第三章疲劳试验设计与数据处理教材

疲劳试验的数据处理
堵百城
【期刊名称】《理化检验-物理分册》
【年(卷),期】2013(049)003
【摘要】以45钢为例,介绍了疲劳试验数据处理的步骤:整理样本数据,画散点图,用回归分析建立疲劳方程和曲线,计算相对误差,计算残差标准差,建立可靠度一疲劳应力一寿命方程和曲线.讨论的重点是用配对法求得的应力作为截尾寿命的应力；建立带小数幂的疲劳方程；用相对误差代替显著性检验.
【总页数】4页(P158-161)
【作者】堵百城
【作者单位】无锡市机电研究所,无锡214062
【正文语种】中文
【中图分类】TB302.3;TG115.5+7
【相关文献】
1.基于BLOCKCYCLE Test路谱的汽车控制臂衬套疲劳试验数据处理 [J], 田玉冬;邬建海;方守杰;段峰
2.金属材料疲劳试验与数据处理方法 [J], 白鑫;谢里阳;任俊刚;胡杰鑫;李强
3.疲劳试验数据处理及P-S-N曲线的作用 [J], 何才
4.数据挖掘统计分析在紧固件疲劳试验数据处理中的应用 [J], 阎菲
5.非等间距GM（1，1）模型及其在疲劳试验数据处理和疲劳试验在线监测中的应用 [J], 罗佑新;周继荣
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《疲劳强度设计》教学大纲课程编码：08241026课程名称：疲劳强度设计英文名称：Design of Fatiligue Strength开课学期：第7学期学时/学分：总学时/学分(30 /1.5) 讲课学时30（其中实验学时：）课程类型：专业选修课开课专业：机械科学与工程学院工程力学专业选用教材：疲劳强度徐灏编高等教育出版社 1990主要参考书：1.结构疲劳强度吴富民编西北工业大学出版社 19852.疲劳理论与设计张理苏编吉林工业大学 19853.疲劳强度设计徐灏编高等教育出版社 20004.结构疲劳强度设计与失效分析王学颜宋广惠编兵器工业出版社 19925.疲劳设计准则 [英]T.V达根等著国防工业出版社19826.结构中的断裂与疲劳控制 [美]罗尔夫等著机械工业出版社1985执笔人：聂毓琴一、课程性质、目的与任务疲劳强度设计是一门新兴的边缘学科。

它涉及材料，力学和设计三个学科领域。

飞机，船舶，汽车，矿山机械，冶金机械，动力机械，起重运输机械，石油钻进设备，以及铁路桥梁等，其主要零件和结构件，大多在循环变化的载荷作用下工作，疲劳是其主要的是失效形式。

因此，疲劳强度对于设计各类承受循环载荷的机械和结构，成为重要的研究内容。

进行疲劳强度设计，需要有材料的疲劳性能数据。

但有时虽然认为选择了合适的材料，制成零件后，使用中仍有可能发生意外的疲劳断裂事故。

这可能是由于设计者在某方面的疏忽，或偶然的过载，或零件制成后使用条件有了改变所致。

这些现象都说明，材料的疲劳强度不等于零件的疲劳强度，所以设计理论是重要的。

通过本课程的学习，能够对构件的强度疲劳问题具有明确的基本概念，必要的基础知识，比较熟练的计算能力，一定的分析能力和初步的实践能力。

二、教学基本要求：通过本课程的学习，能够对构件的强度疲劳问题具有明确的基本概念，必要的基础知识，比较熟练的计算能力，一定的分析能力和初步的实践能力。

熟练掌握各章节的主要内容：1. 材料的疲劳性能，材料的循环特性曲线构件的无限寿命设计；2. 构件的无限寿命设计，累积损伤的寿命设计，累积损伤理论；3. 构件的有限寿命设计，材料疲劳裂纹的扩展性能，件的破损-----安全设计；4. 低周疲劳设计，局部应变集中方法，构件的疲劳强度可靠性设；5. 随机疲劳强度，腐蚀疲劳。

动态疲劳试验数据处理及分析方法研究动态疲劳试验是材料疲劳性能评价的重要手段之一，其目的是通过加载试验，在模拟实际工程环境下，评估材料的疲劳性能指标。

动态疲劳试验数据处理及分析方法的研究，对于疲劳寿命的预测以及相关工程应用具有重要的意义。

一、动态疲劳试验数据处理方法1. 原始数据的预处理原始数据预处理包括数据录入、校验、清洗、处理等环节，其中数据录入是第一步，其正确性对于后续数据处理及分析具有重要影响。

