疲劳与断裂1.3结构抗疲劳设计方法

机械结构的疲劳与断裂研究引言当我们使用机械设备时，疲劳和断裂是我们不可忽视的问题。

无论是大型机械设备还是小型家用电器，都可能因为长时间的使用而出现疲劳和断裂现象。

因此，对机械结构的疲劳与断裂进行研究是非常重要的。

本文旨在探讨机械结构的疲劳与断裂原因、预防措施以及相关的应用。

1. 疲劳与断裂基础知识1.1 疲劳和断裂的定义疲劳是指在循环或重复加载作用下，材料或结构会出现无明显塑性变形的损伤现象。

断裂则是指材料或结构在极端加载条件下发生失效，从而导致结构破裂或破碎。

1.2 疲劳与断裂的原因疲劳和断裂的原因有很多，主要包括以下几个方面：- 循环加载：长时间的循环或重复加载会导致结构发生疲劳，尤其是在高应力或低温环境下。

- 动态荷载：突然的冲击负载或振动荷载会导致机械结构疲劳和断裂。

- 材料缺陷：材料的内部缺陷、裂纹或瑕疵会导致结构的疲劳和断裂。

- 锈蚀和腐蚀：长期暴露在潮湿、腐蚀性介质中的机械结构会因锈蚀和腐蚀而发生疲劳和断裂。

- 热膨胀和热应力：由于温度变化引起的结构变形和应力集中会导致疲劳和断裂。

2.1 实验方法实验方法是疲劳与断裂研究的重要手段之一。

通过加载设备和传感器等实验工具，可以对机械结构进行加载实验，并记录下载荷、应变和断裂数据等信息。

实验方法可以帮助我们了解结构的疲劳寿命和失效机制。

2.2 数值模拟数值模拟是一种基于计算机模型的研究方法。

通过建立机械结构的数学模型，运用有限元分析等计算方法，可以模拟不同加载条件下结构的应力变化和位移变形等参数，进而预测结构的疲劳与断裂寿命。

3. 疲劳与断裂预防措施3.1 结构设计优化在机械结构的设计阶段，应该考虑结构的疲劳和断裂问题，并进行优化设计。

例如，合理选择和布置结构的构件和连接方式，减小应力集中情况，避免裂纹和瑕疵等。

3.2 材料选择和处理选择适合的材料对于减轻机械结构疲劳和断裂问题至关重要。

在选择材料时，需要考虑其强度、韧性和耐蚀性等因素。

此外，采取适当的材料处理方法，如热处理和表面处理，可以提高材料的抗疲劳和抗断裂性能。

1954 de Havilland CometComet 68自此以后，人们发现疲劳是许多机械零部件（例如在高强度周期性循环载荷下运行的涡轮机和其他旋转设备）失效的罪魁祸首。

