疲劳强度理论分析

第十四章疲劳分析的数值计算方法及实例第一节引言零件或构件由于交变载荷的反复作用，在它所承受的交变应力尚未达到静强度设计的许用应力情况下就会在零件或构件的局部位置产生疲劳裂纹并扩展、最后突然断裂。

这种现象称为疲劳破坏。

疲劳裂纹的形成和扩展具有很大的隐蔽性而在疲劳断裂时又具有瞬发性，因此疲劳破坏往往会造成极大的经济损失和灾难性后果。

金属的疲劳破坏形式和机理不同与静载破坏，所以零件疲劳强度的设计计算不能为经典的静强度设计计算所替代，属于动强度设计。

随着机车车辆向高速、大功率和轻量化方向的迅速发展，其疲劳强度及其可靠性的要求也越来越高。

近几年随着我国铁路的不断提速，机车、车辆和道轨等铁路设施的疲劳断裂事故不断发生，越来越引起人们的重视。

疲劳强度设计及其研究正在成为我国高速机车车辆设计制造中的一项不可缺少的和重要的工作。

金属疲劳的研究已有近150年的历史，有相当多的学者和工程技术人员进行了大量的研究，得到了许多关于金属疲劳损伤和断裂的理论及有关经验技术。

但是由于疲劳破坏的影响因素多而复杂并且这些因素互相影响又与构件的实际情况密切相关，使得其应用性成果尚远远不能满足工程设计和生产应用的需要。

据统计，至今有约90%的机械零部件的断裂破坏仍然是由直接于疲劳或者间接疲劳而引起的。

因此，在21世纪的今天，尤其是在高速和大功率化的新产品的开发制造中，其疲劳强度或疲劳寿命的设计十分重要，并且往往需要同时进行相应的试验研究和试验验证。

疲劳断裂是因为在零件或构件表层上的高应力或强度比较低弱的部位区域产生疲劳裂纹，并进一步扩展而造成的。

这些危险部位小到几个毫米甚至几十个微米的范围，零件或构件的几何缺口根部、表面缺陷、切削刀痕、碰磕伤痕及材料的内部缺陷等往往是这种危险部位。

因此，提高构件疲劳强度的基本途径主要有两种。

一种是机械设计的方法，主要有优化或改善缺口形状，改进加工工艺工程和质量等手段将危险点的峰值应力降下来；另一种是材料冶金的方法，即用热处理手段将危险点局部区域的疲劳强度提高，或者是提高冶金质量来减少金属基体中的非金属夹杂等材料缺陷等局部薄弱区域。

