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疲劳寿命预测方法.pdf

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疲劳寿命预测方法 10船王茹娇080412022035 疲劳裂纹形成寿命的概念 发生疲劳破坏时的载荷循环次数，或从开始受载到发生断裂所经过的 时间称为该材料或构件的疲劳寿命。 疲劳寿命的种类很多。从疲劳损伤的发展看，疲劳寿命可分为裂纹形 成和裂纹扩展两个阶段：结构或材料从受载开始到裂纹达到某一给定的裂 纹长度a0为止的循环次数称为裂纹形成寿命。此后扩展到临界裂纹长度 acr为止的循环次数称为裂纹扩展寿命，从疲劳寿命预测的角度看，这一 给定的裂纹长度与预测所采用的寿命性能曲线有关。此外还有三阶段和多 阶段，疲劳寿命模型等。疲劳损伤累积理论 疲劳破坏是一个累积损伤的过程。对于等幅交变应力，可用材料的 S—N曲 线来表示在不同应力水平下达到破坏所需要的循环次数。于是，对于 给定的应力水平，就可以利用材或零部件的S—N曲线，确定该零件至破 坏时的循环数N，亦即可以估算出零件的寿命，但是，在仅受一个应力循 环加载的情况下，才可以直接利用S—N曲线估算零件的寿命。如果在多 个不同应力水平下循环加载就不能直接利用S—N曲线来估计寿命了。对 于实际零部件，所承受的是一系列循环载荷，因此还必须借助疲劳累积损 伤理论。 损伤的概念是，在疲劳载荷谱作用下材料的改变（包括疲劳裂纹大小 的变化，循环应变硬化或软化以及残余应力的变化等）或材料的损坏程度。 疲劳累积损伤理论的基本假设是：在任何循环应力幅下工作都将产生疲劳 损伤，疲劳损伤的严重程度和该应力幅下工作的循环数有关，与无循环损 伤的试样在该应力幅下产生失效的总循环数有关。而且每个应力幅下产生 的损伤是永存的，并且在不同应力幅下循环工作所产生的累积总损伤等于 每一应力水平下损伤之和。当累积总损伤达到临界值就会产生疲劳失效。 目前提出多种疲劳累积损伤理论，应用比较广泛的主要有以下3种:线性 损伤累积理论，修正的线性损伤累积理论和经验损伤累积理论。 线性损伤累积理论在循环载荷作用下，疲劳损伤是可以线性地累加的， 各个应力之间相互独立和互不相干，当累加的损伤达到某一数值时，试件 或构件就发生疲劳破坏，线性损伤累积理论中典型的是Miner理论。 根据该理论，假设在应力i下材料达到破坏的循环次数为Ni，设D 为最终断裂时的临界值。根据线性损伤理论，应力i每作用一次对材料的 损伤为D/Ni，则经过ni次后，对材料造成的总损伤为niD/Ni。 当各级应力对材料的损伤综合达到临界值D时，材料即发生破坏，因 此可推出： ni1，Ni1in上式称为线性累积损伤方程式，或帕姆格伦—迈因纳方 程式（Palmgren-Miner）。 线性损伤累积理论比较简单方便，但是线性损伤累积理论没有考虑应 力之间的相互作用，而使预测结果与试验值相差较大，有时甚至相差很远， 从而提出了修正线性损伤累积理论，其中典型的是Carten-Dolan理论。 科学的疲劳形成寿命预测法 科学的疲劳形成寿命预测方法很多，但是按疲劳裂纹形成寿命预测的 基本假定和控制参数，可将它们大致分为以下几类：名义应力法，局部应 力应变法，能量法和场强法等。一、名义应力法 基本假设：对任一构件（或结构细节或元件），只要应力集中系数 KT相同，载荷谱相同，它们的寿命就相同。此法中名义应力为控制参数。 名义应力法的主要不足之处为：（1）没有考虑缺口根部的局部塑性； （2）标准试件和结构之间的等效关系的确定非常困难，这是由于这种关 系和多种因素相关，如结构的几何形状、加载方式和结构的大小、材料等。 正因为上述缺陷，名义应力法预测疲劳裂纹的形成寿命的能力较低，而且 名义应力法需要在不同应力比R和不同的应力集中因子KT下的S—N曲线。 这些 数据的获得需要花费大量的人力和物力。在名义应力的发展中，出现 了应力严重 系数法（SSF）、有效应力法和额定系数法（DRF）等 名义应立法的基本假设局部应力法的基本假设 二、局部应力应变法 基本假定：若一个构件的危险部位（点）的应力—应变历程与一个光 滑试件 的应力—应变历程相同，则寿命相同。此法中的局部应力—应变是控 制参数。 局部应力应变法克服了名义应力法的两个主要缺点，但它本身也有一 定的缺点，即“点应力准则”，因此局部应力应变法无法考虑缺口根部附 近应力梯度和多轴应力的影响。局部应力应变法预测疲劳裂纹形成寿命需 要材料的循环应力—应变曲线和Nf曲线。材料的循环曲线有很多，基本 上分为两类：稳态的循环曲线和瞬态的循环曲线。Nf曲线是描述材料应 变与寿命之间关系的。Nf曲线可依据描述寿命特性的控制参数不同分为 两种： Nf曲线和等效应变曲线公式eqNf。不同的循环曲线和Nf曲线 可组合成不同的局部应力应变法，其中稳态的循环曲线与Manon-