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1 齿轮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著塑性变形迹象，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。
机械设计基础了解机械设计中的常见材料疲劳与寿命分析机械设计基础：了解机械设计中的常见材料疲劳与寿命分析机械设计作为一门综合性的学科，涉及了多种知识领域。
其中，材料疲劳与寿命分析是机械设计中一项非常重要的技术。
本文将从基础的角度出发，介绍机械设计中常见的材料疲劳与寿命分析的方法与应用。
一、材料疲劳的概念与分类材料疲劳指在交变载荷下，材料经历一定次数的应力循环后导致破裂的现象。
根据不同的破坏形态，材料疲劳可以分为低周疲劳和高周疲劳。
低周疲劳通常指的是应力幅较大、循环次数较少的情况下材料的疲劳破坏。
而高周疲劳则主要发生在应力幅较小、循环次数较多的情况下。
二、常见的材料疲劳分析方法1. W öhler曲线法W öhler曲线法是一种常见的材料疲劳寿命分析方法，也被称为S-N 曲线法。
该方法通过对不同应力幅下的疲劳寿命进行实验，得到一条应力幅与疲劳寿命的曲线。
根据实验数据，可以预测在给定应力幅下材料的疲劳寿命。
2. Miner累加法Miner累加法是一种将多个应力循环叠加起来进行疲劳寿命分析的方法。
通过将实际工况下的应力循环按照不同的权重进行叠加，得到一个等效的疲劳载荷，然后根据W öhler曲线法或其他疲劳寿命模型计算疲劳寿命。
3. 应力范围法应力范围法是一种简化的疲劳寿命分析方法。
该方法假设材料的疲劳寿命与材料的应力范围成正比。
通过测量应力循环的最大应力和最小应力，计算应力范围，从而估计疲劳寿命。
4. 线性寿命法线性寿命法是一种通过材料的强度和韧性参数来估计疲劳寿命的方法。
该方法基于线性弹性断裂力学理论，将应力应变曲线中的材料参数与疲劳寿命进行相关。
三、材料寿命分析的应用材料寿命分析在机械设计中有着广泛的应用。
它可以用于评估材料的可靠性和寿命，在产品设计、材料选择和工艺优化等方面提供依据。
1. 产品设计在产品设计过程中，通过对材料的疲劳寿命进行分析，可以确定产品的寿命预期，从而在设计阶段就可以选择合适的材料和结构，以提高产品的可靠性和使用寿命。
疲劳寿命循环载荷-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述:疲劳寿命是指材料或结构在受到循环载荷作用下的耐久性能，是工程设计和使用中非常重要的一个参数。
循环载荷是指在一段时间内多次反复加载和卸载的载荷作用，其大小和频率都会影响材料的疲劳寿命。
研究疲劳寿命循环载荷对材料寿命的影响，可以帮助工程师更好地设计和使用材料，避免因疲劳破坏而造成的意外事故。
本文将通过探讨疲劳寿命的概念、循环载荷对疲劳寿命的影响以及疲劳寿命预测方法，来深入解析疲劳寿命和循环载荷之间的关系。
1.2 文章结构文章结构部分的内容如下：文章结构部分将会介绍本文的组织结构和各部分内容的逻辑顺序安排。
首先，第一部分将是引言部分，包括概述研究的背景和重要性、文章结构的介绍以及研究目的。
随后，第二部分将是正文部分，分为疲劳寿命的概念、循环载荷对疲劳寿命的影响以及疲劳寿命预测方法三个小节，详细探讨疲劳寿命与循环载荷之间的关系。
最后，第三部分将是结论部分，总结疲劳寿命循环载荷的重要性、提出未来研究方向以及对整个内容进行一个完整的结论。
通过以上的组织结构，读者能够清晰地了解本文的内容安排和逻辑脉络，有助于更好地理解疲劳寿命与循环载荷之间的关系。
1.3 目的：疲劳寿命循环载荷作为一个重要的工程问题，本文旨在探讨循环载荷对材料疲劳寿命的影响，并介绍疲劳寿命预测方法。