疲劳分析理论范文疲劳分析理论是指对疲劳现象进行系统性研究和分析的一种理论体系。

人们在日常生活和工作中经常会感到疲劳，这是由于身体或者大脑长时间处于高负荷工作状态而造成的一种不适感受。

疲劳分析理论的研究目的是为了更好地理解和应对疲劳，提高个人的工作和生活质量。

1.疲劳的类型分类：疲劳可以分为生理疲劳和心理疲劳两种类型。

生理疲劳主要指人体身体疲劳，如长时间连续工作、运动过度等；心理疲劳主要指人的大脑疲劳，如长时间的思考、决策等。

2.疲劳的表现形式：疲劳的表现形式有多种多样，如身体的乏力、精神的不振、注意力不集中、反应迟钝等。

不同人在面对疲劳时可能会表现出不同的症状。

3.疲劳的影响因素：疲劳的产生受到众多因素的影响，这些因素包括个体的基本体质、工作强度和工作时间、生活方式、心理状态等。

不同的因素对个体的疲劳产生不同的影响。

4.疲劳的评估方法：疲劳的评估是疲劳分析的重要一环，目的是为了了解个体的疲劳程度。

常用的评估方法包括主观评估和客观评估两种，主观评估主要通过问卷调查等方式了解个体的疲劳感受，客观评估则通过心理生理指标或者行为表现等方面来评估疲劳程度。

5.疲劳的应对策略：疲劳是一种常见的身体反应，但是不同的人可能对疲劳的应对策略不同。

一般来说，可以通过调整工作强度和工作时间、适当锻炼身体、合理安排休息时间等方式来缓解疲劳。

疲劳分析理论对于个人和组织来说都具有重要的意义。

对于个人来说，理解疲劳现象有助于他们更好地调整自己的工作和生活，提高工作和生活的效率。

对于组织来说，了解疲劳现象对于制定合理的工作计划和保障员工的健康也具有重要的指导意义。

值得注意的是，疲劳分析理论是一个相对较新的研究领域，尚有许多问题有待进一步研究和探索。

例如，如何量化疲劳程度、如何标准化评估方法等都是需要进一步研究的问题。

同时，由于每个人的身体和心理状态不同，对疲劳的感受也会有所差异，个体差异在疲劳分析中也需要加以考虑。

总之，疲劳分析理论为我们更好地理解和应对疲劳问题提供了重要的理论基础。

疲劳强度
疲劳强度是指材料在受到交变应力作用下所能承受的最大应力水平，是材料抗
疲劳性能的一个重要指标。

在工程实践中，疲劳强度的评定对于保证结构的可靠性和安全性至关重要。

疲劳的危害
疲劳是一种特殊的损伤形式，其分裂起点往往位于材料的内部缺陷或表面微小
裂纹的周围。

当材料受到交变应力作用时，这些缺陷和裂纹会逐渐扩展，导致材料的逐渐衰减和最终破坏。

这种疲劳损伤通常是隐蔽的、逐渐的，却又具有极其危险的特点。

影响疲劳强度的因素
疲劳强度受多种因素影响，其中最主要的包括材料的性能、应力水平、循环次数、环境条件等。

不同材料的疲劳强度差异很大，通常需要通过实验和试验来确定具体数值。

另外，应力水平和循环次数也是影响疲劳强度的重要因素，较高的应力水平和更多的循环次数会显著降低材料的疲劳寿命。

提高疲劳强度的方法
为了提高材料的疲劳强度，可以采取一系列措施。

首先是改善材料的内在质量，减少表面缺陷和微裂纹的存在，以增加材料的抗疲劳性能。

其次是通过热处理、表面强化等工艺手段来改善材料的性能，提高疲劳强度。

此外，设计合理的结构和避免应力集中也是提高疲劳强度的有效途径。

结语
疲劳强度作为材料性能的重要指标之一，对于保证结构的安全性具有重要意义。

正确评定疲劳强度，合理设计结构，提高材料性能，可以有效延长材料的使用寿命，保证结构的可靠性和安全性。

2疲劳强度及寿命可靠性估计原理疲劳强度及寿命可靠性估计原理是一种用于评估材料或构件在疲劳加载下的强度和寿命的方法。

疲劳是指材料或构件在循环加载下发生的损伤和破坏现象，是工程结构中最常见的失效模式之一、疲劳强度和寿命的可靠性估计原理可以为工程设计和结构改进提供依据，以确保材料和构件的安全可靠运行。

疲劳强度是指材料或构件在循环加载下承受疲劳损伤的能力。

疲劳损伤通常以SN曲线（或称为Wöhler曲线）表示，该曲线描述了材料或构件在不同循环载荷下的强度和寿命。

通过对SN曲线的实验测试和分析，可以确定材料或构件在特定载荷历程下的疲劳强度，即材料或构件在特定循环载荷下发生疲劳破坏的概率。

疲劳寿命是指材料或构件在循环加载下能够承受的次数或时间。

疲劳寿命估计的原理是根据材料或构件的强度和应力历程确定其在特定应力水平下承受的载荷循环数或使用时间。

这种估计方法可以通过应力历程的统计分析、计算模型和数学建模等方法进行。

最常用的方法是通过采用一种应力-寿命模型来描述材料或构件的疲劳行为，并通过实验测试和数据拟合来确定该模型的参数。

疲劳强度及寿命的可靠性估计原理基于统计学和可靠性工程理论。

在进行疲劳强度和寿命估计时，需要考虑到材料或构件的不确定性和变异性，以及设计的可靠性要求。

通过引入可靠度指标和可靠性分析方法，可以对疲劳强度和寿命进行可靠性评估，并确定其可靠性指标，如失效概率、失效率等。

在疲劳强度及寿命可靠性估计过程中，还需要考虑到材料和构件的预防措施和改进措施。

预防措施包括材料的优化设计、制备和处理，以提高材料的抗疲劳性能；改进措施包括结构的几何形状和尺寸优化、加载历程和工况的优化等，以减小结构的疲劳应力和增加结构的寿命。

总之，疲劳强度及寿命可靠性估计原理是一种综合应用力学、材料科学、统计学和可靠性工程理论的方法，通过实验测试、数据分析和数学建模等方式，对材料和构件在疲劳加载下的强度和寿命进行评估和预测。

这种估计方法可以为工程设计和结构改进提供依据，以确保材料和构件的安全可靠运行。

2012年nCode学院培训课程：疲劳失效及寿命预测内容•什么是金属疲劳？•怎样预测疲劳寿命？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飞机失事(The De Havilland Comet Story)火车火车出轨出轨出轨（（英国Hatfield）汽车零部件失效•车架•歧管•支架•曲轴•刹车•排气管•车轮•…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疲劳失效机理疲劳失效机理：：小裂纹的起始和扩展~1mm第一阶段第二阶段位错滑移位错滑移和第一阶段裂纹扩展交变应力金属表面最大剪应力面位错滑移带裂纹起始和扩展•裂纹的形成使得裂纹尖端的应力高度集中，处于循环塑性变形，进而导致裂纹的进一步扩展。

