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低周疲劳下45钢的寿命预测
作者：张赟， 鲁春朋， 芮执元， ZHANG Yun， LU Chun-peng， RUI Zhi-yuan
作者单位：兰州理工大学机电工程学院,甘肃兰州,730050
刊名：
机械工程材料
英文刊名：MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING
年，卷(期)：2007,31(6)
参考文献(12条)
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Ⅰ:Theoretical analysis[外文期刊] 1996(06)
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Ⅲ:experimental investigations on notched specimens 2006
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本文链接：https://www.doczj.com/doc/c417641361.html,/Periodical_jxgccl200706008.aspx
剩余寿命预测 1 高温炉管剩余寿命预测的基本原则和方法 1.1 高温炉管寿命预测的基本原则 炉管检测后的最终质量通常用A、B、C三个级别进行评价。即“A”级管有较轻度或没有蠕变裂纹，这种炉管继续使用没有问题；“B”级管有一定程度的蠕变裂纹，但可以继续使用，同时应加强监视；“C”级管的蠕变深度及面积已达到极限。这类炉管不能继续使用，必须更换。要预测炉管的残余寿命，实际上就是预测“B”级管的使用年限，因为对大多数高温炉管来说，“C”级管是必须更换的。 目前，炉管的检测通常釆用专业炉管检测装置进行。虽然炉管检测装置具有它的可靠性、稳定性和准确性，但它只有一个单一的蠕变裂纹深度指标，如果要估算炉管的残余寿命必须要综合考虑，不能绝对地靠检测到“A、B”级来对炉管残余寿命下定义,因为化学成分和原始组织决定材料的原始强度，而运行时间、温度及应力的变化决定材料受蠕变损伤的程度。 根据国内外对高温炉管的研究结果，本文在对扬子石化公司芳烃厂BA1051制氢转化炉炉管进行评定时，按照如下的基本原则预测炉管的寿命。首先确定导致炉管损伤的主要原因，然后根据炉管的损伤状态，选择相应的预测方法。在对预测结果进行修正时同时兼顾其它因素的影响，在最终得到的使用寿命中应包含一定的安全余度，以适应炉管工作条件的变化。 1.2 高温炉管寿命预测的方法 为了最经济地利用炉管，剩余寿命评价技术必须准确，同时工程上又要求其实施必须简便。近年来国内外对高温炉管剩余寿命评价技术的研究投入了大量的人力和物力，提出了多种预测炉管剩余寿命的方法，归纳起来可大致可分为间接法和直接法两类。直接法即非破坏检查和破坏检查两类剩余寿命诊断技术，间接法即理论解析法。解析法和破坏检查所需时间较长，而非破坏检查可在较短时间，对较多部位进行诊断，且能定期监测。所以采用非破坏检查的方法预测炉管剩余寿命更为实用。 目前非破坏性检查的剩余寿命诊断技术主要有： （1）金属组织变化测定法，炉管长期在高温、应力和环境共同作用下服役，材料的微观组织会发生变化，如碳化物的析出、蠕变空洞的增殖等等。金属组织变化测定法就是通过测定组织的变化来评价炉管的剩余寿命。这种方法需要事先搞清楚金属组织变化与寿命之间的定量关系。目前比较成熟的法有A参数法、晶粒变形法、微结构法、另外还有空洞面积率法。A参数法是英国(ERA、CEGB)、美国(EPRI)于1983年提出的方法，其主要思路是沿主应力方向引一参考线，A参数就是参考线横切晶界总数与存在空洞晶界数的比值。预先求得各种材料的A参数与蠕变寿命比，通过复制试样法测定A参数，进行评价剩余寿命。实验验证表明：A参数能较好地定量损伤状态。空洞面积率是空洞所占面积与全观察面积的比值，它比较容易计量且与寿命的相关性好。应用该方法应注意要把蠕变空洞与碳化物或夹杂物脱落所造成的空洞区别开来，以免误判。A参数法和空洞面积率法还有两个问题需解决： a.有裂纹时，如何来测A参数和空洞面积率，虽然测定方法较多，但不同的方法得到的值不同； b.空洞分布不均匀性的计算及其影响。有些材料往往寿命后期才出现空洞，此时用A参
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
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