通过深入研究疲劳寿命循环载荷，可以帮助工程师和设计师更好地预测材料在实际工作条件下的寿命，从而提高产品的可靠性和耐久性。
同时，本文还将总结疲劳寿命循环载荷的重要性，指出未来的研究方向，为相关领域的进一步研究提供参考依据。
2.正文2.1 疲劳寿命的概念：疲劳寿命指的是材料在受到循环载荷作用下，经过一定次数的循环载荷后所达到的破坏点。
在材料工程领域中，疲劳寿命是一个非常重要的概念，因为大部分的工程材料都会在使用过程中受到各种循环载荷的作用，而循环载荷是导致材料疲劳破坏的主要原因之一。
疲劳寿命是由材料的力学性能、微观结构以及外部环境等多种因素共同决定的。
拉索疲劳寿命计算拉索在工程领域中扮演着重要的角色，它们常用于吊装、输电线路、航空航天以及船舶等领域。
然而，由于受到外界环境和工作载荷的影响，拉索往往会经历疲劳加载，导致其疲劳寿命的下降。
因此，计算拉索的疲劳寿命是一项关键任务，本文将介绍拉索疲劳寿命的计算方法及其重要性。
首先，拉索的疲劳寿命计算是基于疲劳损伤累积理论的。
疲劳损伤累积理论认为，当拉索受到循环载荷作用时，会发生疲劳损伤，该损伤会随着载荷循环次数的增加而累积，最终导致拉索疲劳破坏。
因此，计算拉索的疲劳寿命需要考虑以下几个关键因素：1. 材料特性：拉索的疲劳寿命与其材料的疲劳特性密切相关。
拉索材料的疲劳特性可以通过实验或文献数据得到，常用的参数包括材料的疲劳极限、疲劳断裂强度和疲劳寿命曲线等。
2. 载荷谱：拉索在使用过程中受到不同方向和大小的载荷作用，这些载荷可以是单向加载、多向加载或随机加载。
根据拉索的实际工作环境，需要确定适当的载荷谱，并将其转化为拉索的等效循环载荷。
3. 循环数：循环数是指拉索在工作期间所经历的载荷循环次数。
循环数的确定可以通过实测或通过使用寿命试验数据进行估算。
基于上述因素，可以采用以下步骤计算拉索的疲劳寿命：1. 确定拉索材料的疲劳特性：通过实验或文献数据获取拉索材料的疲劳极限、疲劳断裂强度和疲劳寿命曲线等参数。
2. 确定拉索的载荷谱：根据拉索的实际工作环境，选择适当的载荷谱，并将其转化为拉索的等效循环载荷。
3. 确定拉索的循环数：通过实测或使用寿命试验数据估算拉索在工作期间所经历的循环数。
4. 计算拉索的疲劳损伤：利用疲劳寿命曲线和拉索的等效循环载荷，计算拉索在每个循环载荷下的疲劳损伤。
5. 累积疲劳损伤：将所有循环载荷下的疲劳损伤累积起来，得到拉索的累积疲劳损伤。
6. 估算疲劳寿命：将拉索的累积疲劳损伤与材料的疲劳寿命曲线进行比较，可以估算出拉索的疲劳寿命。
疲劳寿命计算的准确性对于工程设计和维护至关重要。
合理的疲劳寿命估算可以帮助工程师选择合适的拉索材料和设计工作载荷，以确保拉索在使用寿命内不会发生疲劳破坏。
压力钢管安全鉴定中的疲劳损伤与寿命评估案例在压力钢管安全鉴定中，疲劳损伤与寿命评估是至关重要的方面。
本文将通过介绍一个案例来探讨疲劳损伤与寿命评估的具体过程和方法。
通过这个案例，我们可以更好地理解和应用这些关键概念。
案例背景某石油公司拥有一个重要的输油管道，在运输过程中，压力钢管承受了巨大的工作压力和循环荷载。
为了确保安全运营，公司决定进行压力钢管的疲劳损伤与寿命评估。
分析过程1. 载荷分析：首先，工程师们对钢管所承受的循环荷载进行了详细分析。
通过监测和测量，他们获得了不同工作条件下的载荷数据，并绘制出荷载谱。
2. 应力分析：基于载荷分析，工程师们进一步分析了压力钢管的应力分布情况。
他们使用有限元分析方法，模拟了管道中的应力场，并计算了不同位置和不同时间点的应力值。
3. 疲劳寿命预测：通过应力分析，工程师们获得了钢管的应力时间历程。
然后，他们使用疲劳寿命预测方法（如极限应力法、应力循环法等）来评估钢管的疲劳寿命。
根据不同的预测方法和材料参数，他们得出了不同的寿命预测结果。
4. 疲劳损伤评估：基于疲劳寿命预测结果，工程师们对钢管的疲劳损伤进行了评估。
