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第3章疲劳载荷及分析理论 (1)
3.1 疲劳载荷谱 (1)
3.1.1 疲劳载荷谱及其编谱 (1)
3.1.2 统计分析方法 (2)
3.2 疲劳累积损伤理论 (3)
3.2.1 概述 (3)
3.2.2 线性累积损伤理论 (4)
3.3起重机疲劳计算常用方法 (5)
3.3.1 应力比法 (6)
3.3.2 应力幅法 (6)
3.4 疲劳寿命设计方法 (7)
3.4.1无限寿命设计 (7)
3.4.2 安全寿命设计 (8)
3.4.3 损伤容限设计 (8)
3.4.4 概率疲劳设计 (9)
3.4 小结 (10)
第3章疲劳载荷及分析理论
疲劳载荷谱(fatigue load spectrum)是建立疲劳设计方法的基础。根据研究对象的不同，施加在对象上的疲劳载荷也是不同的，所以在应用时要依据某种统计分析方法和理论进行分析。
3.1 疲劳载荷谱
3.1.1 疲劳载荷谱及其编谱
载荷分为静载荷和动载荷两大类。动载荷又分为周期载荷、非周期载荷和冲击载荷。周期载荷和非周期载荷可统称为疲劳载荷。在很多情况下，作用在结构或机械上的载荷是随时间变化的，这种加载过程称为载荷—时间历程。由于随机载荷的不确定性，这种谱无法直接使用，必须对其进行统计处理。处理
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后的载荷—时间—历程称为载荷谱。载荷谱是具有统计特性的图形，它能本质地反映零件的载荷变化情况[]。为了估算结构的使用寿命和进行疲劳可靠性分析，以及为最后设计阶段所必需的全尺寸结构和零部件疲劳试验，都必须有反映真实工作状态的疲劳载荷谱。
实测的应力—时间历程包含了外加载荷和结构的动态响应的影响，它不仅受结构系统的影响，而且也受应力—时间历程的观测部位的影响。将实测的载荷—时间历程处理成具有代表性的典型载荷谱的过程称为编谱。编谱的重要一环，是用统计理论来处理所获得的实测子样[]。
3.1.2 统计分析方法
对于随机载荷，统计分析方法主要有两类：计数法和功率谱法[]。由于产生疲劳损伤的主要原因是循环次数和应力幅值，因此在编谱时首先必须遵循某一等效损伤原则，将随机的应力—时间历程简化为一系列不同幅值的全循环和半循环，这一简化的过程叫做计数法。功率谱法是借助富氏变换，将连续变化的随机载荷分解为无限多个具有各种频率的简单变化，得出功率谱密度函数。在抗疲劳设计中广泛使用计数法。
目前，已有的计算法有十余种之多，同一应力—时间历程用不同计数法编制出的载荷谱有时会差别很大。当然，按照这些载荷谱来进行寿命估算或试验，也会给出不同的结果。从统计观点上看，计数法大体分为两类：单参数法和双参数法[]。所谓单参数法是指只考虑应力循环中的一个变量，例如，峰谷值、变程（相邻的峰值与谷值之差），而双参数法则同时考虑两个变量。由于交变载荷本身固有的特性，对任一应力循环，总需要用两个参数来表示。其代表是雨流计数法。
雨流计数法是目前在疲劳设计和疲劳试验中用的最广泛的一种计数方法，是对随机信号进行计数的一种方法的一种。雨流计数法与变程对—均值计数法一样具有比较严格的力学基础，计数结果介于峰值法和变程法之间，提供比较符合实际的数据。雨流法是建立在对封闭的应力—应变迟滞回线逐个计数的基础上，它认为塑性的存在是疲劳损伤的必要条件，从疲劳观点上看它比较能够反映随机载荷的全过程。由载荷—时间历程得到的应力—应变迟滞回线与造成的疲劳损伤是等效的[]。
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应该指出，所有现行计数法均未记及载荷循环先后次序的信息资料。因为载荷先后次序的影响总是存在的，但如果将简化后的程序载荷谱的周期取短一些，则载荷先后次序的影响会减小至最小程度，这点已被荷兰国家宇航实验室 []。的试验结果证实
3.2 疲劳累积损伤理论 3.2.1 概述在疲劳研究过程中，人们早就提
出了“损伤”这一概念。所谓损伤，是指。累积损[]在疲劳过程中初期材料内的细微结构变化和后期裂纹的形成和扩展伤规律是疲劳研究中最重要的课题之一，它是估算变幅载荷作用下结构和零件疲劳寿命的基础。大多数结构和零件所受循环载荷的幅值都是变化的，也就是说，大多数结构和零件都是在变幅载荷下工作的。变幅载荷下的疲劳破坏，是不同频率和幅值的载荷所造成的损伤逐渐累积的结果。因此，疲劳累积损伤是有限寿命设计的核心问题。当材料承受高于疲劳极限的应力时，每一个循环都使材料产生一定的损伤，N1次恒幅载荷所。这种损伤是可以积累的，每一个循环所造成的平均损伤为nN nC造成的损伤等于
其循环比。变幅载荷的损伤等于其循环比之和，即D l?ND?n，ii1?i l变幅载荷的应力水平等级其中: -----n级载荷的循环次数----第i i N第---- 级载荷下的疲劳寿命i il?DDDN?D?n就发生疲劳破坏。即时，当损伤积累到了临界值时，fffii1i?为临界损伤和，简称损伤和。
不同研究者根据他们对损伤累积方式的不同假设，提出了不同的疲劳累积
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损伤理论(fatigue damage cumulative rules)。到现在，已经提出的疲劳累积损伤理论不下数十种。这些理论归纳起来大致可以分为以下四大类[18]：（1）线性疲劳累积损伤理论：这种理论假定材料各个应力水平下的疲劳损伤是独立进行的，总损伤可以线性叠加。最具有代表性的是Miner法则，以及稍加改变的修正Miner法则和相对Miner法则。
（2）双线性累积损伤理论：这种理论认为材料疲劳过程初期和后期分别按两种不同的线性规律累积。最具有代表性的是Manson的双线性累积损伤理论。（3）非线性累积损伤理论：这种理论假定载荷历程与损伤之间存在着相互干涉作用，即各个载荷所造成的疲劳损伤与其以前的载荷历史有关。最具代表的是损伤曲线法和Corten-Dolan理论。
（4）其它累积损伤理论：这些理论大多是从实验、观测和分析归纳出来的经验或半经验公式。如Levy理论和Kozin理论等。
3.2.2 线性累积损伤理论
在很多实际结构，它们常承受随机载荷，其最大和最小应力值经常在变化，S?N 曲线，还必须借助于疲劳累积情况就更为复杂。为了估算疲劳寿命，除了损伤准则。在工程中最常用的仍为线性累积损伤准则。
1.Miner法则
线性累积损伤理论认为每个应力循环下的疲劳损伤是独立的，总损伤等于每个循环下的损伤之和，当总损伤达到某一数值时，构件即发生破坏。线性疲劳累积损伤理论中最具有代表性的是Palmgren-Miner理论，简称Miner法则，其数学表达式为：
l n ?i1D??N1i?i
法则，其的其它常数时，则称为修正Miner当临界损伤和改为一个不是1 表达式为：l n
?i?D?a N1i?i式中为常数。很多研究者建议当值取0.7时，其寿命估算结果比Miner aa公式计算更安全，从总体上看其寿命估算精度也有所提高。
2.相对Miner理论
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根据对临界损伤和的深入研究，发现影响疲劳寿命估算准确性的因素有D f很多，
