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1、fe-safe软件基础培训资料01第一天培训内容1. 基本概念掌握下述基本概念:11疲劳结构在动载荷作用下，形成裂纹或完全断裂的过程。构件作用动载荷有如下形式：恒幅循环载荷、变幅循环载荷、随机载荷等。载荷范围AS=Smax-Smin；载荷幅：Sa=(Smax-Smin /2平均载荷Sm=(Smax+Smin)/2；载荷比：R=Smin/Smax12疲劳寿命构件在动载荷作用下，产生疲劳裂纹或疲劳断裂所需的载荷历程长度值，实际工程中可 以用载荷循环次数、载荷作用时间、部件工作里程等来度量。又称为Life或endurance limit （循环次数）。13寿命曲线构件在不同载荷幅作用下，有不同的疲劳
2、寿命。描述结构的载荷幅疲劳寿命的关系曲线 称为寿命曲线（如下左图示）。一般有应力（幅）-寿命、应变（幅）-寿命曲线。应力（幅）-寿命曲线常表示成log10Sa-log10N的关系曲线（如下由图示）。I I?I?1?I?irv jt 破怖吋討应的循环次数肚14耐劳极限幅值（Endurance Limit Amplitude）当作用的载荷幅低于某容许值时，构件不会产生疲劳破坏，将该容许值称为构件的耐劳 极限幅值（如右上图示）。对钢材，以1E7为失效循环允许的载荷施加次数，对应有一个耐劳 极限幅值。1.5.损伤damage1 I构件的载荷循环次数与其允许循环次数的比值，称为损伤。一般地，损伤值为1意
3、味着 构件失效。在右图中，假设某构件在载荷幅P1的允许循环次数为N1（即经过N1次循环就会 破坏），若构件已经历了 n1次片作用循环，则产生的损伤可定义为:16可靠性指规定寿命下构件在材料属性、载荷等随机变化时的失效概率或存活概率。17无限寿命设计对于极其重要的零件设计，一般控制应力S,使其小于无限寿命（Nf=1e6）对应的耐劳 极限Sf,该种疲劳设计方法称为无限寿命设计。该设计方法要求将构件应力控制在很低的水 平，材料潜力得不到充分发挥，对于并不需要经受很多循环次数的构件，就显得很不经济。1.8.有限寿命设计：使结构在有限长寿命不发生疲劳破坏的设计，也称为安全寿命设计。基于结构疲劳应力 特点
4、，可以采用应力疲劳分析方法（应力处于高周疲劳区）和应变疲劳分析方法（应力处于 低周疲劳区）。1.9. 安全系数强度因子 FOS（Factors of Strength ）：构件满足规定寿命 N0 时的载荷放大系数，即当构 件作用的载荷以该系数比例放大后，构件的使用寿命刚好为规定寿命。如下图示，构件承受 的载荷幅为AP,则在规定寿命NO下的强度因子可定义为：FOS =竺疲劳安全因子FRF （Fatigue Reserver Factors）：用于无限寿命（如1E7次）设计中的Goodman/Higer 准则，为FRFV （应力幅安全因子）、FRFH （平均值安全因子）、FRFR （径向值安全因子
5、）的最小值。对A点情况下的应力，相关定义为：FRFV=OE/OC； FRFH=OF/OB； FRFR=OD/OA；1.10. 损伤容限设计方法用应力强度因子的幅值来描述裂纹扩展速率、进而对裂纹扩展寿命进行预测的设计方法 该法主要用于初始裂纹不能忽略的航空类零件疲劳分析。111耐久性设计方法以经济寿命为控制目标，考虑全部可能出现的裂纹群，并综合考虑安全、功能、使用经 济性的疲劳设计方法。2. 疲劳理论介绍2.1.早期疲劳理论基于工程应力的应力幅-循环失效次数曲线（S-N曲线）；不能很好考虑疲劳破坏构件的 典型因素如构件的圆孔、槽沟、过渡圆弧细节。用于本质上是弹性工作、无限寿命的构件。22现代疲劳
6、理论考虑疲劳裂纹产生时的局部应力、局部应变与耐劳寿命的关系，并考虑塑性影响。也称 为临界位置、局部应力-应变理论。如有限元计算结果疲劳分析。现代疲劳理论将构件疲劳断裂分为三个阶段。裂纹发生：由部件表面的局部应力、局部应变引起。裂纹扩展：与部件应力有关；最终断裂：由断裂力学理论描述；SurfaceFigure 1.1 The three slaves offaiiaue failureFig ure 1 Fatigue fractu re su rface from a siaft in be nd ing23疲劳数据（寿命曲线）的广义化特定的疲劳数据必须要广义化，主要用于：231常幅疲劳曲线用
7、于复杂载荷条件的疲劳分析Minner疲劳破坏准则对如下图示载荷情形，疲劳计算按下述方法进行：采用适当方法（如雨流记数法）计算不同载荷幅的循环次数nn2。如果应力幅Pa1 的循环次数片，其允许循环次数为N,则由卩畀引起的损伤damage1=n1/N1；如果应力幅 Pa2的循环次数n2，其允许循环次数为N2，则由Pa2引起的损伤damage2=n2/N2;nl n 2TotalDamage =+-Minner准则认为，构件由 Pal、Pa2引起的总损伤为：Nl N2 =E臥；当 TOtal Damage=1时构件破坏。则构件在上述载荷作用（大小、循环数）下疲劳寿命为:1nIn dm-:me e C
