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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。
白皮书抗疲劳设计什么是疲劳？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。
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”。
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。
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 。
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。
标准实验室测试采用周期性载荷，例如旋转弯曲、悬臂弯曲、轴向推拉以及扭转循环。
Solidworks的材料特性和抗疲劳设计技巧SolidWorks是一款常用的三维计算机辅助设计（CAD）软件，用于创建、模拟和优化产品设计。
在设计过程中，材料的选择和了解材料特性非常重要。
本文将探讨SolidWorks中的材料特性以及抗疲劳设计技巧，以帮助工程师在设计和分析中更好地使用SolidWorks。
一、SolidWorks中的材料特性在SolidWorks中，材料特性对于模拟和分析设计的准确性至关重要。
SolidWorks提供了广泛的材料库，包括金属、塑料、复合材料等。
用户可以根据设计要求选择合适的材料，并在模型中应用相应的材料特性。
1. 材料库与材料特性SolidWorks的材料库包括了大量的工程材料，可以通过实验数据和标准来准确描述材料的机械和热学特性。
用户可以从材料库中选择材料，或根据需要自定义材料特性。
在SolidWorks中，可以为材料定义以下几个重要的特性：弹性模量、屈服强度、拉伸强度、压缩强度、剪切强度、断裂韧度、热膨胀系数等。
通过对这些特性的定义，可以保证模型的真实性和准确性。
2. 材料特性的应用通过准确定义材料特性，可以在SolidWorks的模拟和分析中得出更准确的结果。
例如，在进行静态分析时，SolidWorks可以通过材料的弹性模量和屈服强度来计算结构的应变和应力分布。
在进行热分析时，材料的热膨胀系数可以用于计算结构的热变形。
除了可以直接应用于模拟和分析中，材料特性也可以在SolidWorks中用于创建零件和装配体。
在设计阶段，工程师可以根据产品的材料特性进行合理的设计，并对不同材料的性能进行比较，以选择最佳材料。
二、抗疲劳设计技巧疲劳是材料在受到交变载荷作用下逐渐出现的破坏现象。
在设计中正确考虑疲劳问题，可以提高产品的使用寿命和可靠性。
以下是在SolidWorks中进行抗疲劳设计的几个技巧：1. 识别可能的疲劳问题通过对产品的使用情况和载荷进行分析，可以识别出可能出现疲劳问题的区域。
P C
静液面与动液面的位置
和测得的反射时间来计算其位置：
1
1/2
L v t =
1
1
t t L L =声波速度V ＝？
循环过程：下死点A 死点C
气锁
泵内压力变化：没有气时，上冲程活塞上行，泵筒内压力迅速下降，液体进泵；而有气体时，活塞刚上行时泵内有一定压力，固定凡尔不能立即打开。
B.由于泵内有一定的气体压力，对活塞有上托力，所以加载减缓；下
②充不满影响的示功图
充不满的示功图
Q=0！
②吸入部分漏失（固定凡尔standing valve ）
A D S ped ′′=柱塞的有效吸入行程：
S
A D /′′=η泵效：
卸载减缓、加
载提前！
Q=0！
吸入凡尔和排出
只抽油杆的伸缩变
喷势弱、油稠带喷
管式泵活塞脱出工作筒防冲距过小活塞碰
出砂井
(Max available stress)安全区
修正古德曼图
前置式气动平衡抽油机结构简图
(1) 稳定性好