裂纹尖端应力高度集中第二阶段裂纹扩展快速断裂区海滩状裂纹扩展区交变应力疲劳寿命定义•裂纹起始寿命•裂纹扩展寿命•总寿命影响疲劳寿命的关键因素•应力或应变变化范围•平均应力影响疲劳寿命的其它因素•应力集中（应力梯度）•表面加工•表面处理•尺寸效应加载频率加载频率、、波形对室温疲劳影响很小波形对室温疲劳影响很小！！怎样预测疲劳寿命？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。

Wohler 曲线和疲劳极限Log (Nf , 疲劳循环次数)应力幅光滑试样缺口试样应力幅1 个应力循环三种基本三种基本（（经典经典））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这些方法依赖于相似性！！Nf = Ni + Np 总寿命= 裂纹起始寿命+ 裂纹扩展寿命名义应力法S-N 局部应变法(e-N) 断裂力学法nomσσnom同样的名义应力同样的名义应力，，同样的疲劳总寿命!名义应力(S-N) 法对付高周疲劳S-N 曲线定义L o g 应力范围Log Nf 总寿命疲劳极限1b 1b 21()1bN SRI S =∆应力范围1 个应力循环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•等幅加载•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•均值变化试样零件局部应变(e-N) 法εε对付低周疲劳同样的局部应变同样的局部应变，，同样的裂纹起始寿命!循环应力应变和应变寿命曲线定义εσσa aa n E k =+′′1σa εa循环应力应变曲线应变寿命曲线Log N fLog εa()()εσεa f fbf fcEN N =+′′22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应力强度因子，，同样的同样的裂纹扩展速率裂纹扩展速率裂纹扩展速率！！∆K-da/dN 曲线定义•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!()d d a NC K m=∆∆K thd a /d N∆KI IIIII 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•?..疲劳寿命预测–我们需要什么?疲劳分析5框图FatigueLifeFatigue models Loads Geometry Material疲劳寿命疲劳分析模型载荷数据几何几何信息信息材料性能应力循环定义定义一个应力循环需要两个参量：•S max, S min •S m, S a •R,∆SS aS a∆S S maxS minmaxminSSR=S mR1R1SSAma+−==‘载荷载荷’’种类等幅载荷组合’块’谱变幅载荷N个循环ε载荷时间N1个循环N2个循环N3个循环εε2ε3转向拉杆的寿命分散性分散性载荷分散性材料分散性寿命分散性概率(%)失效里程引自英国皇家工程院院士引自英国皇家工程院院士，，英国机械工程师协会主席Rod A. Smith 教授的话教授的话，，1990年“工程是一种近似对而不是完全错的艺术的艺术””"Engineering is the art of being approximately rightrather than exactly wrong"Smith教授曾经说教授曾经说：：2012年nCode学院培训课程：S-N疲劳分析理论课程内容•S-N疲劳试验•平均应力修正•表面加工表面处理修正•加载型式影响•尺寸影响•缺口修正和应力集中•变幅载荷及雨流计数•疲劳损伤及损伤累积•S-N总结回顾•S-N疲劳分析手算练习S-N 疲劳试验S-N 疲劳分析理论小问题你能得出一个受等幅对称交变等幅对称交变应力应力钢棒的疲劳寿命吗？Wohler 曲线和疲劳极限Log (Nf , 疲劳循环次数)S t r e s s A m p l i t u d e 应力幅光滑试样缺口试样应力幅(Y)1 个应力循环S-N 疲劳试验•对测试件施加等幅交变载荷。

摘要：零件的疲劳强度是一个值得深刻探讨的问题，在众多领域有着至关重要的地位，零件的疲劳强度决定了其疲劳寿命，也就决定了对零件的选择和对这个器件的设计。

本论文在参考多方资料，以及在平日学习中积累总结的经验之后，对零件疲劳强度的计算有了一些结论，得出影响导致零件疲劳的原因有破坏应力与循环次数之间量的变化影响，静应力的影响，应力集中的影响，零件绝对尺寸的影响，表面状态与强化的影响等方面。