例如损伤的非线性、载荷顺序效应、材料的硬化和软化、裂纹闭合效应等等。而Miner定理是无法体现这些影响因素的。因此，使用同类零件，在类似载荷谱下的实验值进行寿命估算，就可以大大提高其寿命估算精度，这种方法称为相对Miner法则。它把计算和实验结合起来，利用相似谱的实验结果来修正计算的偏差。
相对Miner定理基本思想的数学表达式为[]：
(N)p exp)(N)?(N ppcale')(N pcale(N)-----给定可靠度时计算谱的预测寿命；式中：p(N)----给定可靠度时相似谱的实测寿命；p exp(N)------给定可靠度时计算谱的经典方法计算寿命；pcale'------给定可靠度时相似谱的经典方法计算寿命。)(N pcale相对Miner法则一方面保留了Miner法则中第一个假设，即线性累积假设，a?1的第二假设。考虑了计算模型与实际损伤的差另一方面又避开了累积损伤异等非统计不确定性，使疲劳估算结果的准确性得到了提高，能大幅度消除Miner法则计算数值引起的误差，提高其计算精度。
3.3起重机疲劳计算常用方法
随着科学技术的发展，起重机在设计理论上有了较大的发展。当前，世界上很多国家都制订有起重机标准。具有代表性的有日本、德国、美国、英国等国家[19]。根据各国起重机金属结构设等国际标准ISO、、IEC的起重机标准以及F.E.M.计规范规定，当起重机金属结构的工作级别为A6，A7，A8时，必须对结构（或连[20]。接）进行疲劳强度计算对钢结构进行疲劳计算，可以采用应力比法或者应力幅法，其中应用更广泛[21]。不论是应力比法还是应力幅法，的是应力比法它们的应力循环参数是一致的，
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??和最小应力都是由最大应力两个独立变量演绎出来的。minmax
应力比法3.3.1
??是这些极值应力的和所谓应力比，即为极值应力之间的比值。如果minmax?则比值)，代数值(拉应力取正号，压应力取负号为绝对值较高的极值应力，K max可以写成：???K (4-3)
maxmin以起重机具有代表性的实际预期正常工作状态下(一般为第Ⅰ类载荷组合条件)，计算结构最大、最小应力。把最小应力与最大应力的比值定为应力循环特K性，并根据这一应力循环特性和相关的公式计算疲劳许用应力。若最大应力未超出疲劳许用应力值，即：
??][? (4-4)
a max若上式成立，则认为不会发生疲劳破坏
?][要考虑应力比、结构连接形式、循环次数和材料等的影响。疲劳许用应力a
目前，我国的《起重机设计规范》( GB3811-83)、《欧洲起重机设计规范》( F.E.M 标准1998年修订版)和德国DIN 15018/1-1984等规范用的都是应力比法。
3.3.2 应力幅法
所谓应力幅，即为最大应力和最小应力代数差，即
????)K??(1??? (4-5)
maxmaxmin英国BS标准、日本JIS标准和美国ASME NOG-1-2002规范用的都是应力幅法。国外的起重机设计规范中，有两种应力幅方法用于起重机金属结构的疲劳设计。
（1）在起重机结构疲劳计算的工况下，计算结构的最大、最小应力的应力幅度(最大应力-最小应力)不应大于许用应力幅度值。
美国国家标准《桥式起重机结构规范》(ASME NOG-1-2002)规定用此法进行结构的疲劳设计。
（2）以Miner法则为理论基础的计算结构疲劳寿命的应力幅法。
除了上述两种方法外，目前还有一些科研人员利用疲劳的损伤容限设计方
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法对起重机结构的疲劳裂纹和寿命之间的关系做了大量研究，并运用于实际。但此法尚未普遍推广。
3.4 疲劳寿命设计方法现在广泛使用的疲劳寿命设计方法主要有以下几种：无限寿命设计，安全寿命设计，损伤容限设计，概率疲劳设计。
3.4.1无限寿命设计发生了破坏，铁路车辆轮轴在重复交变载荷的作用下，年代，19世纪40在由此，人们开始认识到疲劳破坏。经一系列实验研究后指出：对于疲劳，应力幅比构件承受的应力更重要。对于无裂纹构件，控制其应力水平使其小于疲劳S的持久极限(Infinite life design)，则不产生疲劳裂纹。故无限寿命设计f条件为：S?S f S。3-1由S-N曲线给出。如图材料的疲劳持久极限f
NS?K?dNda?曲线及图3-1 曲线对于需要经历无限次循环的零构件，如发动机气缸阀门、顶杆、长期频繁运行的轮轴等，无限寿命设计仍是一种简单而合理的方法。研究裂纹扩展的结果指出，裂纹扩展的参量应力强度因子幅度也存在一个实用文档
K?，它由实验测定。对于已存在裂纹的构件，控制其强度因临界值3-1）（图th子令其小于临界值，则有裂纹但是不会扩展，同样可实现无限寿命设计。
3.4.2 安全寿命设计提出的。Miner实用中称有限寿命设计为安全寿命设计
(Safe life design)变幅载荷作用下的疲劳损伤累积方法和判据，使变幅作用下的疲劳寿命预测成为可能，使零构件在有限设计寿命内，只要满足疲劳判据，也不会发生疲劳破NSk个应力水平作用下，次循环，坏。设零构件在应力水平在作用下，经受了ii，则认为在设计寿命不会发生破坏。满足总累积损伤
1D?kk??ND?nD?iii1?i?1i由于考虑疲劳数据的分散性和其它未知因素的影响，安全寿命设计须考虑安全系数。在设计中可对寿命取安全系数，也可以对应力取安全系数，或者都要满足两种安全系数。
有限寿命设计只保证零构件在规定的使用期限内能够安全使用，因此，它允许零构件的工作应力超过其疲劳极限，从而自重可以减轻，当前许多机械产品都倡导这种设计方法，如航空发动机、汽车等对自重有较高要求的产品。
3.4.3 损伤容限设计
损伤容限设计(Damage tolerance design)抗疲劳设计方法是在断裂力学基础上发展起来的疲劳分析方法。假定零构件材料内有初始缺陷(裂纹) ,以断裂力学为理论基础，以断裂韧性试验和无损检测技术为手段，对有初始裂纹的零件，估算其剩余寿命。只要掌握裂纹扩展的规律，并采取裂纹监视和正确的断裂控制措施，剩余寿命是可以安全地加以利用的。断裂判据为：
2??K1c?a??c??f??max aK-------材料的断裂韧性；临界裂纹尺寸；式中：-------- cc
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?f------最大工作应力。几何修正系数； -------max a到临界从工程检测裂纹
尺寸i
a的扩展时间，为裂纹检测期。长度c以保证合理安排检查，在检查期内，裂纹扩展到临界尺寸之前被检查出所示。而损伤修来并修复。如图3-2结构的剩余强度也重新恢复，复之后，断裂控制包括精心进入下一使用期。控制工作选材、合理安排结构布局、制订适当的检验和检修程序等。应力、都必须严格贯彻规在制造和运行中，定的检验和检修程序。剩余寿命和检修周期
图3-2
它适用于裂纹扩展缓慢而断裂韧度高的材料和安排检修时必须保证足够高的裂纹检出概率。
概率疲劳设计3.4.4
方法是考虑了载荷、材料(Probabilistic fatigue design)概率疲劳设计疲劳性能和其它影响疲劳寿命数据分散性的基础上提出的疲劳破坏的概率，以保证在一定范围内不会破坏，也称为可靠性设计。它是应用概率统计理论进行机械零构件进行抗疲劳设计的方法。它认为零构件的应力和强度的概率分布都符合正态分布，引进了定量的可靠性指标—可靠度。