他们使用疲劳损伤积累理论，计算了钢管在不同工作条件下的疲劳损伤量，并通过疲劳裂纹扩展模型，估计了可能的裂纹扩展情况。
5. 安全评估：最后，工程师们综合考虑疲劳寿命预测和疲劳损伤评估结果，进行了安全性评估。
他们将钢管的实际工作情况与评估结果进行对比，判断钢管的安全状况，并提出相应的建议和措施。
结论与建议通过上述分析过程，工程师们对压力钢管的疲劳损伤与寿命进行了全面评估。
根据评估结果，他们得出了以下结论与建议：1. 钢管的预计寿命为xx年，但在实际工作过程中，应保持定期检查和维护，以确保其安全运行。
2. 对于寿命较短的钢管，可以采取一些措施延长其使用寿命，如材料升级、优化设计等。
3. 对于出现疲劳裂纹的钢管，应立即进行修复或更换，以防止严重的安全事故。
4. 对于钢管运行过程中发现的异常情况，应及时进行故障诊断和处理，以确保管道的正常运行。
目录1 耐久性理论知识 (2)1.1耐久性分析介绍 (2)1.2循环应力-循环应变行为介绍 (6)1.3强度评估介绍 (8)1.4疲劳安全评估 (9)1.5单元自由面的疲劳计算 (10)1.6累积破坏 (10)1.7随机疲劳方法 (11)1.8疲劳寿命准则 (12)1.9应变片分支数据的应变和应力计算 (14)1.10应变花分支的应变片横向修正 (16)1.11将缺口系数用于对局部塑性行为建模 (18)1.12耐久性的科学文献参考 .............................................................. 错误!未定义书签。
1.13随机振动疲劳分析文献理论支持 .............................................. 错误!未定义书签。
1.13.1 Nastran .................................................................................. 错误!未定义书签。
1.13.2 Fatigue ................................................................................... 错误!未定义书签。
1 耐久性理论知识1.1 耐久性分析介绍结构耐久性分析是用于在简单或复杂加载条件的累积效应下对设计的结构价值或其耐久性进行评估的工具。
该软件中的耐久性分析包括强度分析和疲劳分析。
•强度分析评估模型的结构是否可以瞬间承受对其施加的最大静态或瞬态应力。
此静态强度评估可用于确定是否需要进行疲劳计算。
例如，如果峰值应力超出材料的强度极限，则需要进行疲劳计算。
强度评估还可用于确定在疲劳计算中应使用哪个应力或应变寿命准则。
关于更多信息，请参见了解强度评估。
•疲劳分析根据应力或应变的时间历程来评估模型的疲劳寿命。
机械结构的疲劳损伤分析与预测引言：机械结构在长期使用过程中，面临着各种外界力的作用，容易导致疲劳损伤。
疲劳损伤是指由反复加载引起的力学变形，导致结构破坏或性能降低。
疲劳问题对机械结构的安全性和可靠性有着重要的影响。
因此，准确地进行疲劳分析与预测，对于设计、制造和维护具有重要意义。
一、机械结构疲劳损伤的类型及特点机械结构的疲劳损伤主要包括低周疲劳和高周疲劳。
低周疲劳通常发生在受到较大载荷作用下进行的少数循环加载过程中，其损伤形式为塑性变形和微裂纹的扩展；而高周疲劳则发生在很大次数的循环加载下，产生的损伤主要由裂纹的扩展导致。
二、疲劳分析的方法与步骤进行机械结构的疲劳分析与预测时，通常需要进行以下步骤：1. 首先，确定疲劳设计寿命和载荷谱。
根据实际使用环境和工况，确定结构所需的寿命和受力情况。
2. 然后，进行材料的疲劳试验与参数确定。
通过疲劳试验获得材料的疲劳参数，例如S-N曲线等。
3. 接着，进行结构的应力分析。