什么是高周疲劳、低周疲劳？ 为便于分析研究，常按破坏循环次数的高低将疲劳分为两类：①高循环疲劳（高周疲劳）。作用于零件、构件的应力水平较低，破坏循环次数一般高于104～105的疲劳，弹簧、传动轴等的疲劳属此类。②低循环疲劳（低周疲劳）。作用于零件、构件的应力水平较高，破坏循环次数一般低于104～105的疲劳，如压力容器、燃气轮机零件等的疲劳。实践表明，疲劳寿命分散性较大，因此必须进行统计分析，考虑存活率（即可靠度）的问题。具有存活率p（如95％、99％、99.9％）的疲劳寿命Np的含义是：母体（总体）中有p的个体的疲劳寿命大于Np。而破坏概率等于（1－p ）。常规疲劳试验得到的S-N曲线是p＝50％的曲线。对应于各存活率的p的S-N曲线称为p-S-N曲线。 疲劳(2) fatigue 材料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。 研究简史有记载的最早进行疲劳试验是德国的W.A.艾伯特。法国的J.-V.彭赛列首先论述了疲劳问题并提出“疲劳”这一术语。但疲劳研究的奠基人则是德国的A.沃勒，他在19世纪50～60 年代最早得到表征疲劳性能的S-N曲线并提出疲劳极限的概念。20世纪50年代P.J.E.福赛思首先观察到疲劳过程中在滑移带内有金属薄片挤出的现象。随后N.汤普孙等人发现这种滑移带不易用电解抛光去掉，称为“驻留滑移带”。后来证明，驻留滑移带常常成为裂纹源。1924年德国的J.V.帕姆格伦在估算滚动轴承寿命时，假设轴承的累积损伤与其转动次数成线性关系。1945年美国M.A.迈因纳明确提出了疲劳破坏的线性损伤累积理论，也称为帕姆格伦- 迈因纳定律，简称迈因纳定律。此后，断裂力学的进展丰富了传统疲劳理论的内容，促进了疲劳理论的发展。用概率统计方法处理疲劳试验数据，是20世纪20年代开始的。60年代后期，概率疲劳分析和设计从电子产品发展到机械产品，于是在航空、航天工业的先导下，开始了概率统计理论在疲劳设计中的应用。 循环应力在工程上引起的疲劳破坏的应力或应变有时呈周期性变化，有时是随机的。在疲劳试验中人们常常把它们简化成等幅应力循环的波形，并用一些参数来描述。图1中σmax 和σmin 是循环应力的最大和最小代数值；γ＝σmin／σmax是应力比；σm＝（σmax＋σmin）／2是平均应力；σa＝（σmax－σmin）／2 是应力幅。当σm＝0时，σmax与σmin的绝对值相等而符号相反，γ＝－11，称为对称循环应力；当σmin＝0时，γ＝0称为脉动循环应力。 曲线S-N曲线中的S为应力（或应变）水平，N为疲劳寿命。S-N曲线是由试验测定的，试样采用标准试样或实际零件、构件，在给定应力比γ的前提下进行，根据不同应力水平的试验结果，以最大应力σmax或应力幅σa为纵坐标，疲劳寿命N为横坐标绘制S-N曲线（图2）。当循环应力中的σmax小于某一极限值时，试样可经受无限次应力循环而不产生疲劳破坏，该极限应力值就称为疲劳极限，图2中S-N曲线水平线段对应的纵坐标就是疲劳极限。而左边斜线段上每一点的纵坐标为某一寿命下对应的应力极限值，称为条件疲劳极限。 疲劳特征零件、构件的疲劳破坏可分为3个阶段：①微观裂纹阶段。在循环加载下，由于物体的最高应力通常产生于表面或近表面区，该区存在的驻留滑移带、晶界和夹杂，发展成为严重的应力集中点并首先形成微观裂纹。此后，裂纹沿着与主应力约成45°角的最大剪应力方向扩展，裂纹长度大致在0.05毫米以内，发展成为宏观裂纹。②宏观裂纹扩展阶段。裂纹基本上沿着与主应力垂直的方向扩展。③瞬时断裂阶段。当裂纹扩大到使物体残存截面不足以抵抗外载荷时，物体就会在某一次加载下突然断裂。对应于疲劳破坏的3个阶段，在疲劳宏观断口上出现有疲劳源、疲劳裂纹扩展和瞬时断裂3个区（图3）。疲劳源区
发动机叶片高周疲劳失效分析 090605 鲍海滨 摘要：为了降低航空发动机叶片的高循环疲劳失效。分析了导致高循环疲劳失效的原因、失效准则，以及一种研究材料多轴高周疲劳的新途径。 关键词：航空发动机叶片高循环疲劳失效 1 引言 航空发动机结构完整性和可靠性设计，对满足现代高性能航空发动机高推重比(高功质比)、高适用性、高可靠性、耐久性和低成本的要求起着至关重要的作用。采用先进的气动设计和先进结构、新材料、新工艺是现代高性能航空发动机最重要的特征，而无论是先进的气动设计，还是先进的结构、材料和工艺，都必须建立在结构完整性和可靠性的基础上。 航空发动机结构完整性和可靠性方面的不足严重地制约着在研发动机的研制目标和周期。在中国航空发动机研制过程中，科研人员最深刻的体会是，相对而言实现发动机性能指标的周期要短一些，也有一些有效的办法，而大量的结构完整性和可靠性问题特别是叶片断裂故障却显著地影响着发动机的质量和设计定型的周期。 导致叶片断裂失效的原因是多方面的[1，2]，根据不同的参考标准和参量，疲劳断裂二级失效模式如图1所示[3] 据统计，在燃气涡轮发动机中，由高循环疲劳引发的事故约占总事故的25%。因此，最大限度地降低航空发动机叶片高循环疲劳失效是最现实、亟待解决的任务。