疲劳载荷及分析理论 疲劳载荷谱(fatigue load spectrum)是建立疲劳设计方法的基础。根据研究对象的不同，施加在对象上的疲劳载荷也是不同的，所以在应用时要依据某种统计分析方法和理论进行分析。 1 疲劳载荷谱 1.1 疲劳载荷谱及其编谱 载荷分为静载荷和动载荷两大类。动载荷又分为周期载荷、非周期载荷和冲击载荷。周期载荷和非周期载荷可统称为疲劳载荷。在很多情况下，作用在结构或机械上的载荷是随时间变化的，这种加载过程称为载荷—时间历程。由于随机载荷的不确定性，这种谱无法直接使用，必须对其进行统计处理。处理后的载荷—时间—历程称为载荷谱。载荷谱是具有统计特性的图形，它能本质地反映零件的载荷变化情况[]。为了估算结构的使用寿命和进行疲劳可靠性分析，以及为最后设计阶段所必需的全尺寸结构和零部件疲劳试验，都必须有反映真实工作状态的疲劳载荷谱。 实测的应力—时间历程包含了外加载荷和结构的动态响应的影响，它不仅受结构系统的影响，而且也受应力—时间历程的观测部位的影响。将实测的载荷—时间历程处理成具有代表性的典型载荷谱的过程称为编谱。编谱的重要一环，是用统计理论来处理所获得的实测子样[]。 1.2 统计分析方法 对于随机载荷，统计分析方法主要有两类：计数法和功率谱法[]。由于产生疲劳损伤的主要原因是循环次数和应力幅值，因此在编谱时首先必须遵循某一等效损伤原则，将随机的应力—时间历程简化为一系列不同幅值的全循环和半循环，这一简化的过程叫做计数法。功率谱法是借助富氏变换，将连续变化的随机载荷分解为无限多个具有各种频率的简单变化，得出功率谱密度函数。在抗疲劳设计中广泛使用计数法。 目前，已有的计算法有十余种之多，同一应力—时间历程用不同计数法编制出的载荷谱有时会差别很大。当然，按照这些载荷谱来进行寿命估算或试验，
工程力学（静力学与材料力学）习题详细解答（教师用书） (第12 章) 范钦珊唐静静 2006-12-18
σ 2 第 12 章 动载荷与疲劳强度简述 12－1 图示的 No.20a 普通热轧槽钢以等减速度下降，若在 0.2s 时间内速度由 1.8m/s 降至 0.6m/s ，已知 l =6m ，b =1m 。试求槽钢中最大的弯曲正应力。 q 习题 12－1 图 B A B M C 解：No.20a 槽钢的线密度 ρ = 22.63 kg/m 习题 12－1 解图 加速度 a = 0.6 ?1.8 = ?6 m/s 2 0.2 由自重引起的均布载荷集度： q 1 = ρg (↓) 由惯性力引起的均布载荷集度： q 2 = ρa (↓) (加速度↑) 总的均布载荷集度： q = q 1 + q 2 = ρ( g + a ) 弯矩： M C = M max = ?q × 4 × 2 + q × 8 ×3 = q × 4 = 4ρ( g + a ) 2 =4×22.63(9.8+6)=1430 N ·m 槽钢横截面上的最大正应力 d max = M C W min = 1430 24.2 ×10?6 = 59.1 MPa 12－2 钢制圆轴 AB 上装有一开孔的匀质圆盘如图 所示。圆盘厚度为 δ ，孔直径 D =300mm 。圆盘和轴一起 以匀角速度ω 转动。若已知： δ =30mm ，a =1000mm ， e =300mm ；轴直径 d =120mm ，ω =40rad/s ；圆盘材料密 度 ρ = 7.8 ×103 kg m 3 。试求由于开孔引起的轴内最大弯曲 正应力（提示：可以将圆盘上的孔作为一负质量（-m ）， 计算由这一负质量引起的惯性力）。 解：因开孔引起的惯性力： 习题 12－2 图 F I = me ω = ρ × π × D 4 2 ×δ ×e ω2
第3章疲劳载荷及分析理论 (1) 3.1 疲劳载荷谱 (1) 3.1.1 疲劳载荷谱及其编谱 (1) 3.1.2 统计分析方法 (2) 3.2 疲劳累积损伤理论 (3) 3.2.1 概述 (3) 3.2.2 线性累积损伤理论 (4) 3.3起重机疲劳计算常用方法 (5) 3.3.1 应力比法 (6) 3.3.2 应力幅法 (6) 3.4 疲劳寿命设计方法 (7) 3.4.1无限寿命设计 (7) 3.4.2 安全寿命设计 (8) 3.4.3 损伤容限设计 (8) 3.4.4 概率疲劳设计 (9) 3.4 小结 (10) 第3章疲劳载荷及分析理论 疲劳载荷谱(fatigue load spectrum)是建立疲劳设计方法的基础。根据研究对象的不同，施加在对象上的疲劳载荷也是不同的，所以在应用时要依据某种统计分析方法和理论进行分析。 3.1 疲劳载荷谱 3.1.1 疲劳载荷谱及其编谱 载荷分为静载荷和动载荷两大类。动载荷又分为周期载荷、非周期载荷和冲击载荷。周期载荷和非周期载荷可统称为疲劳载荷。在很多情况下，作用在结构或机械上的载荷是随时间变化的，这种加载过程称为载荷—时间历程。由于随机载荷的不确定性，这种谱无法直接使用，必须对其进行统计处理。处理
后的载荷—时间—历程称为载荷谱。载荷谱是具有统计特性的图形，它能本质地反映零件的载荷变化情况[]。为了估算结构的使用寿命和进行疲劳可靠性分析，以及为最后设计阶段所必需的全尺寸结构和零部件疲劳试验，都必须有反映真实工作状态的疲劳载荷谱。 实测的应力—时间历程包含了外加载荷和结构的动态响应的影响，它不仅受结构系统的影响，而且也受应力—时间历程的观测部位的影响。将实测的载荷—时间历程处理成具有代表性的典型载荷谱的过程称为编谱。编谱的重要一环，是用统计理论来处理所获得的实测子样[]。 3.1.2 统计分析方法 对于随机载荷，统计分析方法主要有两类：计数法和功率谱法[]。由于产生疲劳损伤的主要原因是循环次数和应力幅值，因此在编谱时首先必须遵循某一等效损伤原则，将随机的应力—时间历程简化为一系列不同幅值的全循环和半循环，这一简化的过程叫做计数法。功率谱法是借助富氏变换，将连续变化的随机载荷分解为无限多个具有各种频率的简单变化，得出功率谱密度函数。在抗疲劳设计中广泛使用计数法。 目前，已有的计算法有十余种之多，同一应力—时间历程用不同计数法编制出的载荷谱有时会差别很大。当然，按照这些载荷谱来进行寿命估算或试验，也会给出不同的结果。从统计观点上看，计数法大体分为两类：单参数法和双参数法[]。 所谓单参数法是指只考虑应力循环中的一个变量，例如，峰谷值、变程（相邻的峰值与谷值之差），而双参数法则同时考虑两个变量。由于交变载荷本身固有的特性，对任一应力循环，总需要用两个参数来表示。其代表是雨流计数法。 雨流计数法是目前在疲劳设计和疲劳试验中用的最广泛的一种计数方法，是对随机信号进行计数的一种方法的一种。雨流计数法与变程对—均值计数法一样具有比较严格的力学基础，计数结果介于峰值法和变程法之间，提供比较符合实际的数据。雨流法是建立在对封闭的应力—应变迟滞回线逐个计数的基础上，它认为塑性的存在是疲劳损伤的必要条件，从疲劳观点上看它比较能够反映随机载荷的全过程。由载荷—时间历程得到的应力—应变迟滞回线与造成的疲劳损伤是等效的[]。