利用有限元分析方法或者其他适用的方法，计算结构在各个工况下的应力分布。
4. 接下来，进行疲劳损伤评估。
根据结构的应力分布和材料的疲劳参数，计算结构在不同工况下的疲劳损伤。
可以采用疲劳强度比法、能量法或者剩余寿命法等方法。
5. 最后，进行疲劳寿命预测。
根据结构的疲劳损伤情况和材料的疲劳参数，通过寿命预测模型，估计结构的疲劳寿命。
三、疲劳损伤分析与预测的挑战与方法在进行机械结构的疲劳分析与预测时，常常面临着一些挑战。
首先，疲劳分析的精度受到材料参数的影响，材料参数存在一定的散布性。
其次，实际工况往往较复杂，涉及多种载荷形式，导致分析的复杂性增加。
再次，由于疲劳损伤主要发生在结构局部，如何准确地描述局部应力和局部损伤也是一个难题。
因此，需要采用适当的方法来克服这些挑战。
目前，疲劳损伤分析与预测的方法主要包括基于材料的试验与参数确定、应力分析与寿命预测模型、结构的健康监测与评估等。
通过对材料进行疲劳试验，获得疲劳参数，可以提高疲劳分析的精度。
机械结构的疲劳寿命分析引言：机械结构的疲劳寿命分析是在工程设计中十分重要的一项工作。
疲劳寿命分析能够帮助我们评估结构的可靠性，预测其在长时间使用和重复载荷作用下的耐久性。
在本文中，我们将探讨机械结构疲劳寿命分析的基本原理、方法以及在实际工程中的应用。
一、什么是疲劳寿命分析疲劳寿命分析是对机械结构在长时间使用和重复载荷作用下的耐久性进行评估和预测的一种方法。
在机械工程中，结构件通常会承受变化的载荷，这些载荷会引起结构内部的应力集中和应力变化，进而导致疲劳损伤的累积。
疲劳寿命分析可以帮助工程师确定结构的寿命，从而指导设计和改进工作。
二、疲劳寿命分析的原理疲劳寿命分析的基本原理是根据材料的疲劳性能曲线来评估结构的疲劳寿命。
疲劳性能曲线通常由应力幅和循环次数两个参数确定。
应力幅是指载荷作用下应力的最大值和最小值之间的差异，循环次数则是指载荷作用下的循环数。
通过实验和统计方法，我们可以得到材料的疲劳性能曲线，并据此进行疲劳寿命分析。
三、疲劳寿命分析的方法1. 应力-寿命方法：这是最常用的疲劳寿命分析方法之一，通过应力分析和应力幅数据，结合材料的疲劳性能曲线，计算结构在特定载荷下的预期寿命。
这种方法适用于已知结构的应力分布和载荷历史的情况。
2. 序列法：序列法是一种逐步逼近的方法，在每个载荷历史步骤中，根据当前载荷条件下应力分析结果和材料的疲劳性能曲线，计算结构在该载荷步骤下相对于前一步的疲劳寿命。
通过多次迭代计算，最终得到整个载荷历史下的疲劳寿命。
3. 基于损伤累积理论的方法：这种方法将结构的疲劳寿命划分为若干个阶段，通过对每个阶段的疲劳损伤进行累积计算，预测结构的整体疲劳寿命。
损伤累积方法适用于结构由多个不同材料组成的情况，可以更精确地评估结构的寿命。
四、疲劳寿命分析的应用疲劳寿命分析广泛应用于航空航天、汽车、机械制造等领域的工程设计和材料选用中。
通过充分了解机械结构在长时间使用和重复载荷作用下的耐久性，工程师可以进行合理的设计和改进工作，提高结构的可靠性和使用寿命。
管路疲劳分析报告1. 引言管路是工业生产中常用的输送管道，在长期使用过程中，由于受到各种因素的影响，容易出现疲劳破裂的问题。
管路疲劳失效可能带来严重的后果，因此对管路进行疲劳分析就显得十分重要。
本报告旨在通过对管路疲劳分析的深入研究，为管路的设计和维护提供科学依据。
2. 疲劳失效原理疲劳失效是指在循环载荷下，材料在应力水平低于其静态强度的情况下，由于反复加载和卸载而产生的破坏。
在管路中，常见的疲劳失效形式包括疲劳裂纹的扩展、拉伸疲劳和弯曲疲劳等。
疲劳失效的原因主要有以下几点：•循环载荷：管路在工作过程中受到循环载荷的作用，这些载荷可能来自液体或气体的压力波动、温度变化等因素。
•材料力学性能：疲劳失效与材料的强度、韧性和刚度等力学性能有关。
•制造和装配缺陷：管路的制造和装配过程中可能存在缺陷，如焊接缺陷、材料不均匀性等，这些缺陷会导致局部应力集中，从而加速疲劳裂纹的扩展。