(2) 多用于大型抽油机
(3) 节约钢材
游梁平衡：游梁尾部加平衡重－小型
抽油机
曲柄平衡(旋转平衡)：平衡块加在曲柄
a
c
b
W b +X uc
b
W a
c ⋅⋅
曲柄平衡示意图
a
b
X ub
W cb
Wc R
Rc
crank balance )：平衡半径＝？
ub
b
ra S 2= 。
疲劳强度计算
疲劳强度计算是一项重要的工程计算，用于评估材料或结构在长期重复加载下的耐久性能。
它主要用于预测材料或结构在疲劳加载下的失效概率。
在疲劳强度计算中，以下是一般的步骤和方法：
1. 确定加载历程：疲劳强度计算的第一步是确定材料或结构的加载历程，即加载的类型、幅度和频率。
这可以是周期性加载，如机械振动，也可以是不规则加载，如交通载荷。
2. 构建疲劳寿命曲线：通过进行实验或使用现有的材料疲劳数据，构建材料的疲劳寿命曲线。
该曲线描述了在不同应力幅下材料的疲劳寿命，通常以S-N曲线或W?hler曲线表示。
这些曲线显示了一定数量的循环应力下材料的疲劳寿命。
3. 应力分析：在疲劳强度计算中，需要进行应力分析以确定材料或结构在不同应力幅下的应力集中区域。
这可以使用有限元分析等工具进行。
4. 疲劳强度计算：根据加载历程和应力分析结果，使用疲劳强
度理论（如极限应力法、应力幅法或线性累积损伤法）计算材料或结构的疲劳强度。
这些方法将加载历程转化为等效应力幅，以预测材料的疲劳寿命。
5. 判定失效概率：根据材料或结构的疲劳寿命曲线和计算得到的疲劳强度，可以预测材料或结构在特定加载历程下的失效概率。
这可以通过计算疲劳寿命与实际寿命的比值来实现。
需要注意的是，疲劳强度计算是一项复杂的工程任务，涉及材料特性、结构形状、加载方式等多个因素。
因此，在进行疲劳强度计算时，需要准确的材料参数和加载历程数据，并选用合适的计算方法和理论。
此外，定期检查和维护工程结构，以及合理的设计和材料选取也是提高疲劳寿命的重要措施。
疲劳分析，从零开始1 测量应变、应力谱图（1）衡量应力集中的区域，布置应变片可以通过模拟（有限元）或试验（原型上涂上一层油漆，待油漆干后施加载荷，油漆剥落的地方应力集中），确定应力集中的区域，然后按左下图在应力集中区域布置三个应变片：因为材料是各向同性，所以x,y方向并不一定是水平和竖直方向，但两者一定要垂直，中间一个一定要和x,y方向成45°角。
（2）根据测的应变和材料性能，计算应力测得的三个应变，分别记为εx , εy, εxy。
两个主应力（假设只有弹性变形）：其中，E为材料的弹性模量，µ为泊松比。
根据这两个主应力，可以计算出有些方法可能需要的等效应力（主要目的是将多分量的应力状态转化为一个数值，以方便应用材料的疲劳数据），如米塞斯等效应力：()()222122121σσσσσ++-=m 或最大剪应力： ()2121σσστ-=实际测量的是应变-时间谱图，应力（或等效应力）-时间谱图可由上述公式计算。
（３）分解谱图就是对上面测得的应力（应变）－时间谱图进行分解统计，计算出不同应力（包括幅度和平均值）循环下的次数，以便计算累积的损伤。
最常用的是雨流法（rainflow counting method ）。
2 获取材料数据如果载荷频率不高，可以做一组简单的疲劳测试（正弦应力，拉压或弯曲均可，有国家标准）：得到一条应力-寿命（即循环次数）曲线，即所谓的S-N 曲线：1：如果载荷频率较高或温度变化较大，还要测量不同平均应力和不同温度下的S-N 载荷，以便进行插值计算，因为此时平均应力对寿命有影响。
也可以根据不同的经验公式（如Ｇｏｏｄｍａｎ准则，Ｇｅｒｂｅｒ准则等），以及其他材料性能（如拉伸强度，破坏强度等），由普通的Ｓ－Ｎ曲线（即平均应力为０）来计算平均应力不为零时对应的疲劳寿命。
2：如果材料数据极为有限，或者公司很穷很懒不愿做疲劳试验，也可以由材料的强度估算疲劳性能。
3：:如果出现塑性应变，累计损伤一般基于应变－寿命曲线（即Ｅ－Ｎ曲线），所以需要施加应变载荷。