1.1 疲劳概述 结构失效地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：高周疲劳是当载荷地循环（重复）次数高(如1e4 -1e9)地情况下产生地.因此,应力通常比材料地极限强度低,应力疲劳（Stress-based）用于高周疲劳；低周疲劳是在循环次数相对较低时发生地.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. 在设计仿真中,疲劳模块拓展程序（Fatigue Module add-on）采用地是基于应力疲劳（stress-based）理论,它适用于高周疲劳.接下来,我们将对基于应力疲劳理论地处理方法进行讨论. 1.2 恒定振幅载荷 在前面曾提到,疲劳是由于重复加载引起： 当最大和最小地应力水平恒定时,称为恒定振幅载荷,我们将针对这种最简单地形式,首先进行讨论. 否则,则称为变化振幅或非恒定振幅载荷. 1.3 成比例载荷 载荷可以是比例载荷,也可以非比例载荷： 比例载荷,是指主应力地比例是恒定地,并且主应力地削减不随时间变化,这实质意味着由于载荷地增加或反作用地造成地响应很容易得到计算. 相反,非比例载荷没有隐含各应力之间相互地关系,典型情况包括： σ1/σ2=constant 在两个不同载荷工况间地交替变化； 交变载荷叠加在静载荷上； 非线性边界条件. 1.4 应力定义 考虑在最大最小应力值σmin和σmax作用下地比例载荷恒定振幅地情况： 应力范围Δσ定义为(σmax-σmin) 平均应力σm定义为(σmax+σmin)/2 应力幅或交变应力σa是Δσ/2 应力比R是σmin/σmax 当施加地是大小相等且方向相反地载荷时,发生地是对称循环载荷.这就是σm=0,R=-1地情况. 当施加载荷后又撤除该载荷,将发生脉动循环载荷.这就是σm=σmax/2,R=0地情况. 1.5 应力-寿命曲线 载荷与疲劳失效地关系,采用地是应力-寿命曲线或S-N曲线来表示： （1）若某一部件在承受循环载荷, 经过一定地循环次数后,该部件裂纹或破坏将会发展,而且有可能导致失效； （2）如果同个部件作用在更高地载荷下,导致失效地载荷循环次数将减少； （3）应力-寿命曲线或S-N曲线,展示出应力幅与失效循环次数地关系. S-N曲线是通过对试件做疲劳测试得到地弯曲或轴向测试反映地是单轴地应力状态,影响S-N曲线地因素很多,其中地一些需要地注意,如下：
疲劳寿命分析方法 摘要：本文简单介绍了在结构件疲劳寿命分析方法方面国内外的发展状况,重点讲解了结构件寿命疲劳分析方法中的名义应力法、局部应力应变法、应力应变场强度法四大方法的估算原理。 疲劳是一个既古老又年轻的研究分支，自Wohler将疲劳纳入科学研究的范畴至今，疲劳研究仍有方兴未艾之势，材料疲劳的真正机理与对其的科学描述尚未得到很好的解决。疲劳寿命分析方法是疲分研究的主要内容之一，从疲劳研究史可以看到疲劳寿命分析方法的研究伴随着整个历史。 金属疲劳的最初研究是一位德国矿业工程帅风W.A.J.A1bert在1829年前后完成的。他对用铁制作的矿山升降机链条进行了反复加载试验，以校验其可靠性。1843年，英国铁路工程师W.J.M.Rankine对疲劳断裂的不同特征有了认识，并注意到机器部件存在应力集中的危险性。1852年-1869年期间，Wohler对疲劳破坏进行了系统的研究。他发现由钢制作的车轴在循环载荷作用下，其强度人大低于它们的静载强度，提出利用S-N 曲线来描述疲劳行为的方法，并是提出了疲劳“耐久极限”这个概念。1874年，德国工程师H.Gerber开始研究疲劳设计方法，提出了考虑平均应力影响的疲劳寿命计算方法。Goodman讨论了类似的问题。1910年，O.H.Basquin提出了描述金属S-N曲线的经验规律，指出：应力对疲劳循环数的双对数图在很大的应力范围内表现为线性关系。Bairstow通过多级循环试验和测量滞后回线，给出了有关形变滞后的研究结果，并指出形变滞后与疲劳破坏的关系。1929年B.P.Haigh研究缺口敏感性。1937年H.Neuber指出缺口根部区域内的平均应力比峰值应力更能代表受载的严重程度。1945年M.A.Miner 在J.V.Palmgren工作的基础上提出疲劳线性累积损伤理论。L.F.Coffin和S.S.Manson各自独立提出了塑性应变幅和疲劳寿命之间的经验关系，即Coffin—Manson公式，随后形成了局部应力应变法。 中国在疲劳寿命的分析方面起步比较晚，但也取得了一些成果。浙江大学的彭禹，郝志勇针对运动机构部件多轴疲劳载荷历程提取以及在真实工作环境下的疲劳寿命等问题，以发动机曲轴部件为例，提出了一种以有限元方法，动力学仿真分析以及疲劳分
飞机结构疲劳强度与断裂发展现状与发展趋势 领空权对于任何一个国家都是非常重要的,飞机的先进,是领空权的保证.飞机更是国家的国防的重要力量,提高飞机的性能更是每个军事大国追求的目标.飞机的结构抗疲劳强度与断裂强度是飞机性能的重要体现.通过这学期的学习,和老师耐心的讲解,我对我国飞机结构疲劳强度与断裂发展现状与发展趋势有了更进一步的了解. 疲劳强度是指飞机结果在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。实际上，飞机结构并不可能作无限多次交变载荷试验。 断裂是指飞机结构被断错或发生裂开.讨论的主要是脆性断裂情况，其断裂面是看得见摸得着的。还有两类断裂的断裂面则是看得见却不一定摸得着的。 许多飞机结果，如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力（也称循环应力）。在交变应力的作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后会产生裂纹或突然发生完全断裂。 疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。据统计，在飞机结构失效中大约有80%以上属于疲劳破坏，而且疲劳破坏前没有明显的变形，所以疲劳破坏经常造成重大事故，所以对于轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等承受交变载荷的零件要选择疲劳强度较好的材料来制造。 疲劳失效是金属材料常见的失效形式,特别是轴类,连杆,轴承类等零件,长期在应力下工作的工件材料都要求较高的疲劳强度,这样的可以提高零件的使用寿命。疲劳强度同时还与硬度、强度、韧性有较大关系，所以他是金属材料的重要力学性能指标 航空工业作为技术密集、知识密集的高技术产业，集材料、机械、发动机、空气动力、电子、超密集加工、特种工艺等各种前沿技术之大成。目前，国际航空技术发达国家早已实施损伤容限耐久性规范，并成为国际适航性条例要求。然而，在飞机结构的三维损伤容限耐久性预测设计方面，由于研究队伍严重萎缩，国际上的实质性进展非常缓慢，三维损伤容限耐久性技术的发展停滞不前。与此同时，现代飞机大量使用三维整体结构，已有技术与需求的矛盾更加突出。 这一现状的存在，使得国内外的设计者们在已有技术基础上不得不依靠更加实际、但耗资巨大的全机试验和各级全尺寸部件试验来检验飞机结构的损伤容限和耐久性，虚拟试验的科学基础欠缺。近年随着计算机容量逐渐满足三维断裂分析的需要，国际上三维试验和数值研究骤增，多尺度研究骤增，虚拟试验的概念形成并得以应用。有影响和代表水平的工作主要出自美国NASA以Newman为主的研究组、英国Sheffield大学Code公司及其研究组、法国宇航院(ONERA)、瑞典航空研究实验室(FOI，德文首字)研究组，荷兰国防动力研究实验室、澳大利亚国防科技组织(DSTO)等[5-8]。但是其损伤容限耐久性技术依据的理论基础仍然是二维疲劳断裂理论，未取得本质上的突破，考虑三维约束的疲劳寿命分析模型也都是建立在大量经验参数基础上的。近年，我国某飞机设计行业以及相关单位已成功实现全数字化设计、制造，一些重点型号工程在设计阶段就已全面实施损伤容限与耐久性规范，开展了大量全尺寸静力、疲劳/耐久性和损伤容限试验，建立起宝贵的经验和高素质的队伍以及组织管理体系。然而，基于试验来保证性能的经验设计方法存在明显的局限：全尺寸试验之前主要是经验估计，如各种安全系数法，对经验积累依赖严重，不利创新发展；试验或一定要设法满足设计要