3. 疲劳分析方法疲劳分析是通过确定管路在实际工作条件下的载荷和材料性能，评估其疲劳寿命的过程。
下面介绍一些常用的疲劳分析方法：3.1 等效应力法等效应力法是一种基于线弹性理论的简化方法，将循环载荷转化为等效应力，然后与材料的疲劳强度曲线比较，来评估管路的疲劳寿命。
这种方法适用于疲劳失效形式比较简单的情况。
3.2 线性损伤累积模型线性损伤累积模型是一种更加精确的疲劳分析方法，它基于线性损伤和弹性力学行为的假设，通过积分和叠加法计算出管路在多次循环载荷下的累积疲劳损伤。
3.3 有限元分析有限元分析是一种数值计算方法，可以模拟管路在复杂载荷条件下的应力分布和变形情况。
通过有限元分析，可以得到管路局部应力集中的位置和程度，并进一步进行疲劳分析。
4. 疲劳寿命评估疲劳寿命评估是疲劳分析的核心内容，主要目的是确定管路的使用寿命和维护周期。
疲劳寿命评估需要考虑以下几个方面的因素：•载荷频率和幅值：不同频率和幅值的载荷对管路的疲劳失效具有不同的影响，需要根据实际工况确定合理的载荷参数。
疲劳寿命预测和抗疲劳设计疲劳寿命预测和抗疲劳设计是在工程设计中非常重要的概念。
在各个领域，如航空航天、汽车工程、材料科学等，都需要对结构或材料的疲劳寿命进行预测，并设计出能够抵御疲劳破坏的结构或材料。
本文将详细介绍疲劳寿命预测和抗疲劳设计的方法和原理。
疲劳是指材料在交变应力作用下，随着时间的推移而产生的可接受应力水平以下破坏现象。
疲劳常会导致工程结构的失效，因此疲劳寿命预测是工程设计中必不可少的步骤。
疲劳寿命预测可以通过实验方法和数学模型两种方式进行。
实验方法是通过在实验室中对材料进行疲劳试验，以获取材料的疲劳寿命数据。
常见的疲劳试验方法有拉伸压缩试验、弯曲试验、扭转试验等。
通过对试验数据的分析，可以得到材料的疲劳寿命曲线，进而对材料在实际工作环境中的疲劳寿命进行预测。
然而，实验方法的缺点是费时费力和成本较高。
数学模型是通过建立数学方程来预测材料的疲劳寿命。
常用的模型有应力范围法、应变范围法和线性累积损伤法等。
应力范围法是通过将施加在材料上的应力信号转化为应力范围，然后利用疲劳试验数据和经验公式来计算材料的疲劳寿命。
应变范围法是通过将应变信号转化为应变范围，然后利用疲劳试验数据和经验公式来计算材料的疲劳寿命。
线性累积损伤法是通过将材料的疲劳寿命分为若干个循环，然后将每个循环的损伤累积起来，最终得到材料的疲劳寿命。
数学模型的优点是计算方便和成本低廉，但缺点是基于经验公式，可能存在一定的误差。
在进行工程设计时，需要根据疲劳寿命预测的结果来设计出能够抵御疲劳破坏的结构或材料。
抗疲劳设计可以从以下几个方面来考虑。
第一，选择合适的材料。
不同材料的疲劳寿命不同，因此在设计中应选择具有较长疲劳寿命的材料。
例如，一些高强度的钢材具有较好的抗疲劳性能。
第二，设计合理的结构。
结构的形状和几何特征会对疲劳寿命产生影响。
在设计时应尽量避免应力集中区域和应力集中因子较大的部位。
此外，设计时可以采用适当的布局和连接方式来提高结构的抗疲劳性能。
机械结构中的疲劳寿命分析与预测一、引言机械结构在工程领域中扮演着重要的角色，而疲劳寿命是衡量机械结构使用寿命的一个关键指标。
本文将对机械结构中的疲劳寿命进行详细分析与预测。
二、疲劳寿命的定义和影响因素疲劳寿命是指材料或结构在受到交变应力作用下，经历了一定次数的载荷循环后发生疲劳破坏的时间。
而疲劳寿命的长度受多种因素的影响，包括材料的强度和韧性、载荷频率和幅值、表面质量以及工作环境等。
了解这些影响因素对疲劳寿命进行分析和预测至关重要。
三、疲劳寿命分析方法1.应力-寿命曲线法应力-寿命曲线法是最常用的疲劳寿命分析方法之一。
通过对材料或结构在不同应力水平下的疲劳寿命进行实验，并绘制出应力和寿命之间的关系曲线，可以确定在给定应力水平下的疲劳寿命。