根据频率 根据应力大小 根据温度 穿晶型疲劳断裂 沿晶型疲劳断裂 剪切型疲劳断裂 正断型疲劳断裂 晶格型 非晶格型 机械疲劳断裂 热疲劳断裂 拉—压疲劳断裂 弯曲疲劳断裂 扭转疲劳断裂 接触疲劳断裂 低温疲劳断裂 高温疲劳断裂 机械疲劳断裂 腐蚀疲劳断裂 应力疲劳断裂 应变疲劳断裂 高周疲劳断裂 低周疲劳断裂 高频疲劳断裂 低频疲劳断裂 室温疲劳断裂 图1 疲劳二级失效模式分类 2 高周疲劳失效的影响因素 2.1名义应力的影响 很早的时候就确认名义应力会引起失效。125年前Wohler[4]发现随着名义拉应力的增加引起失效的交变应力幅将随之减少。后来Gerber[5]提出抛物线关系理论，即应力幅与名义应力间存在着抛物线关系，相应于零幅值交变应力的名义应力极限等于材料的拉伸极限。Goodmen用对称交变应力和名义应力的线性关系代替抛物线关系增加了设计的安全裕度。事实上，设计中很多有疲劳极限低于此直线值，Goodmen曲线实为一种保守设计。Miller 用循环应力代替但相对屈服应力对这一理论作了另一种解释。 令人惊讶的是，这些理论中的关系式没有一条被试验验证。而我们却已把这些理论广泛用于工程实际，因此使用诸如Goodmen这些保守理论并非有什么不合理。还有一种情况我们引起注意，即压应力并不减少改变许用的交变载荷。事实上，平均压应力常会增加疲劳强度，所以对于设计计算，疲劳强度考虑成与零平均应力的疲劳强度相一致。
管道腐蚀剩余寿命预测 埋地管道长年埋置地下，不可避免地遭受腐蚀。特别是随着埋地管道服役时间的增加，管道腐蚀情况越来越严重，给管道使用单位的安全生产和经济效益带来严重的影响。开展埋地管道腐蚀的剩余寿命预测评估，对提高埋地管道事故隐患区段的预测能力，实施管道运行完整性管理具有十分重要的意义。 埋地管道因遭受内在和外在因素的破坏，使其设计寿命严重地受到威胁。其中内在因素如管道本身的擦痕、划痕、压痕等机械损伤，管道制造和施工过程中的质量问题；外在因素如地下管道受到腐蚀、人为破坏、管道运行管理不善等。目前，我国埋地管道面临着管道老化、变质等问题，管道使用寿命和剩余使用寿命问题越来越受到重视。 管道的设计寿命一般为33年，为保持管道预期设计寿命，管道使用单位都制定了严格的管道定期检测和日常维护计划，同时十分重视管道的管理、检查和维护工作，有些国家则把管道线路的腐蚀和泄漏检测纳入SCADA系统。 在役埋地管道的剩余寿命预测实际上是一个涵盖管道在线检测、安全状况评价、剩余寿命预测的一个系统工程。 与设计寿命密切相关的是埋地管道的诊断问题。所谓管道腐蚀剩余寿命的基本概念是管道个别地段的剩余使用寿命。对个别管道的持续运行寿命进行诊断，不仅可预防未来可能发生的故障，而且会对管道运行制度和预检修措施进行正确的规划。在很多情况下，还可使这段管道在降低负荷的条件下继续利用其有效期。为此，应将整个埋地管道线路划分成各自不同的典型地段（如按规则规定划分为四种地段），在此基础上进行危险区段的剩余寿命预测。 对管道内、外部结构进行早期诊断，可预测管道剩余使用寿命。埋地管道失效多数情况下是由管体外部腐蚀造成的，其主要机理是土壤的电化学腐蚀。根据管道失效的特点可将腐蚀缺陷分为均匀腐蚀、局部腐蚀和点腐蚀三大类，但因腐蚀影响因素具有极大不确定性，以及缺陷的发生和发展的不确定性（特别是对点蚀），需要从概率统计的角度出发对整条管线或整个管段的剩余寿命进行统计分析，找出其统计规律。 管道本体存在的裂纹也是影响管道使用寿命的重要因素，裂纹的扩展速度会严重影响管道的剩余寿命。所以管道剩余寿命预测中还包括低周疲劳裂纹扩展寿命评估方法，主要是规定当裂纹尺寸达到某一给定长度时的疲劳周次为疲劳裂纹的萌生寿命。但由于裂纹萌生过程中存在很大的随机性，即使同一材料在其相邻区域上截取不同的试样，同一裂纹长度指标对应的循环周期可能处于裂纹扩展的不同阶段。所以也需要利用恰当的物理模型与统计方法确定一种可靠的裂纹尺寸与寿命的关系。 研究表明，金属的老化效应和管道表面的腐蚀损伤会导致管材脆变，从而改变材料的塑
疲劳形成寿命预测方法 10船 王茹娇 080412010035 疲劳裂纹形成寿命的概念 发生疲劳破坏时的载荷循环次数，或从开始受载到发生断裂所经过的时间称 为该材料或构件的疲劳寿命。 疲劳寿命的种类很多。从疲劳损伤的发展看，疲劳寿命可分为裂纹形成和裂 纹扩展两个阶段：结构或材料从受载开始到裂纹达到某一给定的裂纹长度a0为 止的循环次数称为裂纹形成寿命。此后扩展到临界裂纹长度acr 为止的循环次数 称为裂纹扩展寿命，从疲劳寿命预测的角度看，这一给定的裂纹长度与预测所采 用的寿命性能曲线有关。此外还有三阶段和多阶段，疲劳寿命模型等。 疲劳损伤累积理论 疲劳破坏是一个累积损伤的过程。对于等幅交变应力，可用材料的S —N 曲 线来表示在不同应力水平下达到破坏所需要的循环次数。于是，对于给定的应力 水平σ，就可以利用材或零部件的S —N 曲线，确定该零件至破坏时的循环数N ， 亦即可以估算出零件的寿命，但是，在仅受一个应力循环加载的情况下，才可以 直接利用S —N 曲线估算零件的寿命。