在分析零件疲劳产生原因之后，得出许多关系变化图与计算方法。

运用这些计算方法，对零件疲劳极限进行了计算上的确定。

并总结出疲劳强度在一些条件下的相关计算方法，如在简单应力状态，复杂应力状态下的不同。

对疲劳强度安全系数的确定也进行了一系列分析，最后，尝试建立了疲劳强度的统计模型。

Abstract：The fatigue strength of parts is a worthy of deep discussion,have a vital role in many fields, the fatigue strength of parts determines its fatigue life, also decided on the part of the selection and the device design.This paper in reference to various data, and after the usual study accumulation experience, calculation of the fatigue strength of parts have some conclusion, that caused damage should change between force and the number of cycles of the causes of fatigue parts, the influence of static stress, effect of stress concentration, affects the absolute size, surface state and strengthening effect etc.. After the analysis of fatigue causes, draw many relationship graph and calculation method. Using the calculation method of fatigue limit, determined the calculation. And summarizes the related calculation under some conditions the method of fatigue strength, as in the simple stress state, the complex stress state under the different. Determination of the fatigue strength safety factor is also carried out a series of analysis, finally, try to establish a statistical model of fatigue strength.关键词：零件疲劳寿命疲劳强度Key word:Spare parts Fatigue life Fatigue strength目录1、疲劳强度的基本规律…………………………………………………1.1、破坏应力和循环次数之间量的关系………………………………1.2、疲劳曲线方程式……………………………………………………1.3、静应力对疲劳强度的影响………………………………………………………1.4、应力集中对疲劳强度的影响……………………………………………………1.5、零件绝对尺寸对疲劳强度的影响………………………………………………1.6、表面液态与强化对疲劳强度的影响……………………………………………2、零件疲劳极限的确定…………………………………………………2.1、试验确定……………………………………………………………2.2、计算-试验确定……………………………………………………3、疲劳强度条件…………………………………………………………3.1、简单应力状态………………………………………………………3.2、复杂应力状态………………………………………………………4、疲劳强度安全系数的确定……………………………………………4.1、安全系数的基本理论………………………………………………4.2、复杂应力状态下的疲劳强度安全系数……………………………4.3、不稳定载荷作用时疲劳强度安全系数的确定……………………5、疲劳强度的统计模型…………………………………………………6、总结……………………………………………………………………1、疲劳强度的基本规律疲劳破裂时机器零件破坏的主要原因，并且由于破裂时突然发生的，往往会造成严重的后果，因此对零件疲劳强度进行分析计算时很重要的。

混凝土疲劳剩余强度试验及理论研究共3篇混凝土疲劳剩余强度试验及理论研究1混凝土是广泛应用于建筑物和基础设施的一种材料。

在长期使用和震动等外力的作用下，混凝土结构往往会出现裂纹和疲劳断裂等问题。

因此，对混凝土疲劳性能的研究和评价非常重要。

本文将从混凝土疲劳剩余强度试验及理论研究方面进行阐述。

一、混凝土疲劳试验与金属等材料不同，混凝土的完整性主要取决于其内部粘结力和骨料间的力学相互作用。

因此，混凝土的疲劳试验需要考虑这些特殊的破坏机理。

疲劳试验一般包含拉伸、压缩和弯曲等试验形式，其主要目的是测定混凝土在重复加载下的疲劳寿命和疲劳剩余强度。

混凝土疲劳试验的基本过程如下：1.试样制备试样的制备应根据规范进行，包括尺寸、标号、养护条件和拆样时间等。

常见的试样包括圆柱、立方体和梁等。

2.试验参数设定试验参数包括加载方法、加载幅度、频率和环境条件等。

对于混凝土疲劳试验，应按照规范要求进行疲劳寿命试验、ITG试验和弯曲试验等。

3.试验数据测量和记录在试验中应记录试样疲劳寿命、荷载幅值、载荷周期、温度等试验数据并及时处理。

4.试验结果分析根据试验数据和规范要求，可对试验结果进行疲劳强度极限的计算，得到混凝土的疲劳寿命和疲劳剩余强度等参数，可以对混凝土结构的耐久性进行评价。

二、混凝土疲劳理论研究混凝土的疲劳破坏机理主要是由于混凝土内部骨料与黏结材料之间的界面破坏和孔隙塌陷等因素导致的。

疲劳破坏主要分为微裂纹扩展期和破坏扩展期两个阶段，混凝土的残余强度主要受微裂纹扩展期的影响。

混凝土疲劳破坏过程的数学描述是混凝土疲劳本构方程研究的基础。

混凝土疲劳本构方程的研究从单轴受压和拉应力开始，逐步发展到多轴应力状态和混合应力状态。

目前，混凝土疲劳本构方程主要采用能量破坏准则和损伤力学理论，用疲劳损伤值来表示材料疲劳寿命的相关参数，以描述疲劳破坏过程。

混凝土疲劳损伤值S的计算公式为：S=∫f(N)/N* dN其中f(N)为N循环载荷下最终裂纹扩展尺寸，N为循环载荷次数。