数据校验主要是针对采集的数据进行校验，以确保数据的准确性和完整性。

数据清洗主要针对原始数据中存在的异常值，采用各种数据清洗方法对其进行剔除或纠正。

数据处理主要是对原始数据进行预处理，如数据平滑、插值、去噪等，以便后续分析。

2. 异步采样数据的同步处理在实际试验中，由于设备等原因，会出现数据采集的异步问题，即采集到的数据与试验次数不对应。

这时需要对异步采样数据进行同步处理，以确保数据的准确性和可靠性。

3. 时间序列数据的特征提取动态疲劳试验所采集的数据通常呈现出一定的时间序列特征，如周期性、高斯分布等。

对于这些数据，需要进行时间序列分析和特征提取，以便进一步进行数据分析和建模。

二、动态疲劳试验数据分析方法1. 基于统计学的分析方法通过对试验数据进行统计学分析，可以得到试验数据的分布特征，如均值、方差、标准差、偏度、峰度等。

同时还可以利用这些统计学参数对试验数据进行分类和预测。

2. 基于机器学习的分析方法机器学习方法是一种新兴的数据分析方法，它以数据驱动为基础，通过学习数据的特征和规律，进而进行数据分析和预测。

在动态疲劳试验数据分析中，可以利用机器学习方法对试验数据进行分类、聚类、异常检测、预测等。

3. 基于模型的分析方法模型方法是一种经典的数据分析方法，它通过建立数学模型来描述数据和规律，进而进行数据的分析和预测。

在动态疲劳试验数据分析中，可以利用模型方法建立试验数据的疲劳寿命预测模型，以预测试验数据的寿命。

第三章不稳定振幅的疲劳在前面一章中,考察了恒定振幅和比例载荷的情况,并涉及到最大和最小振幅在保持恒定的情况下的循环或重复载荷。

在本章将针对不定振幅、比例载荷情况,尽管载荷仍是成比例的,但应力幅和平均应力却是随时间变化的。

3.1 不规律载荷的历程和循环(History and Cycles)对于不规律载荷历程,需要进行特殊处理：计算不规律载荷历程的循环所使用的是“雨流”rainflow循环计算，“雨流”循环计算(Rainflowcycle counting)是用于把不规律应力历程转化为用于疲劳计算的循环的一种技术(如右面例子)，先计算不同的“平均”应力和应力幅(“range”)的循环，然后使用这组“雨流”循环完成疲劳计算。

损伤累加是通过Palmgren-Miner 法则完成的，Palmgren-Miner法则的基本思想是：在一个给定的平均应力和应力幅下，每次循环用到有效寿命占总和的百分之几。

对于在一个给定应力幅下的循环次数Ni，随着循环次数达到失效次数Nfi时，寿命用尽，达到失效。

“雨流”循环计算和Palmgren-Miner损伤累加都用于不定振幅情况。

因此，任何任意载荷历程都可以切分成一个不同的平均值和范围值的循环阵列(“多个竖条”)，右图是“雨流”阵列，指出了在每个平均值和范围值下所计算的循环次数，较高值表示这些循环的将出现在载荷历程中。

在一个疲劳分析完成以后，每个“竖条”(即“循环”)造成的损伤量将被绘出，对于“雨流”阵列中的每个“竖条”(bin)，显示的是对应的所用掉的寿命量的百分比。

在这个例子中，即使大多数循环发生在低范围/平均值，但高范围(range)循环仍会造成主要的损伤。

依据Per Miner法则，如果损伤累加到1(100%)，那么将发生失效。

3.2 不定振幅程序a 建立引领分析(线性,比载荷)b 定义疲劳材料特性(包括S-N曲线)a 定义载荷历程数据,并以及平均应力的影响的处理b 为“雨流”循环次数的计算定义bins的数量e 求解并查看疲劳结果(例如，损伤matrix，损伤等值线图，寿命等值线等)对于建立基于不定振幅、比例载荷情况下疲劳分析的过程，与前面讲过的第二章中介绍非常相似，但有两个例外：载荷类型的定义不同，查看的疲劳结果中包括变化的“雨流”和损伤阵列。

数字化设计实验指导书疲劳仿真分析实验湖南工程学院2013年3月一、实验目的通过本次实验，学习机械可靠性设计方法，理解疲劳强度可靠性分析技术，掌握Siemens NX环境下耐久性分析方法和步骤。