如果在多个不同应力水平下循环加载就不 能直接利用S —N 曲线来估计寿命了。对于实际零部件，所承受的是一系列循环 载荷，因此还必须借助疲劳累积损伤理论。 损伤的概念是，在疲劳载荷谱作用下材料的改变（包括疲劳裂纹大小的变化， 循环应变硬化或软化以及残余应力的变化等）或材料的损坏程度。疲劳累积损伤 理论的基本假设是：在任何循环应力幅下工作都将产生疲劳损伤，疲劳损伤的严 重程度和该应力幅下工作的循环数有关，与无循环损伤的试样在该应力幅下产生 失效的总循环数有关。而且每个应力幅下产生的损伤是永存的，并且在不同应力 幅下循环工作所产生的累积总损伤等于每一应力水平下损伤之和。当累积总损伤 达到临界值就会产生疲劳失效。目前提出多种疲劳累积损伤理论，应用比较广泛 的主要有以下3种:线性损伤累积理论，修正的线性损伤累积理论和经验损伤累 积理论。 线性损伤累积理论在循环载荷作用下，疲劳损伤是可以线性地累加的，各个 应力之间相互独立和互不相干，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，线性损伤累积理论中典型的是Miner 理论。 根据该理论，假设在应力i σ下材料达到破坏的循环次数为i N ，设D 为最终 断裂时的临界值。根据线性损伤理论，应力i σ每作用一次对材料的损伤为i N D /， 则经过i n 次后，对材料造成的总损伤为i i N D n /。
文章编号:167325196(2008)0420170203 柔性结构疲劳寿命的预测方法 董黎生,程 迪 (郑州铁路职业技术学院机车车辆系,河南郑州 450052) 摘要:讨论柔性构架结构疲劳寿命的预测方法,建立刚柔耦合多体动力学模型,计算结构危险点的动载荷时间历程;利用有限元准静态分析法,获得应力影响因子;利用模态分析技术获得结构固有频率和模态振型,确定结构的危险点位置。基于危险应力分布的动载荷历程,结合材料特性曲线以及线性损伤理论,进行标准时域的柔性结构应力应变的循环计数,损伤预测和寿命估计.应用该方法对构架结构进行疲劳寿命预测,结果表明,该预测方法预测精度有效,可以有效提高结构耐久性设计质量. 关键词:多体系统;柔性结构;有限元;疲劳寿命预测 中图分类号:O346 文献标识码:A Prediction method of fatigue life of flexible structure DON G Li2sheng,C H EN G Di (Locomotive and Rolling Stock Depart ment,Zhengzhou Railway Vocational&Technical College,Zhengzhou 450052,China) Abstract:Prediction met hod of fatigue life of flexible f ramed st ruct ure was discussed,dynamic model of rigidity2flexibility co upled multi2body was established,and time history of dynamic load at t he critical point of t he st ruct ure was comp uted.Influential factors of st resses were obtained by using t he finite element analysis met hod for quasi2static conditions.The nat ural frequency and vibration modes of t he struct ure as well as t he location of it s critical point were determined by using t he model analysis technique.Based on t he dynamic load history of critical st ress distribution and employing t he material characteristic curves and it s linear damage t heory,t he cyclic counting of stresses and st rains,damage p rediction,and life estimation of t he flexible st ruct ure were performed in standard time domain.The fatigue life prediction of t he f ramed st ruct ure was conducted wit h t his met hod and it was shown by t he result t hat t he prediction accuracy was valid and t he design quality of struct ure durability would be effectively imp roved. K ey w ords:multi2body system;flexible st ruct ure;finite element;fatigue life prediction 预测结构寿命最有效方法是通过室内工作台或线路耐久性试验获得危险点的动应力历程数据.