应变，同样的裂纹起始寿命同样的局部应变，同样的裂纹起始寿命! 循环应力应变和应变寿命曲线定义循环应力应变

15、和应变寿命曲线定义循环应力应变和应变寿命曲线定义循环应力应变和应变寿命曲线定义 a aa n Ek =+ 1 a a 循环应力 应变曲线 循环应力 应变曲线 Log Nf Loga ()() a f f b ff c E NN=+ 22 应变寿命 曲线 应变寿命 曲线 裂纹扩展寿命法裂纹扩展寿命法裂纹扩展寿命法裂纹扩展寿命法 应用于损伤容限设计 同样的应力强度因子，同样的裂纹扩展速率同样的应力强度因子，同样的裂纹扩展速率! K-da/dN 曲线定义曲线定义 K-da/dN 曲线定义曲线定义 () d d a N CK m = Kth 1959 年，Paris 首先提出了一种用断裂力学 参数处理裂纹扩展的方法! 1E01E11E2 1E-11 1E-10 1E-9 1E-8 1E-7 1E-6 1E-5 Cross Plot of Data : TESTDATA R=0R=0.5 R=0.8 Delta K Apparent(MPa m1/2) d a / d N ( m/ c y c l e )da/dN K da/dN K IIIIII 其它高等疲劳寿命估计方法其它高等疲劳寿命估计方法其它高等疲劳寿命估计方法其它高等疲劳寿命估计方法 多轴疲劳 频域疲劳 热机疲劳 腐蚀疲劳 复合材料疲劳 接触疲劳 ? 41 2007 nCode 疲劳寿命预测疲劳