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
材料疲劳裂纹扩展研究综述 摘要:疲劳裂纹扩展行为是现代材料研究中重要的内容之一。论述了组织结构、环境温度、腐蚀条件以及载荷应力比、频率变化对材料疲劳裂纹扩展行为的影响。总结出疲劳裂纹扩展研究的常用方法和理论模型，并讨论了“塑性钝化模型”和“裂纹闭合效应”与实际观察结果存在的矛盾温度、载荷频率和应力比是影响材料疲劳裂纹扩展行为的主要因素。发展相关理论和方法，正确认识影响机理，科学预测疲劳裂纹扩展行为一直是人们追求的目标。指出了常用理论的不足，对新的研究方法进行了论述。 关键词: 温度; 载荷频率; 应力比; 理论; 方法; 疲劳裂纹扩展 1 前言 19世纪40年代随着断裂力学的兴起，人们对于材料疲劳寿命的研究重点逐渐由不考虑裂纹的传统疲劳转向了主要考察裂纹扩展的断裂疲劳。尽量准确地估算构件的剩余疲劳寿命是人们研究材料疲劳扩展行为的一个重要目的。然而，材料的疲劳裂纹扩展研究涉及了力学、材料、机械设计与加工工艺等诸多学科，材料、载荷条件、使用环境等诸多因素都对疲劳破坏有着显著的影响，这给研究工作带来了极大困难。正因为此，虽然对于疲劳的研究取得了大量有意义的研究成果，但仍有很多问题存在着争议，很多学者还在不断的研究和探讨，力求得到更加准确的解决疲劳裂纹扩展问题的方法和理论。 经过几十年的发展，人们已经认识到断裂力学是研究结构和构件疲劳裂纹扩展有力而现实的工具。现代断裂力学理论的成就和工程实际的迫切需要，促进了疲劳断裂研究的迅速发展。如Rice的疲劳裂纹扩展力学分析(1967年) ，Elber的裂纹闭合理论(1971年) ，Wheeler 等的超载迟滞模
型(1970年) ，Hudak等关于裂纹扩展速率标准的测试方法，Sadananda和Vasudevan ( 1998年)的两参数理论等都取得了一定成果。本文将对其研究中存在问题、常用方法和理论模型、以及温度、载荷频率和应力比对疲劳裂纹扩展影响的研究成果和新近发展起来的相关理论进行介绍。 2 疲劳裂纹扩展研究现存问题 如今，人们在分析材料裂纹扩展问题时最常用到的是“塑性钝化模型”和裂纹尖端因“反向塑性区”等原因导致的“裂纹闭合效应”理论。而它们是否正确，却一直在人们的验证和争论之中。 根据现有的研究结果，有学者提出，若按照“塑性钝化模型”理论，强度高的材料应具有较低的裂纹扩展速率，但实验结果却不能证实这一预测。另外，该“模型”认为的“裂纹尖端的钝化是在拉应力达到最大值时完成的”这一观点在理论上不妥，也与实测结果不符。观察结果表明，裂纹尖端钝化是一个渐进的过程，钝化半径与外载荷大小成正比。 而疲劳裂纹在扩展过程中的“裂纹闭合效应”在什么情况下存在，能否对材料的裂纹扩展速率产生重要影响，考虑“裂纹闭合”的实验室数据能否用于工程中等问题也一直在人们的争论之中。由于“裂纹闭合效应”理论推出的结论是:“对载荷比的依赖性不是材料的内在行为，而是源于裂纹表面提前闭合后应力强度因子幅(△K) 的变化”，所以早在1984年S.Suresh等人就指出[1]，“裂纹闭合”不是一个力学参数，它受构件形状、载荷、环境和裂纹长度等因素的影响。因此，除非在实际使用过程中测量构件的裂纹闭合情况，否则在实验室里做出来的试验结果不能用来预测构件中的裂纹扩展速率。1970年，Ritchie研究钢中裂纹扩展的近门槛值时发现:在真空环境下，应力比R对门槛值几乎没有影响，首度质疑了裂纹闭合的存在性和所起的作用。在前人研究的基础上，美国海军实验室的