对一些复杂结构,要在室内进行耐久性试验几乎是不可能的.而在实际线路上进行耐久性试验,耐久性试验费用昂贵,试验周期也长,受到运行路线和时间等诸多条件限制,只能在有限的线路和时段内进行构架结构危险部位的动应力测试,进而通过应力应变数据的有效采集和雨流法统计处理,最后根据相关损伤累计理论进行结构寿命估计. 文献[1]中首次在国内外提出通过动力学仿真及有限元分析混合技术手段进行车体结构疲劳寿命 收稿日期:2008202229 作者简介:董黎生(19622),男,山西万荣人,副教授.的评估.就机车车辆而言,在运行过程中反复承受随机轨道不平顺传递的持续小幅振动载荷、过曲线、过道岔以及启动制动时的冲击等复合载荷的作用,导致结构关键部位,如关键位置处的焊接接头以及焊接区域局部应力集中发生,从而导致裂纹萌生和扩展等结构疲劳现象的发生.针对这些疲劳问题,现场一般采用设置局部加强筋、开设止裂板等措施来提高其局部静强度和分化应力集中导致的影响.但是这些措施并没有从整车系统动态特性的角度考虑问题,因此可能再次导致结构刚度的分布不均,从而使得结构其他部位再次出现新的疲劳问题.在文献[1～8]的基础上,本文提出一种柔性结构疲劳寿命的预测方法,对机车车体结构进行寿命预测. 第34卷第4期2008年8月 兰 州 理 工 大 学 学 报 Journal of Lanzhou University of Technology Vol.34No.4 Aug.2008
金属疲劳寿命的预测 摘要 当一个金属样品受到循环载荷时，大量的起始裂纹将在它的体内出现。样品形成了有初始裂纹的样本：样品越大，样本也越大。在作者先前的研究中表明，在极值统计的帮助下，通过估计最大预期裂纹深度能够预测疲劳极限。本来表明，在一个类似的方式下，疲劳极限以上的疲劳裂纹萌生时间是可以预测的。用最小的分布可得到最短预期初始时间的预测，代替了用最大分布估计最大裂纹尺寸，并以广泛的实验数据获得了好的赞同。 本文为构件的总的疲劳寿命估计提供了一种新的方法。当得知了预计的裂纹萌生寿命和临界裂纹尺寸时，稳定的裂纹扩展就能通过Paris law计算出来。总的疲劳寿命的估算值是裂纹萌生和裂纹扩展的总和。本文介绍的是：为发现任何一种材料裂纹萌生寿命而相应的构建设计曲线的方法。 1、介绍 估计金属构件疲劳寿命的最古老和最常用的方法是S-N曲线，尽管它的缺点众所周知。其中之一是，因观察试样缺口的光滑程度不同而使得疲劳寿命有很大的不同。有些手册尝试通过为不同的应力值浓度的因素单独设计曲线解决这个问题，如Buch。其被当时看作是避免这一问题的局部应变方法。在这种方法中，提出了无论试样的形状如何，相同的应变振幅总是相同的疲劳寿命。 一个构件的总疲劳寿命可以分为3个阶段：裂纹产生、裂纹稳定扩展和裂纹失稳生长。最后一个阶段很迅速，在估计总的疲劳寿命时可以在实际工作中忽略。利用LEFM可获得裂纹稳定生长的可靠样本。不同几何的应力强度因子和所收录例子的大量的公式都可在文献中找到，并且权函数的使用为扩展这种方法的使用提供了可能性。 用类似LEFM的方式对裂纹初始相位的建模，或裂纹的扩展做了很多的尝试，例如：Miller，Austen，Cameron and Smith。另一种方法是用局部应变方法仅对初始寿命进行估计，然后用LEFM和一个合适的计算机程序完成对总疲劳寿命的计算。 经Makkonen研究表明，统计方法能够用来预测金属构件的疲劳极限。当一个构件受到交变载荷时，大量的微裂纹将在它的内部产生，裂纹的数量取决于试样的大小。运用极值统计法来计算裂纹样品类型中的最大裂纹的估计值成为可