8、uie f nr F：m Life =TotalDamageL-m-ve or Pal对更复杂载荷也可用类似方法计算疲劳。2.3.2. 光滑试样疲劳实验数据用于不同形状试件疲劳分析;疲劳数据都是通过恒幅、光滑试样的实验条件下求得，将应力集中系数应用于不同 形状试件的疲劳分析。主要是早期疲劳分析、或工程实验数据（测点不能反应构件的圆 孔、槽沟、过渡圆弧细节时）的疲劳分析使用。应力集中系数1=局部应力/名义应力对高周疲劳，Kt可用于计算有应力集中试样的疲劳强度。对低周疲劳，考虑塑性影响。: Strea-s stmplitjdeFigure 1.11 Localtypical des.ign det
9、ailssmcoin spec meni in1 汩 ic+ is* i 汕 i“ Jti1Endurance NrcyclesEndurance limit for a notched component2.3.3.材料近似某种材料的疲劳测试数据用于另外一种材料，或根据一种材料的疲劳数据推算另外一种材料的疲劳数据（主要是指用于弹性模量比较接近的材料。2.4.影响疲劳的因素 平均应力：平均应力越大，寿命越低，平均应力为拉应力时尤其如此。 应力分布方式：高应力区较多的构件更容易破坏，如大直径构件更容易破坏。 载荷作用方式：如拉压比弯曲更容易破坏。 构件表面因素：表面光洁度：加工、滚压、铸造、锻压
10、，可于应力集中系数相乘考虑。表面处理：如电镀使疲劳强度降低；残余应力：仅限于高周疲劳；低周疲劳考虑塑性； 工作环境：如腐蚀、温度、磨损等。载荷频率：仅对腐蚀疲劳、咼温疲劳等有影响。the effect of environment on fatigue strengthEffect of nickel plating an the fatigue strength of a steel3. 应力-疲劳分析3.1. 单轴应力疲劳分析理论311S-N曲线名义应力幅-破坏寿命曲线；一般采用恒应力幅、完全对称（应力比为-1、或平均应力为0）、光滑试样的测试曲线。表示应力幅与断裂寿命（而不是裂纹寿命）的
11、关系曲线。t-rnrsnTrArinn jt a circular HqIa其对数曲线在N1000时，出现平直线。斜线段的斜线关系可表示为: logS二B + klog N ；可用一种材料疲劳数据近似得到另一种材料的疲劳数据。af312应力集中系数Kt实际应力 名义应力对高周疲劳情况的疲劳强度影响大；在低周疲劳时影响小。有以下三种方法：1-1e7插值法（在Nf=1时无影响，至1e7线性变化）；1000-1e7插值法（在Nf=1e3时无影响，至1e7线性变化）；Peterson公式：最常用。某寿命N对应的集中系数KtN与寿命为1e7时的应力集中Kt的 关系如下：（K）NS-N cues for
12、i smooth E notched specimer313复杂载荷下的应力疲劳分析平均应力的影响（平均应力修正）Haigh图：平均应力大小会影响疲劳寿命，因此需要定义在某一指定寿命下，试样允许 的平均应力与应力幅的关系曲线，该曲线称为Haigh图。正则化的Haigh图：纵坐标为应力幅与指定寿命下平均应力为0时的允许应力幅Sa0的比 值；横坐标为平均应力与抗拉强度极限Uts （Sy为屈服强度）的比值。对光滑式样，有以下四种关系：N C- rm a ised Haigh d iagramunSoderberg 图;Gerb er 图；Buch修正公式。上述关系适于光滑式样、无限寿命(或弹性循环)
13、分析。对有限寿命计算时，由上述关系计算出与平均应力为零值相对应的应力幅，再根据 S-N曲线计算其寿命。 载荷历程中不同应力幅的综合影响采用S-N曲线，按照minner准则进行累加考虑。 疲劳安全系数(fatigue safety factor)强度因子FOS (Factors of Strength)：构件满足规定寿命时的载荷放大系数，即构件 的作用载荷乘以该系数后，构件使用寿命刚好为规定寿命。有限寿命分析采用。疲劳储备因子FRF(Fatigue Reserver Factors)：用于无限寿命设计中的Goodman/Higer 准则，为构件的应力幅安全因子、平均值安全因子、径向值安全因子的最
14、小值。在某一 指定寿命下，基于应力的强度安全系数，表示达到疲劳破坏时允许的应力倍数。适用于: 对任一指定寿命的常幅载荷有效；对复杂载荷的无限寿命分析有效。有径向安全系数和 垂向安全系数两种。注意：疲劳安全系数计算结果偏于不安全。Frictor 讨 strength (FOS) GoodlrTknF刃 1口of strengi h on stress ampl itiide for “ fE“n stress 材料应用S-N曲线对强度范围有适应性，如零平均应力的钢材光滑试样，抗拉强度小于 lOOOMPa时，耐劳极限应力幅约为其抗拉强度的50%；抗拉强度大于lOOOMPa时，耐劳 极限应力幅约为5
15、00MPa； 1000次循环对应的应力幅约为抗拉强度的90%。32总结应力集中系数用于几乎没有塑性发生的长寿命问题；平均应力修正使用于均值应力较小（无塑性发生）的光滑试样，对带孔/槽试件必须 保证截面变化处不发生屈服现象；用于焊接接头（S-N曲线由接头测得）；平均应力影响小。举例说明已知某试件的S-N曲线在循环次数为1时，对应的应力幅为800MPa,其对数斜线 的斜率为。其斜线关系为：log S = log 800 一 0.086 log NafA?3401 70531 01553128014049250125742201 1 01011 9095258FtBifl 号340170却颐2 393x0-J1015531611605.068 X10D4280no99