第19卷第2期(总第44期)中国铁道科学1998年6月 混凝土弯曲疲劳累积损伤性能研究李永强车惠民 (铁道部科学研究院)摘要: ,证明了变幅疲劳荷载的大,当疲劳荷载由小变大时,累积损伤量大于1,当疲劳荷载由大变小时,累积损伤量小于1,P—M线性累积损伤准则不适于混凝土弯曲疲劳破坏,同时验证了非线性疲劳累积损伤理论的合理性。 关键词:混凝土弯曲疲劳累积损伤试验 1引言 在工程应用中,钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构一般承受静载作用,但工程中还有许多如铁路桥梁、公路桥梁、吊车梁及海洋平台等结构除了承受静载作用外,还要经常承受重复循环荷载作用。随着这些经常承受重复荷载作用的结构应用的日益广泛,以及高强混凝土、高强钢筋的广泛应用,许多构件处于高应力状态下工作,使得混凝土结构的疲劳成为不可忽视的问题。在以往的混凝土疲劳性能研究中,研究重点主要是研究混凝土在等幅重复应力作用下的疲劳强度,得出计算等幅重复应力作用下疲劳寿命的S—N曲线。在这些试验中,混凝土应力是一个随时间等幅周期性变化的荷载函数。但在实际工作中,钢筋混凝土及预应力混凝土结构承受的荷载是一个随时间而变化的变幅荷载(例如由风、海浪、车辆、地震等引起的荷载就属于这种类型),实际结构的疲劳破坏往往是由变幅重复荷载引起的,因此除了研究混凝土材料在等幅重复应力作用下的疲劳性能外,还应在其基础上研究混凝土材料在变幅重复应力作用下的疲劳性能。近年来,一些国家开始进行混凝土材料在变幅重复荷载作用下的疲劳性能研究,其研究重点主要是P—M线性累积损伤准则的适用性,但迄今为止仍未得出一个较统一的结论。有些研究者认为该准则由于不考虑加载顺序的影响,利用它判断混凝土在变幅重复应力作用下的疲劳破坏偏于保守或偏于危险;另外一些研究者认为,可以不考虑加载顺序的影响,该准则可以运用。基于这些原因,我们进行了混凝土试件在等幅和变幅循环荷载作用下的弯曲疲劳试验,探讨和研究了P—M线性累积损伤准则的适用性,进而对混凝土非线性累积损伤理论的合理性作了进一步的验证。 2试验
摘要：疲劳破坏是结构的主要失效形式，疲劳失效研究在结构安全分析中扮演着举足轻重的角色。因此结构的疲劳强度和疲劳寿命是其强度和可靠性研究的主要内容之一。机车车辆结构的疲劳设计必须服从一定的疲劳机理,并在系统结构的可靠性安全设计中考虑复合的疲劳设计技术的应用。国内的机车车辆主要结构部件的疲劳寿命评估和分析采用复合的疲劳设计技术，国外从疲劳寿命的理论计算和疲劳试验两个方面在疲劳研究和应用领域有很多新发展的理论方法和技术手段。不论国内国外，一批人几十年如一日致力于疲劳的研究，对疲劳问题研究贡献颇多。 关键词：疲劳 UIC标准疲劳载荷 IIW标准 S-N曲线机车车辆 一、国内外轨道车辆的疲劳研究现状 6月30日15时，备受关注的京沪高铁正式开通运营。作为新中国成立以来一次建设里程最长、投资最大、标准最高的高速铁路，京沪高铁贯通“三市四省”，串起京沪“经济走廊”。京沪高铁的开通，不仅乘客可以享受到便捷与实惠，沿线城市也需面对高铁带来的机遇和挑战。在享受这些待遇的同时，专家指出，各省市要想从中分得一杯羹，配套设施建设以及机车车辆的安全性绝对不容忽略。根据机车车辆的现代设计方法，对结构在要求做到尽可能轻量化的同时，也要求具备高度可靠性和足够的安全性。这两者之间常常出现矛盾，因此，如何准确研究其关键结构部件在运行中的使用寿命以及如何进行结构的抗疲劳设计是结构强度寿命预测领域研究中的前沿课题。 在随机动载作用下的结构疲劳设计更是成为当前机车车辆结构疲劳设计的研究重点，而如何预测关键结构和部件的疲劳寿命又是未来机车车辆结构疲劳设计的重要发展方向之一。机车车辆承受的外部载荷大部分是随时间而变化的循环随机载荷。在这种随机动载荷的作用下，机车车辆的许多构件都产生动态应力，引起疲劳损伤，而损伤累积后的结构破坏的形式经常是疲劳裂纹的萌生和最终结构的断裂破坏。随着国内铁路运行速度的不断提高，一些关键结构部件，如转向架的构架、牵引拉杆等都出现了一些断裂事故。因此，机车车辆的结构疲劳设计已经逐渐成为机车车辆新产品开发前期的必要过程之一，而通过有效的计算方法预测结构的疲劳寿命是结构设计的重要目标。 1.1国外 早在十九世纪后期德国工程师Wohler系统论述了疲劳寿命和循环应力的关系并提出了S-N 曲线和疲劳极限的概念以来，国内外疲劳领域的研究已经产生了大量新的研究方法和研究成果。 结构疲劳设计中主要有两方面的问题：一是用一定材料制成的构件的疲劳寿命曲线；二是结构件的工作应力谱，也就是载荷谱。载荷谱包括外部的载荷及动态特性对结构的影响。根据疲劳寿命曲线和工作应力谱的关系，有3种设计概念：静态设计(仅考虑静强度)；工作应力须低于疲劳寿命曲线的疲劳耐久限设计；根据工作强度设计，即运用实际使用条件下的载荷谱。实际载荷因为受到车辆等诸多因素的影响而有相当大的离散性，它严重地影响了载荷谱的最大应力幅值、分布函数及全部循环数。为了对疲劳寿命进行准确的评价，必须知道设计谱的存在概率，并且考虑实际载荷离散性，才可以确定结构可靠的疲劳寿命。 20世纪60年代，世界上第一条高速铁路建成，自那时起，一些国外高速铁路发达国家已经深入研究机车车辆结构轻量化带来的关键结构部件的疲劳强度和疲劳寿命预测问题。其中，包括日本对车轴和焊接构架疲劳问题的研究；法国和德国采用试验台仿真和实际线路相结合的技术开发出试验用的机车车辆疲劳分析方法；英国和美国对转向架累计损伤疲劳方面的研究等等。在这些研究中提出了大量有效的疲劳寿命的预测研究方法。 1.2、国内 1.2.1国内疲劳研究现状与方法 国内铁路相关的科研院所对结构的疲劳寿命也展开了大量的研究和分析，并且得到了很多研
1.1 疲劳概述 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：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；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。 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。接下来，我们将对基于应力疲劳理论的处理方法进行讨论。 1.2 恒定振幅载荷 在前面曾提到，疲劳是由于重复加载引起： 当最大和最小的应力水平恒定时，称为恒定振幅载荷，我们将针对这种最简单的形式，首先进行讨论。 否则，则称为变化振幅或非恒定振幅载荷。 1.3 成比例载荷 载荷可以是比例载荷，也可以非比例载荷： 比例载荷，是指主应力的比例是恒定的，并且主应力的削减不随时间变化，这实质意味着由于载荷的增加或反作用的造成的响应很容易得到计算。 相反，非比例载荷没有隐含各应力之间相互的关系，典型情况包括： σ1/σ2=constant 在两个不同载荷工况间的交替变化； 交变载荷叠加在静载荷上； 非线性边界条件。 1.4 应力定义