这种方法需要大量的实验数据和曲线拟合技术。
2.损伤累积法损伤累积法是利用材料或结构在每个载荷循环中的疲劳损伤来估计疲劳寿命的方法。
通过对疲劳过程中损伤的累积进行建模分析，可以预测材料或结构的疲劳寿命。
损伤累积法需要对材料的疲劳损伤模型进行合理的建立和参数的确定。
3.有限元分析法有限元分析法是一种基于数值计算的疲劳寿命分析方法。
通过利用有限元软件对机械结构进行建模，确定应力和应变分布，并计算出局部的疲劳损伤，从而预测疲劳寿命。
这种方法可以考虑复杂载荷条件和结构几何形状的影响，具有较高的准确性。
四、疲劳寿命预测模型疲劳寿命的预测是基于对材料或结构疲劳性能的理论研究和实验数据的分析。
常用的预测模型包括Basquin方程、Miner法则和Rigilda模型等。
这些模型通过建立载荷和寿命之间的关系，可以进行疲劳寿命的预测。
不同的模型适用于不同的材料和结构，选择合适的模型对疲劳寿命的准确预测非常重要。
五、疲劳寿命分析与优化设计疲劳寿命的分析与优化设计可以帮助改善机械结构的可靠性和寿命。
通过对材料和结构的疲劳性能进行分析和测试，可以确定材料和结构的疲劳极限，并基于此进行优化设计。
实用文档 第3章 疲劳载荷及分析理论 ................................................... 1 3.1 疲劳载荷谱 .......................................................... 1 3.1.1 疲劳载荷谱及其编谱 ............................................ 1 3.1.2 统计分析方法 .................................................. 2 3.2 疲劳累积损伤理论 .................................................... 3 3.2.1 概述 .......................................................... 3 3.2.2 线性累积损伤理论 .............................................. 4 3.3起重机疲劳计算常用方法 ............................................... 5 3.3.1 应力比法 ...................................................... 6 3.3.2 应力幅法 ...................................................... 6 3.4 疲劳寿命设计方法 .................................................... 7 3.4.1无限寿命设计 ................................................... 7 3.4.2 安全寿命设计 .................................................. 8 3.4.3 损伤容限设计 .................................................. 8 3.4.4 概率疲劳设计 .................................................. 9 3.4 小结 ............................................................... 10
第3章 疲劳载荷及分析理论 疲劳载荷谱(fatigue load spectrum)是建立疲劳设计方法的基础。根据研究对象的不同，施加在对象上的疲劳载荷也是不同的，所以在应用时要依据某种统计分析方法和理论进行分析。