二、实验原理2.1疲劳分析概述疲劳是产品，零件失效最常见的方式之一。

疲劳种类较多，常见的有机城疲劳、高温疲劳、热疲劳和微动疲劳等。

其中机械疲劳包括应力疲劳、应变疲劳和接触疲劳3种方式。

引起疲劳失效的机理和因素比较复杂，因此，必须遵循客观规律和按照严格的分析程序进行失效分析和疲劳预测。

将有限元法和疲劳机理分析相结合的计算机仿真技术，为解决实际工程的疲劳问题提供了经济、有效的分析和评判工具。

疲劳寿命按照学者H.Q.Fuchs定义为“零件由于循环加载而逐渐疲劳，导致裂纹的扩展，最终导致结构断裂而破坏。

”结构疲劳分析是一种工具，用于在各种简单或复杂加载条件(也称为疲劳载荷循环〕中评估设计结构的强度或者耐久性。

通过软件疲劳解算后，计算结果通过云图、等值线图显示在出现裂纹之前，结构可承受循环载荷的持续时间。

疲劳计算是基于结构裂纹损伤累积的原理，报据应力——寿命(S-N)曲线图或者应变——寿命(E-N)曲线图来估计该零件的疲劳寿命，计算过程中将输入数据处理成峰项或者峰谷对循环周期进行计数，从而计算出结构的疲劳寿命。

有关疲劳理论和分析方法可参考有关专业书籍。

2.2疲劳分析主要参数（1）疲劳材料属性疲劳材料属性参数是疲劳分析计算的基础。

这些参数是通过实验手段，将标准试样施加动态周期载荷(如拉伸、弯曲和扭转)，直到出现裂纹或者断裂时得到的。

机械产品中常见的材料疲劳属性参数由疲劳强度系数、疲劳强度指数、疲劳塑性系数和疲劳塑性指数4个参数组成。

借助这些参数，才可以对相应材料的产品/零件作疲劳性能的模拟计算和评估分析。

（2）疲劳载荷变量疲劳分析的目的就是模拟零件在一段时间内可以承受重复的、周期变化的载荷，循环中随时间而变的载荷称为载荷变量。

汽车零件快速疲劳试验方法"培训教材—~,目录第一章疲劳的基本知识2（概述2变动负荷2疲劳曲线3疲劳宏观断口4S-N曲线与疲劳极限的测定6疲劳的统计学初步9第二章S-N曲线的快速测定方法13<概述13快速测定方法的假定13虚拟子样法14试验验证15小结18第三章疲劳极限快速测定方法20概述20"疲劳极限快速测定方法研究20国内外同类方法对比24小结25附录－固定射点法的试验验证26第四章汽车零部件疲劳试验评估方法与试验技巧33概述33试验设计33 '试验机36夹具设计37试件制备38试件异常失效的处理39若干试验技巧40第五章汽车零件台架疲劳试验信息的采集、分析及应用43引言43?试验信息的获取43试验信息的分析与应用44结束语49第一章疲劳的基本知识概述许多机械零部件如轴、连杆、齿轮、弹簧等，都是在变动载荷作用下工作的，它们工作时所承受的应力通常都低于材料的屈服强度。

机件在这种变动载荷下，经过较长时间工作而发生断裂的现象叫做金属的疲劳。

疲劳断裂与静载荷下的断裂不同，无论是静载荷下显示脆性或韧性的材料，在疲劳断裂是都不产生明显的塑性变形，断裂是突然发生的，因此，具有很大的危险性，常常造成严重的事故。

据统计，在损坏的机械零件中，大部分是由金属疲劳造成的。

因此，研究疲劳断裂的原因，寻找提高材料疲劳抗力的途径以防止疲劳断裂事故的发生，对于发展国民经济有着重大的实际意义。

&金属疲劳有各种不同的分类方法。

根据机件所受应力的大小，应力交变频率的高低，通常可分为两类：一类为应力较低，应力交变频率较高情况下产生的疲劳，即通常所说的疲劳或称高周疲劳。

另一类为应力高（工作应力近于或高于材料的屈服强度），应力交变频率低，断裂时应力交变周次少（小于104～105）的情况下产生的疲劳，称为低周疲劳（或称低循环疲劳），也称应变疲劳。

本章内容主要涉及高周疲劳。

变动负荷由于金属的疲劳是在变动载荷作用下经过一定的循环周次之后才出现的，所以首先需要了解变动载荷的特性。