Journal o f Mechanical Strength 2010, 32( 6) : 1018- 1021 p 研究简报 p 曲轴轴系的结构强度分析与疲劳寿命估算 X ANALYSIS OF STRUCTURAL STRENGTH AND PRED ICTION OF FATIGUE LIFE FOR CRANKSHAFT AND LINK MEC HANISM 朱永梅X X 王明强 刘艳梨 ( 江苏科技大学 机械工程学院, 江苏 镇江 212003) ZHU YongMei WANG MingQiang LIU YanLi ( School o f Mechanical Enginee ring , Jiangsu Unive rsity o f Scie nce and Tec hnology , Zhenjiang Jiangsu 212003, China ) 摘要 将多柔体动力学方法引入到曲轴计算中, 建立发动机曲轴轴系的动力学仿真模型, 对曲轴轴 系进行刚柔耦 合 多体运动学和动力学仿真, 为下一步疲劳寿命计 算提供可靠的载荷条 件; 然 后, 从曲 轴所受的 载荷中找 出三个 载荷比 较 大的 时刻, 计算得到其相应时刻的应力和应变分布规律, 找出曲轴受力的危险部位, 为曲轴的动态强度分析提 供数据; 最 后, 结合 Ansys 有限元分析软件和柯顿- 多兰( Certon - Dolan) 理论, 估算 连杆疲 劳寿命, 同 时分析多 级载荷 加载次 序对疲 劳 寿命的影响, 为零部件的主动寿命设计提供参考 数据和理论判据。 关键词 强度 疲劳寿命 动力学 曲轴轴系 中图分类号 TH123. 3 Abstract Introducing mult-i flexib1e body dynamics to crankshaft computing, a dynamics simulation model of crank and link mechanism of an engine is built. Based on the rigid and flex coupled model, ADAMS( automatic dynamic analysis of mechanical sys - tems) is used to do a kinematics and dynamic simulation to get dynamic loads. It also provides a reliable characteristic for the body v-i bration noise of next step. Then the bigger loads of three moments are identified from all loads. The distribution law of the stress and strain of correspondi n g moment are achieved and its dangerous parts are found to offer date of dynamic strength analysis. At las t, com - bining the Ansys and the theory of Certon -Dolan, the fatigue life of the link is calculated and the affection of loading order of multilevel loads to fatigue life is analyzed in detail, which have provided the referenced data and the theory of criterion for reliability desi g n. Key words Strength; Fatigue life; Dynamics; Crankshaft and link mechanism Cor res pon ding autho r : Z H U Yong Mei , E -mail : zymtt @ 163. com , Tel : + 86- 511- 84401198, Fa x : + 86-511- 84402269 The project supported by the Shipbuilding Industry Defense Technology Pre - research Foundation of China ( No . 07J2. 3. 2) . Manuscript received 20090722, in revi s ed form 20090908. 引言 曲轴轴系是发动机的主要组件之一, 其动力学特 性对发动机的工作可靠性、振动、噪声等有较大影响。 其受周期性变化的气缸压力和惯性力的共同作用, 并 对外输出转矩, 工作负荷非常 大, 容易发 生断裂等破 坏, 因此有必要对曲轴进行强度、模态和疲劳寿命等校 核。 虽然目前很多疲劳可靠性估算模型己经很成熟, 并有效地应用于很多领域, 但对于柴油机关键零部件, 如曲轴、活塞、连杆以及活塞销等, 在随机疲劳行为模 型及可靠性估算模型的理论研究和应用方面还是有欠 缺的。例如文献[ 1] 在实测应力累积频数分布图时忽 略应力的先后次序对疲劳的影响。文献[ 2] 提出基于 联合仿真的疲劳寿命预测方法预测部件的疲劳寿命, 其研究对象为单缸, 而实际应用中多缸发动机较多, 实 际情况复杂, 这样确定危险工况存在一定的误差。