工程预测焊点疲劳寿命 介绍了一种预测焊点疲劳寿命的工程计算方法及其软件系统。这一方法用有限元中的刚性梁单元模拟焊核，用壳单元模拟连接板，求取通过梁单元传递的力和力矩；根据这些力和力矩计算焊核附近连接板和焊核周围的“结构应力”；然后通过一组以结构应力为控制参数的焊点S—N曲线估计焊点的疲劳损伤。描述了软件系统的框架和特点，用两个简单的例子说明这一方法的应用。结果表明，分析结果与试验结果相比有一定的保守性。 在汽车工业中，点焊被广泛地用于零部件和结构的制造。点焊构件的耐久性主要取决于焊点的疲劳强度。在一条生产自动线上装备一个焊点的点焊机械装置可能需要30万美元，为了补救某一问题而必须在生产时再增加一个点焊装置，其费用可能不止2倍。如果我们能在设计的早期预测焊点的疲劳寿命，那么显然这些费用可以降到最低点。更有意义的是，它也有助于缩短产品的开发周期，提高产品的质量。 Smith和Cooper用断裂力学方法研究过受剪切载荷焊点的疲劳寿命预测问题。他们指出：“一个焊点也许可以被认为是一个外表面有一环向深裂纹的实心圆棒，当这一圆棒受一个Ⅰ—Ⅱ复合型载荷时，它会在最大的局部Ⅰ型方向产生分叉裂纹并扩展”。他们说明了根据计算的裂纹扩展速率可以较好地预测焊点的疲劳寿命，并用他们的计算结果作出一些简单的设计曲线。Smith和Cooper所建议的方法基于对简单受剪搭接接头的有限元模拟，这种方法需要进一步的发展才能用于其它不同的焊点型式，处理变幅异相复杂载荷。发展的结
果可能是一个简单的专门针对焊点的规范，按照英国标准BS7608的方法，给出适用于不同点焊类型的载荷—寿命曲线族。 事实上，关联不同加载条件下焊点的疲劳强度，载荷是一个相当糟糕的参量。Raji和Sheppard提到，不同型式受不同载荷的焊点，它的疲劳耐久性能够通过分析板内焊点周边的局部应力得到更好的理解，这一局部应力指的是焊点附近的结构应力。Rupp等人描述了如何计算这些结构应力。他们根据最大应力、最小应力和一个载荷谱对焊点的疲劳寿命进行了预测。本文介绍的技术类似于Rupp等人的工作，不同的是进一步地将结构应力计算与应力缩放、叠加以及应用瞬态有限元分析结果等方法结合起来。下面将先介绍软件的技术细节，然后给出两个说明简例。 1 方法概述 方法要求将焊点模拟成为MSC/NASTRAN中的刚性梁单元；经这些梁单元传递的力和力矩被用来计算结构(名义)应力，这些应力为围绕焊点熔核和连接板的局部应力；按照S—N总寿命方法，用这些结构应力预估焊点的疲劳寿命。 软件系统由一些经过修改的MSC/FATIGUE模块组成，它的核心为焊点疲劳分析器SPOTW，图1表示了这一软件的框架。该系统当前只支持两板焊点的疲劳计算。焊点应当用连接两板中面且垂直于这两个中面的刚性梁表达，而板用位于板中面的壳单元模拟。焊点的长度因此是板厚之和的一半。焊点附近的网格不需要做任何细化，对壳单元的唯一要求是它们能将正确的力传至刚性梁。事实上，使用大尺寸的壳单元(大于2倍的熔核直径)似乎能获得最好的结果，即最
1 的疲劳破坏 疲劳是一种十分有趣的现象，当材料或结构受到多次重复变化的载荷作用后，应力值虽然始终没有超过材料的强度极限，甚至比屈服极限还低的情况下就可能发生破坏，这种在交变载荷重复作用下材料或结构的破坏现象就叫做疲劳破坏。 如图1所示，F表示齿轮啮合时作用于齿轮上的力。齿轮每旋转一周，轮齿啮合一次。啮合时，F由零迅速增加到最大值，然后又减小为零。因此，齿根处的弯曲应力or也由零迅速增加到某一最大值再减小为零。此过程随着齿轮的转动也不停的重复。应力or随时间t的变化曲线如图2所示。 图1 齿轮啮合时受力情况 图2 齿根应力随时间变化曲线 在现代工业中，很多零件和构件都是承受着交变载荷作用，工程塑料齿轮就是其中的典型零件。工程塑料齿轮因其质量小、自润滑、吸振好、噪声低等优点在纺织、印染、造纸和食品等传动载荷适中的轻工机械中应用很广。