考虑在最大最小应力值σmin和σmax作用下的比例载荷、恒定振幅的情况： 应力范围Δσ定义为(σmax-σmin) 平均应力σm定义为(σmax+σmin)/2 应力幅或交变应力σa是Δσ/2 应力比R是σmin/σmax 当施加的是大小相等且方向相反的载荷时，发生的是对称循环载荷。这就是σm=0，R=-1的情况。 当施加载荷后又撤除该载荷，将发生脉动循环载荷。这就是σm=σmax/2，R=0的情况。 1.5 应力-寿命曲线 载荷与疲劳失效的关系，采用的是应力-寿命曲线或S-N曲线来表示： （1）若某一部件在承受循环载荷, 经过一定的循环次数后,该部件裂纹或破坏将会发展，而且有可能导致失效； （2）如果同个部件作用在更高的载荷下,导致失效的载荷循环次数将减少； （3）应力-寿命曲线或S-N曲线,展示出应力幅与失效循环次数的关系。 S-N曲线是通过对试件做疲劳测试得到的弯曲或轴向测试反映的是单轴的应力状态，影响S-N曲线的因素很多，其中的一些需要的注意，如下： 材料的延展性，材料的加工工艺，几何形状信息,包括表面光滑度、残余应力以及存在的应力集中，载荷环境，包括平均应力、温度和化学环境，例如，压缩平均应力比零平均应力的疲劳寿命长，相反，拉伸平均应力比零平均应力的疲劳寿命短，对压缩和拉伸平均应力，平均应力将分别提高和降低S-N曲线。 因此，记住以下几点：一个部件通常经受多轴应力状态。如果疲劳数据(S-N 曲线)是从反映单轴应力状态的测试中得到的，那么在计算寿命时就要注意：（1）设计仿真为用户提供了如何把结果和S-N曲线相关联的选择，包括多轴应力的选择；（2）双轴应力结果有助于计算在给定位置的情况。 平均应力影响疲劳寿命，并且变换在S-N曲线的上方位置与下方位置(反映出在给定应力幅下的寿
实用文档 第3章疲劳载荷及分析理论 (1) 3.1 疲劳载荷谱 (1) 3.1.1 疲劳载荷谱及其编谱 (1) 3.1.2 统计分析方法 (2) 3.2 疲劳累积损伤理论 (3) 3.2.1 概述 (3) 3.2.2 线性累积损伤理论 (4) 3.3起重机疲劳计算常用方法 (5) 3.3.1 应力比法 (6) 3.3.2 应力幅法 (6) 3.4 疲劳寿命设计方法 (7) 3.4.1无限寿命设计 (7) 3.4.2 安全寿命设计 (8) 3.4.3 损伤容限设计 (8) 3.4.4 概率疲劳设计 (9) 3.4 小结 (10) 第3章疲劳载荷及分析理论 疲劳载荷谱(fatigue load spectrum)是建立疲劳设计方法的基础。根据研究对象的不同，施加在对象上的疲劳载荷也是不同的，所以在应用时要依据某种统计分析方法和理论进行分析。 3.1 疲劳载荷谱 3.1.1 疲劳载荷谱及其编谱 载荷分为静载荷和动载荷两大类。动载荷又分为周期载荷、非周期载荷和冲击载荷。周期载荷和非周期载荷可统称为疲劳载荷。在很多情况下，作用在结构或机械上的载荷是随时间变化的，这种加载过程称为载荷—时间历程。由于随机载荷的不确定性，这种谱无法直接使用，必须对其进行统计处理。处理 实用文档 后的载荷—时间—历程称为载荷谱。载荷谱是具有统计特性的图形，它能本质地反映零件的载荷变化情况[]。为了估算结构的使用寿命和进行疲劳可靠性分析，以及为最后设计阶段所必需的全尺寸结构和零部件疲劳试验，都必须有反映真实工作状态的疲劳载荷谱。
实测的应力—时间历程包含了外加载荷和结构的动态响应的影响，它不仅受结构系统的影响，而且也受应力—时间历程的观测部位的影响。将实测的载荷—时间历程处理成具有代表性的典型载荷谱的过程称为编谱。编谱的重要一环，是用统计理论来处理所获得的实测子样[]。 3.1.2 统计分析方法 对于随机载荷，统计分析方法主要有两类：计数法和功率谱法[]。由于产生疲劳损伤的主要原因是循环次数和应力幅值，因此在编谱时首先必须遵循某一等效损伤原则，将随机的应力—时间历程简化为一系列不同幅值的全循环和半循环，这一简化的过程叫做计数法。功率谱法是借助富氏变换，将连续变化的随机载荷分解为无限多个具有各种频率的简单变化，得出功率谱密度函数。在抗疲劳设计中广泛使用计数法。 目前，已有的计算法有十余种之多，同一应力—时间历程用不同计数法编制出的载荷谱有时会差别很大。当然，按照这些载荷谱来进行寿命估算或试验，也会给出不同的结果。从统计观点上看，计数法大体分为两类：单参数法和双参数法[]。所谓单参数法是指只考虑应力循环中的一个变量，例如，峰谷值、变程（相邻的峰值与谷值之差），而双参数法则同时考虑两个变量。由于交变载荷本身固有的特性，对任一应力循环，总需要用两个参数来表示。其代表是雨流计数法。 雨流计数法是目前在疲劳设计和疲劳试验中用的最广泛的一种计数方法，是对随机信号进行计数的一种方法的一种。雨流计数法与变程对—均值计数法一样具有比较严格的力学基础，计数结果介于峰值法和变程法之间，提供比较符合实际的数据。雨流法是建立在对封闭的应力—应变迟滞回线逐个计数的基础上，它认为塑性的存在是疲劳损伤的必要条件，从疲劳观点上看它比较能够反映随机载荷的全过程。由载荷—时间历程得到的应力—应变迟滞回线与造成的疲劳损伤是等效的[]。 实用文档 应该指出，所有现行计数法均未记及载荷循环先后次序的信息资料。因为载荷先后次序的影响总是存在的，但如果将简化后的程序载荷谱的周期取短一些，则载荷先后次序的影响会减小至最小程度，这点已被荷兰国家宇航实验室 []。的试验结果证实 3.2 疲劳累积损伤理论 3.2.1 概述在疲劳研究过程中，人们早就提 出了“损伤”这一概念。所谓损伤，是指。累积损[]在疲劳过程中初期材料内的细微结构变化和后期裂纹的形成和扩展伤规律是疲劳研究中最重要的课题之一，它是估算变幅载荷作用下结构和零件疲劳寿命的基础。大多数结构和零件所受循环载荷的幅值都是变化的，也就是说，大多数结构和零件都是在变幅载荷下工作的。变幅载荷下的疲劳破坏，是不同频率和幅值的载荷所造成的损伤逐渐累积的结果。因此，疲劳累积损伤是有限寿命设计的核心问题。当材料承受高于疲劳极限的应力时，每一个循环都使材料产生一定的损伤，N1次恒幅载荷所。这种损伤是可以积累的，每一个循环所造成的平均损伤为nN nC造成的损伤等于
雨流计数法简介 0、前言 机械的疲劳失效是机械失效的主要失效方式,因此对机械失效的主要研究是机械疲劳失效. 目前, 机械疲劳失效的研究有两个方面: 一是根据求出的载荷谱来确定加载程序在试验室或者试验台上对机械进行疲劳试验, 得出机械(材料)在该工况下的实际寿命; 二是根据机械(材料)的特性与载荷谱并且用Miner 准则来估计机械的疲劳寿命. 无论是做疲劳试验还是估计疲劳寿命, 载荷谱的统计都是问题的关键[1]。 1、雨流计数法简介 雨流计数法又可称为“塔顶法”,是由英国的Matsuiski和Endo 两位工程师提出的, 距今已有50 多年。雨流计数法主要用于工程界, 特别在疲劳寿命计算中运用非常广泛。由来请参看图1, 把应变-时间历程数据记录转过90°,时间坐标轴竖直向下, 数据记录犹如一系列屋面, 雨水顺着屋面往下流, 故称为雨流计数法[2]。 雨流计数法的基本原理[3]如图1所示, 第一个雨流自0点处第一个谷的内侧流下, 从1点落1’后流至5, 然后下落。第二个雨流从峰1点内侧流至2点落下, 由于1点的峰值低于5点的峰值,故停止。第三个雨流自谷2点的内侧流到3, 自3点落下至3’, 流到1’处碰上上面屋顶流下的雨流而停止。如此下去, 可以得到如下的计数循环块:3-4-3’、1-2-1’、6-7- 6’、8-9- 8’、11-12-11、13-14-13’和12-15-12’。 1.1 雨流计数的基本流程如下。 (1) 根据采样定理作数据采集，得到时间历程记录，若截止频率为f c，则采样