3.1 疲劳载荷谱
3.1.1 疲劳载荷谱及其编谱 载荷分为静载荷和动载荷两大类。动载荷又分为周期载荷、非周期载荷和冲击载荷。周期载荷和非周期载荷可统称为疲劳载荷。在很多情况下，作用在结构或机械上的载荷是随时间变化的，这种加载过程称为载荷—时间历程。由于随机载荷的不确定性，这种谱无法直接使用，必须对其进行统计处理。处理 实用文档
后的载荷—时间—历程称为载荷谱。载荷谱是具有统计特性的图形，它能本质地反映零件的载荷变化情况[]。为了估算结构的使用寿命和进行疲劳可靠性分析，以及为最后设计阶段所必需的全尺寸结构和零部件疲劳试验，都必须有反映真实工作状态的疲劳载荷谱。 实测的应力—时间历程包含了外加载荷和结构的动态响应的影响，它不仅受结构系统的影响，而且也受应力—时间历程的观测部位的影响。将实测的载荷—时间历程处理成具有代表性的典型载荷谱的过程称为编谱。编谱的重要一环，是用统计理论来处理所获得的实测子样[]。
3.1.2 统计分析方法 对于随机载荷，统计分析方法主要有两类：计数法和功率谱法[]。由于产生疲劳损伤的主要原因是循环次数和应力幅值，因此在编谱时首先必须遵循某一等效损伤原则，将随机的应力—时间历程简化为一系列不同幅值的全循环和半循环，这一简化的过程叫做计数法。功率谱法是借助富氏变换，将连续变化的随机载荷分解为无限多个具有各种频率的简单变化，得出功率谱密度函数。在抗疲劳设计中广泛使用计数法。 目前，已有的计算法有十余种之多，同一应力—时间历程用不同计数法编制出的载荷谱有时会差别很大。当然，按照这些载荷谱来进行寿命估算或试验，也会给出不同的结果。从统计观点上看，计数法大体分为两类：单参数法和双参数法[]。 所谓单参数法是指只考虑应力循环中的一个变量，例如，峰谷值、变程（相邻的峰值与谷值之差），而双参数法则同时考虑两个变量。由于交变载荷本身固有的特性，对任一应力循环，总需要用两个参数来表示。其代表是雨流计数法。 雨流计数法是目前在疲劳设计和疲劳试验中用的最广泛的一种计数方法，是对随机信号进行计数的一种方法的一种。雨流计数法与变程对—均值计数法一样具有比较严格的力学基础，计数结果介于峰值法和变程法之间，提供比较符合实际的数据。雨流法是建立在对封闭的应力—应变迟滞回线逐个计数的基础上，它认为塑性的存在是疲劳损伤的必要条件，从疲劳观点上看它比较能够反映随机载荷的全过程。由载荷—时间历程得到的应力—应变迟滞回线与造成的疲劳损伤是等效的[]。
实用文档 应该指出，所有现行计数法均未记及载荷循环先后次序的信息资料。因为载荷先后次序的影响总是存在的，但如果将简化后的程序载荷谱的周期取短一些，则载荷先后次序的影响会减小至最小程度，这点已被荷兰国家宇航实验室 []。的试验结果证实
3.2 疲劳累积损伤理论 3.2.1 概述在疲劳研究过程中，人们早就提
出了“损伤”这一概念。所谓损伤，是指。累积损[]在疲劳过程中初期材料内的细微结构变化和后期裂纹的形成和扩展伤规律是疲劳研究中最重要的课题之一，它是估算变幅载荷作用下结构和零件 疲劳寿命的基础。大多数结构和零件所受循环载荷的幅值都是变化的，也就是说，大多数结构和零件都是在变幅载荷下工作的。变幅载荷下的疲劳破坏，是不同频率和幅值的载荷所造成的损伤逐渐累积的结果。因此，疲劳累积损伤是有限寿命设计 的核心问题。当材料承受高于疲劳极限的应力时，每一个循环都使材料产生一定的损伤，N1次恒幅载荷所。这种损伤是可以积累的，每一个循环所造成的平均损伤为nNnC 造成的损伤等于 其循环比。变幅载荷的损伤等于其循环比之和，即DlNDn ，ii1il 变幅载荷的应力水平等级其中: -----n 级载荷的循环次数----第 iiN 第----
级载荷下的疲劳寿命iilDDDNDn就发生疲劳破坏。即时，当损伤积累到了临界值时，fffii1i为临界损伤和，简称损伤和。 不同研究者根据他们对损伤累积方式的不同假设，提出了不同的疲劳累积 实用文档