疲劳破坏与传统的静力破坏有着许多明显的本质差别： 1)静力破坏是一次最大载荷作用下的破坏；疲劳被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，而是要经历一定的时间。 2)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。 3)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着塑性变形迹象，事先不易觉察出来，这就表明疲劳破坏具有更大的危险性。 工程塑料齿轮的疲劳寿命，是设计人员十分关注的课题，也是与实际生产紧密相关的问题。然而，在疲劳载荷作用下的疲劳寿命计算十分复杂。因为要计算疲劳寿命，必须有精确的载荷谱，材料特性或构件的S-N曲线，合适的累积损伤理论，合适的裂纹扩展理论等。本文对工程塑料齿轮疲劳分析的最终目的，就是要确定其在各种质量情况下的疲劳寿命。通过利用有限元方法和CAE软件对工程塑料齿轮的疲劳寿命进行分析研究有一定工程价值。 2 工程塑料齿轮材料的确定 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是一种综合性能优异的新型热塑性工程塑料，它的分子结构与普通聚乙烯(PE)完全相同，但相对分子质量可达(1～4)×106。随着相对分子质量的大幅度升高，UHMWPE表现出普通PE所不具备的优异性能，如耐磨性、耐冲击性、低摩擦系数、耐化学性和消音性等。 UHMWPE耐磨性居工程塑料之首，比尼龙66(PA66)高4倍，是碳钢、不锈钢的7—8倍。摩擦因数仅为～，具有自润滑性，不粘附性。因此，本文选用UHMWPE 作为工程塑料齿轮材料进行研究。UHMWPE性能见表1。 由于UHMWPE导热性能较差，所以与其啮合的齿轮选用钢材料。这样导热性好、摩损小，并能弥补工程塑料齿轮精度不高的缺点。2啮合齿轮均为标准直齿圆柱齿轮，参数为：UHMWPE齿轮齿数30，钢齿轮齿数20，模数4mm，齿宽20mm，压力角取为20°。
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
材料的疲劳性能 一、疲劳破坏的变动应力 材料在变动载荷和应变的长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象，称为疲劳。变动载荷指大小或方向随着时间变化的载荷。变动载荷在单位面积上的平均值称为变动应力，分为规则周期变动应力（或称循环应力）和无规则随机变动应力两种。 1、表征应力循环特征的参量有： ①最大循环应力：σmax； ②最小循环应力：σmin； ③平均应力：σm=（σmax+σmin）/2； ④应力幅σa或应力范围Δσ：Δσ=σmax-σmin，σa=Δσ/2=（σmax-σmin）/2； ⑤应力比（或称循环应力特征系数）：r=σmin/σmax。 2、按平均应力和应力幅的相对大小，循环应力分为： ①对称循环：σm=（σmax+σmin）/2=0，r=-1，大多数旋转轴类零件承受此类应力； ②不对称循环：σm≠0，-1 ③脉动循环：σm=σa>0，r=0，齿轮的齿根及某些压力容器承受此类应力。σm=σa<0，r=∞，轴承承受脉动循环压应力； ④波动循环：σm>σa，0 寿命设计方法 -王光建 目录 …什么是疲劳失效 …无限寿命设计方法 ?S-N曲线(wohler curve)及疲劳极限?基于疲劳极限的评判 ?考虑平均应力的损伤修正…有限寿命设计方法 ?Miner法则(疲劳损伤线性累积) ?雨流计数法?寿命计算…疲劳寿命仿真计算 …疲劳寿命计算的不足 疲劳失效 …疲劳是一种机械损伤过程 …特点: 在这一过程中即使名义应力低于材料屈服强度；破坏前无明显塑性变形，突然发生断裂…本质： ?交变载荷+金属缺陷?金属的循环塑性变形（微观） ?疲劳一般包含裂纹萌生和随后的裂纹扩展两个过程 ?