文 献[ 3] 针对某单缸发动机曲轴断裂问题, 通过材料的改 变计算最大载荷工况下的变形和应力, 但是在进行强 度分析之前没有考虑动力学特性的影响。 本文以某台四冲 程 V 型八缸发动机曲轴轴系为 研究对象, 建立动力学仿真分析模型, 其中曲轴作为柔 性体处理, 应用有限元分析 软件 Ansys 对其进行模态 分析, 生成 M NF ( modal neutral file) , 利用 ADAMS( auto - matic dynamic analysis of mechanical systems )P Vie w 模块, 将柔性体模态变形融入到多体系统的动力学仿真中。 通过 Ansys 分析找出曲轴、连杆等工作时的危险部位, 将应力值取出分别用 Miner 方 法和 Certon -Dolan 方法 X 20090722 收到初稿, 20090908 收到修改稿。船舶工业国防科技预研基金( 07J2. 3. 2) 。 XX 朱永梅, 女, 1969 年 9 月生, 江苏镇江人, 汉族。江苏科技大学机械工程学院副教授, 硕士, 从事机械设 计理论、机械强度、可靠性等研 究。 发 表论文十余篇。
Harbin Engineering University 现代力学实验技术 实验报告 实验题目：疲劳实验 姓名：王笑笛班级：土木工程学号：S8 实验时间：2015 年11 月25 日 组成员：王方鑫、韩天一、王笑笛 预习操作实验报告教师签章成绩 力学与工程技术实验教学中心
一、实验原理 1．了解材料的疲劳性质，测定某个应力等级下的疲劳寿命。 2．了解高频疲劳试验机的工作原理和操作方法。 3．掌握不确定性测量的基本分析方法。 二、实验设备 INSTRON电液伺服疲劳试验机，配备相应的载荷传感器，引伸计等。 8800 三、电液伺服疲劳试验机原理 电液伺服疲劳试验机原理如图所示，泵站提供液压动力，程序装置、型号发生装置、函数发生器等发出控制信号驱动伺服驱动器，伺服驱动器驱动伺服阀，伺服阀驱动作动器。各种传感器测量信号经过测量和放大器输出各种信号，形成控制回路。 图 1 电液伺服疲劳试验机原理 英斯特朗（INSTRON）FastTrack?8801 电液伺服试验系统，如图2所示，该系统结合先进的FastTrack?8800 数字控制器以及英斯特朗专利Dynacell?疲劳负荷传感器，同时配备了全套的动静态分析软件，能够对不同直径，不同厚度的试样进行拉、压、弯等静态加载实验以及拉-压、拉-拉、压-压、弯曲等疲劳试验，机器刚度好，精度高，实验数据可靠。
图2 Instron FastTrack?8801 电液伺服试验系统 四、实验概述 材料疲劳寿命是一个特殊的机械性质。疲劳寿命的一个主要因素是应力水平。在不同的应力水平下材料具有不同的疲劳寿命。在测定了各级应力水平的疲劳寿命（包括疲劳极限）时，可以确定一条材料的疲劳寿命曲线，即 S-N 曲线（应力-寿命曲线）。 各应力级别的寿命并不是一个确定性的量值。它的对数是按照概率正态分布的一个随机变量。因此，试验需要测定多个同应力级别的试件的寿命（n 个寿命），对这 n 个寿命计算对数寿命的平均值和标准差。 平均值： ∑==n i i x n x 1 1 标准值： )1()(12--=∑=n x x s n i i 定义：变异系数为 x s C v = 其中：x 为寿命的对数，即i i N x lg =； 由概率分析理论和统计推断理论，可以确定当置信度达到 95%时变异系数的要求，由此可以确定最少的试件个数 n 。 五、实验步骤
影响橡胶疲劳寿命的因素 一环境条件 环境影响在疲劳过程中特别是在长寿命的橡胶材料中起着关键作用。橡胶应力-应变关系和疲劳老化性能发展的方式在很大程度上依赖于材料的温度以及橡胶成分周围化学反应物的存在和浓度 A温度 升高的温度对橡胶形核寿命和疲劳裂纹增长速率产生有害的影响，这种有害影响在无定形橡胶中表现的最为明显，对于纯的丁苯橡胶处于可控测试中，随着温度从0°到100°，疲劳寿命化降低10000倍，而对于纯的天然胶而言，在相同条件下，疲劳寿命降低4倍。填料的加入可能降低对温度的依赖性。在疲劳裂纹增长测试中类似的影响可能被观察到。 上述温度的影响与由于老化或进一步教交联所发生的化学变化无关。温度对这些化学过程的速率产生很大的影响这种影响能够在升温或长时间内导致附加分解。温度实际对长期行为地影响程度取决于配方设计；固化剂，抗氧化剂等这些因素以后讨论。 B臭氧 在一个长期的疲劳测试中，有臭氧存在很大程度上会增大裂纹的增长速率和缩短寿命。由于应力集中，弹性体网链在裂纹尖端很容易与臭氧反应，臭氧与主要聚合物分子链的碳-碳双键发生反应引起断链。 当瞬间的能量释放速率超过一个小的起点，就会发生由于臭氧袭击而引起的裂纹增长，这个起点由Gz表示，Gz通常比机械疲劳起点T更小，Gz的值恨得程度上取决于配方设计，特别是抗氧化剂和抗臭氧剂存在。对于没有加入任何这些物质的橡胶来说，Gz = 0.1J/m2，当有抗臭氧剂存在时，Gz会增大10倍或更多，相比较而言，机械疲劳起点大约为T = 50 J/m2，臭氧看起来不影响机械疲劳起点的值，其他化学物质能够以一种类似臭氧的方式侵袭橡胶。Gent和Mrath 研究了在一个很大的范围内温度对臭氧增长速的影响。两个物理量被发现可以控制列为裂纹增长率da/dt，在玻璃化转变温度附近裂纹增长速率是与v温度成比例的，而与臭氧无关。在足够高的温度下（Q-Tg >100°），裂纹增长速率完全依赖于臭氧浓度而与温度无关。总的裂纹增长速率由下列方程式近似的给出