损伤理论(fatigue damage cumulative rules)。到现在，已经提出的疲劳累积损伤理论不下数十种。这些理论归纳起来大致可以分为以下四大类[18]： （1）线性疲劳累积损伤理论：这种理论假定材料各个应力水平下的疲劳损伤是独立进行的，总损伤可以线性叠加。最具有代表性的是Miner法则，以及稍加改变的修正Miner法则和相对Miner法则。 （2）双线性累积损伤理论：这种理论认为材料疲劳过程初期和后期分别按两种不同的线性规律累积。最具有代表性的是Manson的双线性累积损伤理论。 （3）非线性累积损伤理论：这种理论假定载荷历程与损伤之间存在着相互干涉作用，即各个载荷所造成的疲劳损伤与其以前的载荷历史有关。最具代表的是损伤曲线法和Corten-Dolan理论。 （4）其它累积损伤理论：这些理论大多是从实验、观测和分析归纳出来的经验或半经验公式。如Levy理论和Kozin理论等。
3.2.2 线性累积损伤理论 在很多实际结构，它们常承受随机载荷，其最大和最小应力值经常在变化，SN曲线，还必须借助于疲劳累积情况就更为复杂。为了估算疲劳寿命，除了损伤准则。在工程中最常用的仍为线性累积损伤准则。 1.Miner法则 线性累积损伤理论认为每个应力循环下的疲劳损伤是独立的，总损伤等于每个循环下的损伤之和，当总损伤达到某一数值时，构件即发生破坏。线性疲劳累积损伤理论中最具有代表性的是Palmgren-Miner理论，简称Miner法则，其数学表达式为：
lni1D N1ii
法则，其的其它常数时，则称为修正Miner当临界损伤和改为一个不是1 表达
式为：lniDa N1ii式中为常数。很多研究者建议当值取0.7时，其寿命估算结果比Mineraa公式计算更安全，从总体上看其寿命估算精度也有所提高。 2.相对Miner理论
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根据对临界损伤和的深入研究，发现影响疲劳寿命估算准确性的因素有Df很多， 例如损伤的非线性、载荷顺序效应、材料的硬化和软化、裂纹闭合效应等等。而Miner定理是无法体现这些影响因素的。因此，使用同类零件，在类似载荷谱下的实验值进行寿命估算，就可以大大提高其寿命估算精度，这种方法称为相对Miner法则。它把计算和实验结合起来，利用相似谱的实验结果来修正计算的偏差。 相对Miner定理基本思想的数学表达式为[]： (N)pexp )(N)(N ppcale')(Npcale(N)
-----给定可靠度时计算谱的预测寿命； 式中：
p(N)----给定可靠度时相似谱的实测寿命； pexp(N)------给定可靠度时计算谱的经典方法计算寿命； pcale'------给定可靠度时相似谱的经典方法计算寿命。 )(Npcale相对Miner法则一方面保留了Miner法则中第一个假设，即线性累积假设，a1的第二假设。考虑了计算模型与实际损伤的差另一方面又避开了累积损伤异等非统计不确定性，使疲劳估算结果的准确性得到了提高，能大幅度消除Miner法则计算数值引起的误差，提高其计算精度。
3.3起重机疲劳计算常用方法 随着科学技术的发展，起重机在设计理论上有了较大的发展。当前，世界上很多国家都制订有起重机标准。具有代表性的有日本、德国、美国、英国等国家[19]。根据各国起重机金属结构设等国际标准ISO、、IEC的起重机标准以及F.E.M.计规范规定，当起重机金属结构的工作级别为A6，A7，A8时，必须对结构（或连
[20]。 接）进行疲劳强度计算对钢结构进行疲劳计算，可以采用应力比法或者应力幅法，其中应用更广泛[21]。不论是应力比法还是应力幅法，的是应力比法它们的应力循环参数是一致的， 实用文档
和最小应力都是由最大应力两个独立变量演绎出来的。