疲劳是损伤的累积 金属内部缺陷微裂纹产生裂纹扩展断裂 （晶体位错） 疲劳发生过程 …疲劳的判断： 金属材料的疲劳断裂口上，有明显的光滑区域与颗粒区域，光滑区域是疲劳断裂区，颗粒区域是脆性断裂区 粗糙的脆性断裂区 光滑的疲劳区 裂纹源 -S-N曲线(Wohler curve)及疲劳极限…S-N曲线是根据材料的疲劳强度实验数据得出的应力和疲劳寿命N的关系曲线 …S-N曲线用于描述材料的疲劳特性 σ S-N curve 1871年，Wohler首先对铁路车轴进行了系统的疲劳研究，发展了S-N曲线及疲劳极限概念 -S-N曲线(Wohler curve)及疲劳极限…疲劳极限：一般规定，循环次数107所对应的最大应力为疲劳极限 σ σ limit S-N curve -基于疲劳极限的评判 …Alternating stress 作为判断应力 Alternating stress=(σ - σmin)/2 max …判断标准 σAlternating stress<σ limit σσ limit σ √ 2 S-N curve σ × 1 材料的疲劳性能 一.本章的教学目的与要求 本章主要介绍材料的疲劳性能，要求学生掌握疲劳破坏的定义和特点，疲劳断口的宏观特征，金属以及非金属材料疲劳破坏的机理，各种疲劳抗力指标，例如疲劳强度，过载持久值，疲劳缺口敏感度，疲劳裂纹扩展速率以及裂纹扩展门槛值，影响材料疲劳强度的因素和热疲劳损伤的特征及其影响因素，目的是为疲劳强度设计和选用材料建立基本思路。 二．教学重点与难点 1. 疲劳破坏的一般规律（重点） 2．金属材料疲劳破坏机理（难点） 3. 疲劳抗力指标（重点） 4.影响材料及机件疲劳强度的因素（重点） 5热疲劳（难点） 三．主要外语词汇 疲劳强度：fatigue strength 断口：fracture 过载持久值：overload of lasting value 疲劳缺口敏感度：fatigue notch sensitivity 疲劳裂纹扩展速率：fatigue crack growth rate 裂纹扩展门槛值：threshold of crack propagation 热疲劳：thermal fatigue 四. 参考文献 1.张帆，周伟敏.材料性能学.上海：上海交通大学出版社，2009 2.束德林.金属力学性能.北京：机械工业出版社，1995 3.石德珂，金志浩等.材料力学性能.西安：西安交通大学出版社，1996 4.郑修麟.材料的力学性能.西安：西北工业大学出版社，1994 5.姜伟之，赵时熙等.工程材料力学性能.北京：北京航空航天大学出版社，1991 6.朱有利等.某型车辆扭力轴疲劳断裂失效分析[J]. 装甲兵工程学院学报，2010,24（5）：78-81 五．授课内容 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 一.本章的教学目的与要求 本章主要介绍材料的疲劳性能，要求学生掌握疲劳破坏的定义和特点，疲劳断口的宏观特征，金属以及非金属材料疲劳破坏的机理，各种疲劳抗力指标，例如疲劳强度，过载持久值，疲劳缺口敏感度，疲劳裂纹扩展速率以及裂纹扩展门槛值，影响材料疲劳强度的因素和热疲劳损伤的特征及其影响因素，目的是为疲劳强度设计和选用材料建立基本思路。 二．教学重点与难点 1. 疲劳破坏的一般规律（重点） 2．金属材料疲劳破坏机理（难点） 3. 疲劳抗力指标（重点） 4.影响材料及机件疲劳强度的因素（重点） 5热疲劳（难点） 三．主要外语词汇 疲劳强度：fatigue strength 断口：fracture 过载持久值：overload of lasting value 疲劳缺口敏感度：fatigue notch sensitivity 疲劳裂纹扩展速率：fatigue crack growth rate 裂纹扩展门槛值：threshold of crack propagation 热疲劳：thermal fatigue 四. 