事实证明，有限元分析 (FEA) 是用于了解、预测和避免疲劳的首要工具。

什么是疲劳？设计人员通常认为最重要的安全因素是零部件、装配体或产品的总体强度。

为使设计达到总体强度，工程师需要使设计能够承载可能出现的极限载荷，并在此基础上再加上一个安全系数，以确保安全。

但是，在运行过程中，设计几乎不可能只承载静态载荷。

在绝大多数的情况下，设计所承载的载荷呈周期性变化，反复作用，随着时间的推移，设计就会出现疲劳。

实际上，疲劳的定义为：“由单次作用不足以导致失效的载荷的循环或变化所引起的失效”。

疲劳的征兆是局部区域的塑性变形所导致的裂纹。

此类变形通常发生在零部件表面的应力集中部位，或者表面上或表面下业已存在但难以被检测到的缺陷部位。

尽管我们很难甚至不可能在 FEA 中对此类缺陷进行建模，但材料中的变化永远都存在，很可能会有一些小缺陷。

FEA 可以预测应力集中区域，并可以帮助设计工程师预测他们的设计在疲劳开始之前能持续工作多长时间。

疲劳的机制可以分成三个相互关联的过程：1. 裂纹产生2. 裂纹延伸3. 断裂FEA 应力分析可以预测裂纹的产生。

许多其他技术，包括动态非线性有限元分析可以研究与裂纹的延伸相关的应变问题。

由于设计工程师最希望从一开始就防止疲劳裂纹的出现，本白皮书主要从该角度对疲劳进行阐述。

关于疲劳裂纹增长的讨论，请参阅附录 A。

实际上，疲劳的定义为：“由单次作用不足以导致失效的载荷的循环或变化所引起的失效”。

确定材料的疲劳强度裂纹开始出现的时间以及裂纹增长到足以导致零部件失效的时间由下面两个主要因素决定：零部件的材料和应力场。

材料疲劳测试方法可以追溯到 19 世纪，由 August Wöhler 第一次系统地提出并进行了疲劳研究。

疲劳与断裂中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.表面裂纹问题是问题，其形状一般呈，用表示。

（）参考答案:三维半椭圆形半椭圆形2.下列哪个不是影响疲劳性能的因素（）。

参考答案:材料数量3.传统的应力和应变是以变形后的几何尺寸定义的，称为工程应力（S）和工程应变（e）。

参考答案:错误4.下面关于威布尔分布的描述，错误的是（）。

参考答案:威布尔分布函数是三参数模型，不能退化到二参数情况5.下列关于疲劳破坏特征的描述，哪一个是错误的（）。

参考答案:作用应力水平达到或超过极限应力6.J积分通过线积分利用远处的（）和位移场来描述裂纹尖端的力学特性，与积分路径（）。

参考答案:应力场无关7.材料的循环应力—应变响应可以由循环应力幅—应变幅方程和滞回环方程描述循环滞回行为是其与单调加载条件相比的主要不同之处。

参考答案:正确8.断裂力学需要回答的问题有（）。

① 裂纹是如何扩展的；② 剩余强度与裂纹尺寸的关系如何；③ 控制含裂纹结构破坏与否的参量是什么？如何建立破坏（断裂）的判据；④ 裂纹从某初始尺寸扩展到发生破坏的临界裂纹尺寸时，还有多少剩余寿命。

参考答案:①②③④9.当应变再次达到某值时，并且此前在该值处曾发生过应变变化的反向，则应力—应变曲线将形成反向滞回环，这种行为称为记忆特性。

参考答案:正确10.拉伸平均应力会使疲劳裂纹扩展速率da/dN（）,而腐蚀环境下疲劳裂纹扩展速率da/dN会（）。

参考答案:增大，增高11.标准试件的单轴拉伸可分为四个阶段，分别为弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段，最终发生断裂。