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
高载荷作用下Ti6242钛合金低周疲劳和 保载疲劳损伤行为分析 张明达, 曹京霞, 隋 楠, 周 毅, 黄 旭 （中国航发北京航空材料研究院 先进钛合金航空科技重点实验室，北京 100095） 摘要：Ti6242作为一种力学性能优异的近α型钛合金，与其他近α和α+β型钛合金类似，在接近室温时表现出保载疲劳的特征。本研究借鉴钛合金保载疲劳敏感性随测试载荷提升而上升的变化规律，设计高载荷的低周疲劳和保载疲劳力学性能测试，结合微观组织观察、力学性能表征和断口分析，系统分析微观组织和高载荷作用下低周疲劳和保载疲劳损伤行为，建立微观组织与力学性能的联系，总结不同载荷条件下的断口特征与规律，评估高载荷测试条件下Ti6242钛合金保载疲劳敏感性，结果证明通过提高载荷来表征Ti6242钛合金的保载疲劳性能具有可行性。关键词：钛合金；保载疲劳；高载荷；断口分析doi ：10.11868/j.issn.1005-5053.2018.000085 中图分类号：TG146.2+ 3 文献标识码：A 文章编号：1005-5053(2019)01-0055-07 钛合金具有较高强度、较低密度、极好的耐腐蚀性能和较高疲劳强度等性能特点。近20多年来，钛合金材料和制品在不断地摸索和实践过程中，其生产技术和种类更加丰富和成熟，发展速度远超过其他金属结构材料。作为一种高性能轻质金属结构材料，钛合金在航空航天领域得到广泛应用，其中，近α和α+β型钛合金由于具有优异的抗蠕变和抗疲劳等综合力学性能，通常被用于制备航 空发动机的压气机盘、风扇及叶片等零部件[1-4] 。 Ti6242是一种具有优异力学性能的典型近α型钛合金。与其他近α和α+β型钛合金类似，Ti6242钛合金在接近室温温度区间时表现出保载疲劳的力学性能特征，即此类钛合金材料和零部件在进行连续周期载荷疲劳性能测试时，在最大载荷停留一段时间会引起疲劳寿命的明显降低 [5-7] 。多 起与保载疲劳相关的航空事故引起钛合金领域研究人员的关注，并在随后的研究和试制过程中增加了对保载疲劳性能的关注和考核。一般认为，不同于常规三角波或者正弦波模拟疲劳失效过程的载荷方式，使用梯形波的疲劳波形模拟钛合金的疲劳行为更接近飞行器在服役过程中的实际载荷变化情况[8] 。 目前文献资料中多使用不同种类钛合金各自80%~95%屈服强度值作为保载载荷进行保载疲劳相关性能测试，例如Mcbagonluri 等使用80%屈服强度的保载载荷对比了具有不同特征组织的Ti6242钛合金的保载疲劳性能[7] 。大部分学者使用90%~95%屈服强度值对多种金属材料进行保载疲劳相关力学性能测试和研究 [9-13]。研究结果显示 出钛合金在接近屈服强度载荷条件下保载疲劳性能的规律性和重要性，但是，在较低保载载荷条件下进行钛合金梯形波保载疲劳性能测试，通常需要较长测试时间和较高测试成本，使用常规保载载荷条件下的疲劳失效周期最高可接近104 周次，这意味着长达十余天的长时间测试周期和高达数万元的高测试成本 [11] 。 提高保载载荷除可以明显缩短测试周期并节约测试成本外，还能一定程度表征材料在实际服役过程由于超载荷使用、设计不合理等因素引起的局部高应力条件下材料失效演变过程。本研究结合钛合金保载疲劳敏感性随载荷提升而增强的变化规律特点 [12] ，使用高于常规保载疲劳测试条件的载 荷进行一般低周疲劳和保载疲劳测试，评估高载荷条件下Ti6242钛合金的保载疲劳敏感性，对比不同载荷大小和方式条件下的疲劳断口特征。 1 实验材料及方法 所用材料为Ti6242钛合金，名义成分为Ti- 收稿日期：2018-08-02；修订日期：2018-10-23基金项目：国家自然科学基金（91860106） 通讯作者：张明达（1987—），男，博士，工程师，主要从事新型钢铁材料和钛合金材料研究工作，（E-mail ）159********@https://www.doczj.com/doc/c417641361.html, 。 2019 年第 39 卷航 空 材 料 学 报 2019，Vol. 39第 1 期 第 55 – 61 页 JOURNAL OF AERONAUTICAL MATERIALS No.1 pp.55 – 61