参考文献 1.张帆，周伟敏.材料性能学.上海：上海交通大学出版社，2009 2.束德林.金属力学性能.北京：机械工业出版社，1995 3.石德珂，金志浩等.材料力学性能.西安：西安交通大学出版社，1996 4.郑修麟.材料的力学性能.西安：西北工业大学出版社，1994 5.姜伟之，赵时熙等.工程材料力学性能.北京：北京航空航天大学出版社，1991 6.朱有利等.某型车辆扭力轴疲劳断裂失效分析[J]. 装甲兵工程学院学报，2010,24（5）：78-81 五．授课内容 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。 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 148 第6章 结构件及连接的疲劳强度 随着社会生产力的发展，起重机械的应用越来越频繁，对起重机械的工作级别要求越来越高。《起重机设计规范》GB/T 3811-2008规定，应计算构件及连接的抗疲劳强度。对于结构疲劳强度计算，常采用应力比法和应力幅法，本章仅介绍起重机械常用的应力比法。 6.1 循环作用的载荷和应力 起重机的作业是循环往复的，其钢结构或连接必然承受循环交变作用的载荷，在结构或连接中产生的应力是变幅循环应力，如图6-1所示。 起重机的一个工作循环中，结构或连接中某点的循环应力也是变幅循环应力。起重机工作过程中每个工作循环中应力的变化都是随机的，难以用实验的方法确定其构件或连接的抗疲劳强度。然而，其结构或连接在等应力比的变幅循环或等幅应力循环作用下的疲劳强度是可以用实验的方法确定的，对于起重机构件或连接的疲劳强度可以用循环记数法计算出整个 循环应力中的各应力循环参数，将其转化为等应力比的变幅循环应力或转化为等平均应力的等幅循环应力。最后，采用累积损伤理论来计算构件或连接的抗疲劳强度。 6.1.1 循环应力的特征参数 (1) 最大应力 一个循环中峰值和谷值两极值应力中绝对值最大的应力，用max σ表示。 (2) 最小应力 一个循环中峰值和谷值两极值应力中绝对值最小的应力，用min σ表示。 (3) 整个工作循环中最大应力值 构件或连接整个工作循环中最大应力的数值，用max ?σ 表示。 (4) 应力循环特性值 一个循环中最小应力与最大应力的比值，用min max r σσ=表示。 (5) 循环应力的应力幅 一个循环中最大的应力与最小的应力的差的绝对值，用σ?表示。 某商用车白车身结构疲劳寿命分析与优化设计 李明1李源2陈斌3 （1湖南工业大学机械工程学院，湖南株洲，412008；2国防科学技术大学指挥军官基础教育学院，湖南长沙，410072；3 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南长沙，410082） 摘要：本文基于应力分析结果，采用有效的疲劳寿命预估方法，利用专业耐久性疲劳寿命分析系统MSC．Fatigue对该型商用车白车身进行S-N全寿命分析，得其疲劳寿命分布与危险点的寿命值。采用 结构优化、合理选材等方法，提高白车身结构的疲劳寿命。 