间隔 Δt≤1/ 2f c (2) 根据连续的3个采样数据，删除既不是峰值也不是谷值的数据点，将时间历程记录转化为峰谷值序列。 (3) 针对峰谷值序列采用4点法雨流计数原则进行雨流计数，计数条件如下。 ①如果A>B；B≥D；C≤A，记录一个循环 (全波) BCB′，如图 2 所示。得到范围值S range＝|B -C|幅值S a＝|B -C|/ 2平均值S m＝(B +C)/ 2 ②如果 A 1 4-2 4-3 4-4 4-5 1.飞机设计的技术要求主要有哪些？ 定量指标：升限，Vmax，航程，载重，起飞重量，起飞着陆距离，机动性指标（加速，盘旋，爬升），寿命； 非定量指标：全天候，机场要求，维护要求；发展趋势：V ，Hmax ，载重，航程。 2.飞机在飞行、起飞、着陆及地面停放等过程中，作用在飞机上的外载荷有哪些？ 空气动力、发动机推力、质量力、着陆时的地面冲击力。 3.飞机疲劳载荷谱中主要有哪几种典型载荷状态？ ①机动载荷②突风载荷③地面载荷④内部增压载荷 4.分别说明常用紧固件（铆钉、螺栓和螺钉）和受力元件（杆、薄板、厚板）的承力特性。 铆钉：通常把它设计成传剪的受力状态 螺栓：螺栓既可受剪也能受拉，视具体情况而定 螺钉：主要用于压紧被连接的零构件，螺钉本身主要处于受拉状态 杆——只能承受(或传递)沿杆轴向的分散力或集中力。 薄板——适合承受在板平面内的分布载荷（受剪受拉受集中力） 厚板——各种力（分布、集中，剪力、拉压力） 5.现代飞机结构中最广泛采用的结构材料有哪些？ 1) 铝合金2) 镁合金3) 钛合金4) 高强度合金钢5) 不锈钢6) 复合材料 6.复合材料在飞机上应用的几种典型结构。 夹层结构加筋板结构波形腹板梁结构编织结构多梁式翼面结构整体结构翼身融合体结构 7.在外载荷作用下机翼上能形成哪几种形式内力？ 外载荷（空气动力载荷、机翼结构质量力、其他部件和装载等传来的集中载荷） 垂直剪力，水平剪力、垂直弯矩，水平弯矩、扭矩 8.梁式机翼的受力特点。 弯矩主要由翼梁缘条承受；剪力由翼梁腹板承受；扭矩由蒙皮和翼梁腹板形成的闭室承受。 3.简要说明整体式机翼的两种结构型式及受力特点。 单块式机翼：弯矩主要由蒙皮和桁条承受；剪力由翼梁腹板承受；扭矩由蒙皮和翼梁腹板形成的闭室承受。 多腹板式机翼：弯矩主要由蒙皮和缘条承受；剪力由翼梁腹板承受；扭矩由蒙皮和翼梁腹板形成的闭室承受。 9.举例说明机翼开口的种类和加强形式。 梁式机翼小开口、梁式机翼中开口：开口周围用围框式垫板或冲压加强框 10.机翼上气动载荷的传递情况。 蒙皮将气动载荷分别传给桁条和翼肋、桁条将其自身承担的那部分气动载荷传给翼肋、翼肋将气动载荷传给翼梁、翼梁将载荷向根部传递、周缘闭室将扭矩以剪流形式向根部传递、周缘闭室将力矩以剪流形式向根部传递 11.说明气动力增升装置的型式。 简单襟翼、开裂式襟翼、开缝襟翼、双缝襟翼、后退式襟翼、前缘襟翼、前缘缝翼、克鲁格襟翼、前缘吹气襟翼、后缘吹气襟翼。 12.机身的结构受力形式。 构架式、桁梁式、桁条式、硬壳式 13.说明机身受力构件布置的依据。 开口情况：（位置、形状、大小和开口特性）：由内部布置和机身 集中载荷：由装载布置与机身-机翼、机身-尾翼、机身-起落架确与其它部件的连接协调关系确定。 构件布置：主要是指横向构件(加强框、普通框)、纵向构件(长桁、桁梁、纵向加强壁板、加强长桁)以及蒙 细解Ansys疲劳寿命分析 2013-08-29 17:16 by:有限元来源:广州有道有限元 ANSYS Workbench 疲劳分析 本章将介绍疲劳模块拓展功能的使用: –使用者要先学习第4章线性静态结构分析. ?在这部分中将包括以下内容: –疲劳概述 –恒定振幅下的通用疲劳程序，比例载荷情况 –变振幅下的疲劳程序,比例载荷情况 –恒定振幅下的疲劳程序，非比例载荷情况 ?上述功能适用于ANSYS DesignSpacelicenses和附带疲劳模块的更高级的licenses. A. 疲劳概述 ?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: –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. –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. ?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. 接下来，我们将对基于应力疲劳理论的处理方法进行讨论. …恒定振幅载荷 ?在前面曾提到, 疲劳是由于重复加载引起: –当最大和最小的应力水平恒定时, 称为恒定振幅载荷. 我们将针对这种最简单的形式，首先进行讨论. –否则，则称为变化振幅或非恒定振幅载荷 …成比例载荷 ?载荷可以是比例载荷, 也可以非比例载荷:–比例载荷, 是指主应力的比例是恒定的,并且主应力的削减不随时间变化. 这实质意味着由于载荷的增加或反作用的造成的响应很容易得到计算.–相反, 非比例载荷没有隐含各应力之间相互的关系,典型情况包括:?在两个不同载荷工况间的交替变化?交变载荷叠加在静载荷上?非线性边界条件 第25.305条强度和变形 (a) 结构必须能够承受限制载荷而无有害的永久变形。在直到限制载荷的任何载荷作用下，变形不得妨害安全运行。 (b) 结构必须能够承受极限载荷至少三秒钟而不破坏，但是当用模拟真实载荷情况的动力试验来表明强度的符合性时，则此三秒钟的限制不适用。进行到极限载荷的静力试验必须包括加载引起的极限变位和极限变形。当采用分析方法来表明符合极限载荷强度要求时，必须表明符合下列三种情况之一: (1) 变形的影响是不显著的; (2) 在分析中已充分考虑所涉及的变形; (3) 所用的方法和假设足以计及这些变形影响。 (c) 如果结构的柔度特性使在飞机运行情况中很可能出现的任一加载速率会产生比相应于静载荷的应力大得多的瞬态应力，则必须考虑这种加载速率的影响。 (d) [备用] (e) 飞机必须设计成能承受在直到V D /M D的任何可能的运行条件下(包括失速和可能发生的无意中超出抖振包线边界)会发生的任何振动和抖振。这一点必须通过分析、飞行试验、或中国民用航空局适航部门认为必要的其它试验进行验证。 (f) 除经证明为极不可能的情况外，飞机必须设计成能承受因飞行操纵系统的任何故障、失效或不利情况而引起的结构强迫振动。这些强迫振动必须视为限制载荷，并必须在直到 V C /M C 的各种空速下进行研究。 〔中国民用航空局1995 年12 月18 日第二次修订，2001 年5 月14 日第三次修订〕 第25.307 条结构符合性的证明 (a) 必须表明每一临界受载情况下均符合本分部的强度和变形要求。