参考答案:正确12.关于高载迟滞效应，下列的哪个说法是错误的（）。

参考答案:高载迟滞现象是指在拉伸低载作用后的高载循环中，发生疲劳裂纹扩展速率减缓的现象；13.初始裂纹尺寸相较于材料断裂韧度对裂纹扩展寿命的影响要大得多。

参考答案:正确14.控制疲劳裂纹不发生扩展的条件是【图片】。

参考答案:正确15.J积分和CTOD都是描述裂纹尖端附近区域的弹塑性应力应变场特征的重要参数，它们之间没有必然的联系。

航空器结构设计中的抗疲劳分析方法在航空领域，航空器的安全可靠运行是至关重要的。

而航空器结构在长期的使用过程中，会承受各种复杂的载荷和环境因素的影响，容易出现疲劳损伤，从而危及飞行安全。

因此，在航空器结构设计中，抗疲劳分析方法的应用显得尤为关键。

疲劳是指材料、零件或结构在循环载荷作用下，经过一定次数的循环后，产生局部永久性结构变化，在一定的循环次数后形成裂纹或发生断裂的现象。

对于航空器结构来说，疲劳失效可能导致灾难性的后果，因此在设计阶段就必须充分考虑并采取有效的抗疲劳措施。

在航空器结构设计中，常用的抗疲劳分析方法主要包括以下几种：一、应力分析方法应力分析是抗疲劳分析的基础。

通过对航空器结构在各种载荷条件下的应力分布进行计算和分析，可以确定结构中的应力集中部位，这些部位往往是疲劳裂纹容易萌生和扩展的区域。

常见的应力分析方法有有限元法、边界元法等。

有限元法是目前应用最为广泛的应力分析方法之一。

它将复杂的结构离散为有限个单元，通过建立单元的力学模型和节点的平衡方程，求解得到整个结构的应力分布。

在进行有限元分析时，需要准确地建立结构的几何模型、确定材料属性、施加边界条件和载荷等。

通过有限元分析，可以得到结构在不同工况下的详细应力分布情况，为后续的疲劳分析提供基础数据。

边界元法是另一种有效的应力分析方法，它只需要对结构的边界进行离散和分析，计算量相对较小，但对于复杂的结构和非均匀材料，其应用可能受到一定限制。

二、疲劳寿命预测方法在确定了结构的应力分布后，需要对结构的疲劳寿命进行预测。

疲劳寿命预测方法主要有基于应力寿命（SN）曲线的方法和基于损伤容限的方法。

基于 SN 曲线的方法是通过实验测定材料或结构在不同应力水平下的疲劳寿命，建立应力与寿命之间的关系曲线，即 SN 曲线。

在实际工程中，根据结构所承受的应力水平和 SN 曲线，预测结构的疲劳寿命。

这种方法简单直观，但对于复杂的载荷谱和多轴应力状态，其预测精度可能受到一定影响。

机械设计基础学习如何进行机械结构的疲劳与断裂分析机械结构的疲劳与断裂分析在机械设计中起着重要的作用。

它是通过对机械结构的应力和载荷进行分析，以评估其在长期疲劳与断裂性能方面的可靠性。

本文将介绍机械结构的疲劳与断裂分析的基本概念、方法以及应用。

一、疲劳分析疲劳是指机械结构在长时间内受到重复或交变载荷作用下产生的损坏现象。

疲劳分析旨在通过计算每一载荷循环下的应力、变形和寿命，来判断机械结构的疲劳可靠性。

疲劳分析的常用方法包括：应力幅和寿命曲线法、极限应力范围法和等效应力法等。

1. 应力幅和寿命曲线法应力幅和寿命曲线法是疲劳分析的常用方法。

它通过实验数据或先进的数值模拟技术，绘制应力幅和寿命曲线，以确定机械结构在给定载荷下的寿命。

该方法的关键是确定应力幅与寿命之间的关系，使得结构的寿命能够满足设计要求。

2. 极限应力范围法极限应力范围法是一种传统的疲劳分析方法。

它通过测量机械结构的局部应力和应变，计算出载荷下的应力范围，以确定结构的疲劳寿命。

这种方法适用于结构受到周期性载荷作用的情况。

3. 等效应力法等效应力法是一种基于线性弹性力学理论的疲劳分析方法。

它将复杂应力状态下的应力转化为等效应力，然后根据疲劳强度曲线来判断结构的寿命。

等效应力法适用于复杂的应力状态和高强度材料。

二、断裂分析断裂是指机械结构在受到过大载荷作用下发生的破坏现象。

断裂分析旨在通过评估机械结构在断裂载荷下的韧性和抗裂性能，从而保证结构在设计寿命内不发生破坏。

断裂分析常用的方法包括：线性弹性断裂力学方法、应力电子显微镜法和断裂韧性试验法等。

1. 线性弹性断裂力学方法线性弹性断裂力学方法是一种基于线弹性断裂力学理论的断裂分析方法。

它通过计算机模拟和理论分析，确定结构的断裂强度和裂纹传播方向，从而判断结构的断裂可靠性。

该方法适用于强度高、应力状态简单的结构。

2. 应力电子显微镜法应力电子显微镜法是一种通过应力电子显微镜观察材料微观组织和裂纹扩展的方法，来评估结构的断裂性能。