关键词：白车身；有限元；静态分析；疲劳寿命分析；优化 Body-in-white Fatigue Analysis and Optimization Design of the Commercial Vehicle LI Ming1, LI Yuan2, CHEN Bin3 （1 School of Mechanical Engineering , Hunan University of Technology, Zhuzhou, Hunan 412008, China; 2 College of Basic Education for Officers, National University of Defense Technology, Changsha, Hunan 410072, China；3 State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body, Hunan University, Changsha, Hunan 410082,China） Abstract:Based on the results of stress analysis, this paper took the effective way of the fatigue life estimating, used the professional durability fatigue life analysis system MSC. Fatigue, and the S-N life-cycle analysis of the certain type of commercial vehicle body-in-white finite element model, got the distribution of fatigue life and the fatigue life value of the danger points. Finally, by the structural optimization and material selection, writer improved the fatigue life of white body structure. Keywords: B ody-in-white structure, FEM, Static analysis, Fatigue lifetime analysis; Optimization 0 前言 在车身结构疲劳领域的国内研究中，1994年，江苏理工大学陈龙在建立了车辆驾驶室疲劳强度计算的力学和数学模型基础上，提出了车辆驾驶室疲劳强度研究方法[1]。2001 年，清华大学孙凌玉[2]等首次计算机模拟了汽车随机振动过程。2002年，上海汇众汽车制造有限公司王成龙[3]等应用FATIGUE 软件的分析，结合疲劳台架试验，探讨了疲劳强度理论在汽车产品零部件疲劳寿命计算中的应用，提出了提高零部件疲劳强度的方法。2004年，同济大学汽车学院靳晓雄[4]等人提到进行零部件疲劳寿命预估， 材料的疲劳性能 HUA system office room 【HUA16H-TTMS2A-HUAS8Q8-HUAH1688】 材料的疲劳性能 一、疲劳破坏的变动应力 材料在变动载荷和应变的长期作用下，因累积损伤而引起的断裂现象，称为疲劳。变动载荷指大小或方向随着时间变化的载荷。变动载荷在单位面积上的平均值称为变动应力，分为规则周期变动应力（或称循环应力）和无规则随机变动应力两种。 1、表征应力循环特征的参量有： ①最大循环应力：σmax ； ②最小循环应力：σmin ； ③平均应力：σm =（σmax +σmin ）/2； ④应力幅σa 或应力范围Δσ：Δσ=σmax -σmin ，σa =Δσ/2=（σmax -σmin ）/2； ⑤应力比（或称循环应力特征系数）：r=σmin /σmax 。 2、按平均应力和应力幅的相对大小，循环应力分为： ①对称循环：σm =（σmax +σmin ）/2=0，r=-1，大多数旋转轴类零件承受此类应力； ②不对称循环：σm ≠0，-1 ④波动循环：σ m >σ a ，0 3．疲劳寿命理论及应用 (1)疲劳损伤发生在受交变应力(或应变)作用的零件和构件，如起重机的桥架和其他结构件、压力容器、机器的轴和齿轮等，它导致零件或构件的过大变形或断裂。