疲劳寿命计算公式实例疲劳寿命是指材料或结构在受到交变载荷作用下能够承受的循环次数。
在工程实践中，准确计算疲劳寿命对于设计和评估材料或结构的可靠性至关重要。
计算疲劳寿命的方法有很多种，其中一种常用的方法是通过疲劳寿命计算公式来进行估算。
这个公式是根据疲劳试验数据的统计分析得出的，可以用来预测不同载荷下材料或结构的疲劳寿命。
一个常用的疲劳寿命计算公式是史密斯公式，也称为SN曲线方法。
该方法基于疲劳试验数据，建立了应力幅与寿命的关系，通过应力幅来估算材料或结构的疲劳寿命。
史密斯公式的一般形式是N = C*(Δσ)^m，其中N表示寿命，C和m是材料的常数，Δσ表示应力幅。
这个公式可以用来计算不同应力幅下的疲劳寿命。
为了更好地理解史密斯公式的应用，我们来看一个实例。
假设我们有一根钢梁，在某个应力水平下受到循环载荷作用。
我们想要计算钢梁的疲劳寿命。
我们需要获取钢梁的疲劳试验数据，包括不同应力幅下的寿命。
然后，我们可以利用这些数据来拟合出史密斯公式中的常数C和m。
一般来说，可以通过最小二乘法来进行拟合。
完成拟合后，我们就可以利用史密斯公式来计算不同应力幅下钢梁的疲劳寿命了。
假设在某个应力幅下，Δσ为100MPa，我们可以代入公式计算出对应的寿命N。
需要注意的是，史密斯公式是一种经验公式，其适用范围有限。
在实际应用中，我们还需要考虑其他因素，如材料的裂纹敏感性、环境条件等。
疲劳寿命的计算还可以使用其他方法，如线性累积损伤法、极限状态法等。
这些方法在不同情况下有不同的适用性，需要根据具体情况选择合适的方法。
总结起来，疲劳寿命的计算是工程实践中一个重要的问题。
通过疲劳寿命计算公式，我们可以预测材料或结构在不同应力幅下的疲劳寿命。
然而，需要注意的是，公式的适用性有限，实际应用时需要综合考虑其他因素。
在进行疲劳寿命计算时，我们还可以借鉴其他方法，以提高计算的准确性和可靠性。
抽油机连杆的载荷计算及断裂分析抽油机是油田生产中常用的一种设备，应用广泛有的抽油机因为长时间的使用造成抽油机驴头、连杆等部位出现断裂现象，我们对抽油机的连杆断裂得结构部分进行修复和完善，节约成本，常规方法对连杆的校核计算有些困难，本文主要采用有限元软件对连杆的结构进行分析研究，发现问题提出改进措施，增加抽油机连杆的使用寿命。
标签：抽油机连杆；计算；断裂抽油机的组成部分为动力机、减速器、支架、连杆机构和驴头等部件组成，驴头和连杆机构通过减速器的转动实现抽油机抽油泵的上下直线运动，对地下原油进行采集，油田区域内有很多老型号的抽油机还在工作，这些抽油机长时间的使用容易出现驴头和连杆等一些部位出现断裂，我们对这些部件进行修补能大量节约企业资金，这里我们主要对连杆的受力情况进行计算和断裂问题进行分析和研究。
抽油机是一种长时间工作的设备，这种工作状态决定了抽油机各部件会因为周期性的交变载荷发生部分部件的疲劳损坏，我们在对抽油机强度计算设计的时候，首先各部件要满足具有足够的强度和刚度，对抽油机游梁、横梁、连杆和支架都要以最大载荷、最大冲程和最高冲次情况下进行计算，才能满足抽油机的使用要求，在借助有限元分析软件进行结构的具体分析，找出断裂的问题，提出整改的方案。
1连杆的载荷计算抽油机的连杆一般情况下质量很轻，工作时候发出的惯性力矩和惯性力都很小，我们一般对连杆工作时候产生的惯性力矩进行忽视，把连杆认为一种二力杆，受力为PL，则：式中：A，C分别表示游梁的前臂长度和后臂长度，mm；P为悬点载荷数值，kN；β为传动角是C与P之间的夹角，（°）；Q游表示平衡块的重量，kN；B表示为部件工作时自重作用在悬点处的载荷数，kN；KC表示为游梁旋转中心到游梁平衡块之间的距离，mm；抽油机正常工作的时候，曲柄会逆时针旋转运行，当K与R运行到一条水平线上时候，β角成大于90°的最大值，则：式中：R和L分别表示曲柄的半径和连杆的长度，mm；β0表示运行中建立最远的β角；K表示为游梁的转动中心到减速器输出轴的距离，mm。