只有在经验表明某种结构分析方法对某种结构是可靠的情况下，对于同类的结构，才可用结构分析来表明结构的符合性。当限制载荷试验可能不足以表明符合性时，适航当局可以要求作极限载荷试验。 (b) [备用] (c) [备用] (d) 当用静力或动力试验来表明符合第25.305(b)条对飞行结构的要求时，对于试验结果必须采用合适的材料修正系数。如果被试验的结构或其一部分具有下列特征：多个元件对结构总强度均有贡献，而当一个元件损坏以后，载荷通过其它路径传递导致重新分布，则不必采用材料修正系数。 ANSYSWORKBENCH疲劳分析指南 发表时间：2009-2-19 作者: 安世亚太来源: e-works 关键字: CAE ansys Workbench 疲劳分析 第一章简介 1.1 疲劳概述 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：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；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。 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。接下来，我们将对基于应力疲劳理论的处理方法进行讨论。 1.2 恒定振幅载荷 在前面曾提到，疲劳是由于重复加载引起： 当最大和最小的应力水平恒定时，称为恒定振幅载荷，我们将针对这种最简单的形式，首先进行讨论。 否则，则称为变化振幅或非恒定振幅载荷。 1.3 成比例载荷 载荷可以是比例载荷，也可以非比例载荷： 比例载荷，是指主应力的比例是恒定的，并且主应力的削减不随时间变化，这实质意味着由于载荷的增加或反作用的造成的响应很容易得到计算。 相反，非比例载荷没有隐含各应力之间相互的关系，典型情况包括： σ 1/σ 2 =constant 在两个不同载荷工况间的交替变化； 交变载荷叠加在静载荷上； 非线性边界条件。 1.4 应力定义 考虑在最大最小应力值σ min 和σ max 作用下的比例载荷、恒定振幅的情况： 应力范围Δσ定义为(σ max -σ min ) 平均应力σ m 定义为(σ max +σ min )/2 应力幅或交变应力σa是Δσ/2 应力比R是σ min /σ max 当施加的是大小相等且方向相反的载荷时，发生的是对称循环载荷。这就是σm=0，R=-1的情况。 当施加载荷后又撤除该载荷，将发生脉动循环载荷。这就是σ m =σ max /2， R=0的情况。 1.5 应力-寿命曲线 载荷与疲劳失效的关系，采用的是应力-寿命曲线或S-N曲线来表示： [1]. 李振兴, 5T悬挂吊车作用下焊接球网架结构的理论疲劳栽荷谱编制. 2014, 太原理工大学. 疲劳寿命计是结构承载过程中理想的疲劳状态监测元件,其电阻产生的不可逆变化反映了结构的疲劳加载历程。首先比较分析了普通应变片和疲劳寿命计在实际应用中的优劣,然后在采用恒幅加载实验研究其基本测试性能的基础上,通过多级加载实验进一步证实了疲劳寿命计电阻响应规律的正确性,由此研究 分析了桥梁等大型结构在实际的瑞利分布载荷作用下的疲劳加载历程,并对其 使用寿命和剩余寿命进行预测。 [1]. 罗艳利, 胡明敏, and 方义庆, 基于疲劳寿命计的桥梁载荷谱识别研究. 理化检验(物理分册), 2005(08): p. 387-390. 疲劳寿命计是结构承载过程中理想的疲劳状态监测元件,其电阻产生的不 可逆变化反映了结构的疲劳加载历程。首先比较分析了普通应变片和疲劳寿命计在实际应用中的优劣,然后在采用恒幅加载实验研究其基本测试性能的基础上,通过多级加载实验进一步证实了疲劳寿命计电阻响应规律的正确性,由此研究分析了桥梁等大型结构在实际的瑞利分布载荷作用下的疲劳加载历程,并对 其使用寿命和剩余寿命进行预测。 [1]. 罗艳利, 胡明敏, and 方义庆, 基于疲劳寿命计的桥梁载荷谱识别研究. 理化检验(物理分册), 2005(08): p. 387-390. 疲劳寿命计是结构承载过程中理想的疲劳状态监测元件,其电阻产生的不可逆变化反映了结构的疲劳加载历程。首先比较分析了普通应变片和疲劳寿命计在实际应用中的优劣,然后在采用恒幅加载实验研究其基本测试性能的基础上,通过多级加载实验进一步证实了疲劳寿命计电阻响应规律的正确性,由此研究分析了桥梁等大型结构在实际的瑞利分布载荷作用下的疲劳加载历程,并对其使用寿命和剩余寿命进行预测。 [1]. 孙乐and 胡明敏, 基于数字疲劳传感器的桥梁载荷谱研究. 江苏航空, 2008(S1): p. 91-93. 数字疲劳传感器是一种电阻响应传感器,其核心元件疲劳计是由特殊退火处理康铜材料制成的,具有不逆电阻疲劳载荷响应的特性,在交变载荷作用下该传感器产生不可逆电阻改变,而且电阻的变化可以反映结构疲劳加载历程,是一种理想的结构状态监测装置。本文首先阐述了其基本特性和工作原理,然后根据桥梁载荷谱的瑞利分布特点,设计了双疲劳计响应载荷谱测定方法,得到疲劳传感器电阻变化与桥梁瑞利载荷谱的对应关系。最后介绍了基于该传感器的疲劳载荷监测系统和在东海大桥监测应用情况。 [1]. 陈景杰, 黄一, and 李玉刚, 考虑疲劳载荷相互影响的修正的Miner准则研究. 中国造船, 2014(03): p. 36-42.疲劳累积损伤理论
第4章 疲劳累积损伤理论
4.1 疲劳损伤 4,2 疲劳累积损伤理论 4.3 线性疲劳累积损伤理论 4.4 修正的线性疲劳累积损伤理论 4.5 非线性疲劳累积损伤理论 4.6 疲劳累积损伤理论的讨论 主要参考文献
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第4章 疲劳累积损伤理论
4.1 疲劳损伤
损伤 (英文为Damage，拉丁语Damnum)
——通常解释为受损伤物体的价值或用途减小了。其物理解释 通常将损伤概念与失去完整性相联系，例如，微观裂纹的形成、 物理性能的下降(如强度退化)等。 目前定义损伤变量有两种途径：
微观或物理 宏观或唯象
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第4章 疲劳累积损伤理论
4.1.1 微观或物理
从微观的或物理的角度定义的疲劳损伤是指这种损伤是 可以通过某种方法直接测量得到的，常用的损伤变量有： 直接测量 位错的密度 空洞体积(面积)比 微观裂纹的密度 显微硬度 分层区域面积与纤维和基体的界面面积之比 某固定区域内纤维脱胶和断裂的数量 固定区域内所有基体裂纹的长度
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位错
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南京航空航天大学 姚卫星? 南京航空航天大学 姚卫星?飞机结构20题。无答案
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飞机结构强度有关适航条例
疲劳分析指南
疲劳载荷谱
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