零件和构件在低于材料屈服极限的交变应力(或应变)的反复作用下，经过一定的循环次数以后，在应力集中部位萌生裂纹。裂纹在一定条件下扩展，最终突然断裂，这一失效过程称为疲劳破坏。材料在疲劳破坏前所经历的应力循环数称为疲劳寿命。 (2)常规疲劳强度计算是以名义应力为基础的，可分为无限寿命计算和有限寿命计算。零件的疲劳寿命与零件的应力、应变水平有关，它们之间的关系可以用应力一寿命曲线(e-n曲线)和应变一寿命曲线(δ-n曲线)表示。应力一寿命曲线和应变一寿命曲线统称为s-n曲线。根据试验可得其数学表达式。在疲劳试验中，实际零件尺寸和表面状态与试样有差异，常存在由圆角、链槽等引起的应力集中，所以，在使用时必须引入应力集中系数k、尺寸系数ε和表面系数β。 (3)循环应力的特性用最小应力e min与最大应力e max的比值r=e min／e max表示，r称为循环特征。对应于不同循环特征，有不同的s-n曲线、疲劳极限和条件疲劳极限。对不同方向的应力，可用正负值加以区别，如拉应力为正值，压应力为负值。当r=-1，即e min=e max 时，称为对称循环应力；当r=0，即e min=0时，称为脉动循环应力；当r=+1，即e min=e max 时，应力不随时间变化，称为静应力；当+1>r>-1时，统称为不对称循环应力。对应于不同循环特征，有不同的s-n曲线、疲劳极限和有限寿命的条件疲劳极限。 材料疲劳极限可从有关设计手册、材料手册中查出。缺乏疲劳极限数据时，可用经验的方法根据材料的屈服极限es，和断裂极限eb计算。 零件的疲劳极限erk和τrk是根据所使用材料的疲劳极限，考虑零件的应力循环特性、尺寸效应、表面状态应力集中等因素确定。 (4)疲劳损伤积累理论认为：当零件所受应力高于疲劳极限时，每一次载荷循环都对零件造成一定量的损伤，并且这种损伤是可以积累的；当损伤积累到临界值时，零件将发生疲劳破坏。较重要的疲劳损伤积累理论有线性疲劳损伤积累理论和非线性疲劳损伤积累理论。线性疲劳损伤积累理论认为，每一次循环载荷所产生的疲劳损伤是相互独立的，总损伤是每一次疲劳损伤的线性累加，它最具代表性的理论是帕姆格伦一迈因纳定理。 (5)迈因纳(palmgren-miner)定理 设在载荷谱中，有应力幅为e1, e2…ei…,等各级应力，其循环数分别为n1、n2…ni…从材料的s-n曲线，可以查到对应于各级应力的达到疲劳破坏的循环数n1、n2…ni…根据疲劳损伤积累为线性关系的理论，比值ni/ni为材料受到应力ei的损伤率。发生疲劳破坏，即损伤率达到100％的条件为： P/g nJZ(~ .|&G€ E9 [ 本资料来源于贵州学习网财 https://www.doczj.com/doc/2e5478181.html, ] P/g nJZ(~ .|&G€ E9 会考试注册资产评估师 4．损伤零件寿命估算 计算带缺陷零件的剩余自然寿命一般采用断裂力学理论，通过建立裂纹扩展速率与断裂力学参量之间的关系来进行计算。断裂力学理论认为：零件的缺陷在循环载荷作用下会逐步扩大，当缺陷扩大到临界尺寸后将发生断裂破坏。这个过程被称为疲劳断裂过程。 疲劳断裂过程大致可分为四个阶段，即成核、微观裂纹扩展、宏观裂纹扩展及断裂。 损伤零件疲劳寿命的估算主要应用帕利斯(paris)定理。 帕利斯(paris)定理主要内容是：对裂纹扩展规律的研究，断裂力学从研究裂纹尖端附近的应力场和应变场出发，导出裂纹体在受载条件下裂纹尖端附近应力场和应变场的特征量来进行。这个特征量用应力强度因子k表示。k值的变化幅度也是控制裂纹扩展速度da／dn的主要参量。在考虑材料性能参量对裂纹扩展速度的影响后，帕利斯提出了以下裂纹扩展速度的半经验公式： 细解Ansys疲劳寿命分析 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 疲劳寿命预测方法很多。按疲劳裂纹形成寿命预测的基本假定和控制参数，可分为名义应力法、局部应力一应变法、能量法、场强法等。 2.4.1.1名义应力法 名义应力法是以结构的名义应力为试验和寿命估算的基础，采用雨流法取出一个个相互独立、互不相关的应力循环，结合材料的S -N曲线，按线性累积损伤理论估算结构疲劳寿命的一种方法。基本假定：对任一构件(或结构细节或元件)，只要应力集中系数K T相同，载荷谱相同，它们的寿命则相同。此法中名义应力为控制参数。该方法考虑到了载荷顺序和残余应力的影响，简单易行。 但该种方法有两个主要的不足之处：一是因其在弹性范围内研究疲劳问题，没有考虑缺口根部的局部塑性变形的影响，在计算有应力集中存在的结构疲劳寿命时，计算误差较大；二是标准试样和结构之间的等效关系的确定十分困难，这是由于这种关系与结构的几何形状、加载方式和结构的大小、材料等因素有关。正是因为上述缺陷，使名义应力法预测疲劳裂纹的形成能力较低，且该种方法需求得在不同的应力比R和不同的应力集中因子K T下的S-N曲线，而获得这些材料数据需要大量的经费。因而名义应力法只适用于计算应力水平较低的高周疲劳和无缺口结构的疲劳寿命。近年来，名义应力法也在不断的发展中，相继出现了应力严重系数法(S. ST)、有效应力法、额定系数法(DRF)等。 2.1.2.2局部应力一应变法 局部应力一应变法的基本思想是根据结构的名义应力历程，借助于局部应力-应变法分析缺口处的局部应力。再根据缺口处的局部应力，结合构件的S-N曲线、材料的循环。一曲线、E -N曲线及线性累积损伤理论，估算结构的疲劳寿命。 基本假定:若一个构件的危险部位(点)的应力一应变历程与一个光滑小试件的应力一应变历程相同，则寿命相同。此法中局部应力一应变是控制参数。 局部应力一应变法主要用于解决高应变的低周疲劳和带缺口结构的疲劳寿命问题。该方法的特点是可以通过一定的分析、计算将结构上的名义应力转化为缺口处的局部应力和应变。它可以细致地分析缺口处的局部应力和应变的非线性关系，可以考虑载荷顺序和残余应力对疲劳寿命的影响。因此，到目前为止，局部应力-应变法是一种比较好的疲劳寿命估算方法。它克服了名义应力法的两个主要缺陷，但它亦有本身固有的缺陷。一是没有考虑缺口根部附近应力梯度和多轴应力的影响。二是疲劳寿命的计算结果对疲劳缺口系数K值非常敏感。而在实际工作中，精确地确定结构的K值是非常困难的，这就影响了局部应力一应变法估算疲劳寿命的精度。此外，局部应力一应变法要用到材料的C一一N曲线，而E一一N曲线是在控制应变的条件下进行疲劳试验而得到的，试验数据资料比较少，不如S-N曲线容易得到，这也影响了该方法的使用。 2.1.2.3能量法 基本假定:由相同的材料制成的构件(元件或结构细节)，如果在疲劳危险区承受相同的局部应变能历程，则它们具有相同的疲劳裂纹形成寿命。 能量法的材料性能数据主要是材料的循环应力一应变曲线和循环能耗一寿命曲线。虽然在现有的能量法中均假设各循环的能耗是线性可加的，而事实上由于循环加载过程中材料内部的损伤界面不断扩大，因此能耗总量与循环数之间的关系是非线性的。这一关键问题导致了能量法难于运用于工程实际。因此能量法可能不是一种十分合理和有前途的方法。 2.1.2.4场强法疲劳寿命设计方法
材料的疲劳性能
细解Ansys疲劳寿命分析
材料的疲劳性能汇总
疲劳分析流程fatigue
第6章结构件及连接的疲劳强度计算原理分解
某商用车白车身结构疲劳寿命分析与优化设计
材料的疲劳性能完整版
疲劳寿命理论及应用
细解Ansys疲劳寿命分析
疲劳分析的各种方法
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