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高固疲劳裂纹监测

研机械2012

郑阳

高固疲劳裂纹监测
疲劳就是材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程，对于矿山、冶金、动力、运输机械以及航空航天飞行器等，疲劳失效是其零件或构件的主要失效形式。统计结果表明，在各种机械的断裂事故中，大约有80%是由于疲劳失效引起的。因此对于承受交变应力的设备，疲劳分析在设计中占有重要的地位。零件、构件以至设备的寿命。可靠性等成为国内外市场上产品竞争的重要指标，疲劳寿命即材料或构件疲劳失效时所经受的规定应力或应变的循环次数，是设计人员和工程技术人员十分关注的课题，也是与广大用户切身相关的问题。然而，在复杂疲劳载荷作用下的疲劳寿命计算又是一个十分困难的问题。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，同时还要把一些影响疲劳寿命的主要因素考虑进去，要做到这点，目前还十分困难。因此，目前国内外的疲劳寿命计算，都还没有十分精确的方法，本文就目前的疲劳寿命计算方法做一简单总结与展望。
1、疲劳寿命分析方法
疲劳破坏过程大致经历着四个时期，即疲劳成核期，微观裂纹增长期，宏观裂纹扩展期以及最后断裂期，在工程实践中，又常常把这四个时期综合为两个阶段，也就是疲劳裂纹形成阶段和疲劳裂纹扩展阶段，裂纹形成阶段包括疲劳成核期和微观裂纹增长期，疲劳裂纹扩展阶段包括宏观裂纹扩展阶段和最后断裂阶段，相应地将疲劳寿命划分为疲劳裂纹形成寿命和疲劳裂纹扩展寿命两部分，对于低周疲劳，裂纹形成早，无裂纹寿命短，疲劳的总寿命近似等于裂纹扩展寿命，所以在低周疲劳设计中，主要考虑裂纹扩展寿命，但在高周疲劳中，一般情况下，无裂占有很大比例，所以在高周疲劳设计时，应兼顾无裂纹寿命和裂纹扩展寿命。
2、裂纹形成寿命预测方法
（1）名义应力法
名义应力法实际上是一个传统的安全疲劳寿命估算法，该方法认为，对任一构件或结构细节或元件，只要应力集中系数相同，载荷谱相同，它们的寿命就相同，此法中的控制参数为名义应力，所谓名义应力，就是指缺口试样或要计算的结构元件的载荷，被试样的净面积所除得到的应力值，也就是该面积上平均分布的应力值，一般地说!构件或结构的实际破坏!往往是从结构内部或表面具有应力集中的缺陷部位开始的，从理论上讲!应该用缺陷部位的局部应力来进行结构的疲劳寿命估算，但是这样做有较大的实际困难，因为缺陷往往是随机分布的，缺陷的尺寸和部位对各种结构也是变化的，再加上残余应力的作用!使问题变得十分复杂，在做损伤计算和寿命预计时，不可能对每一缺陷部位的应力或应变水平都进行理论分析和实际测量，因此，常采用名义应力法去估算疲劳寿命，名义应力法估算疲劳寿命的步骤为，根据应力测量，应力分析的结果!综合考虑缺口附近的应力，应力集中大小或应力集中系数来确定结构中的危险部位，或者参考以往的经验，使用中破坏情况的统计资料来确定结构中的危险部位或薄弱环节，根据规范或实测得到疲劳载荷谱，然后依据数理统计方法将载荷谱转换为试验应力谱，建立对应于各应力谱的S-N-曲线,选取合适的累积损伤理论,选取疲劳寿命的分散系数,该方法由于没有考虑缺口根部的局部塑性，且标准试件和结构件之间的等效关系的确定比较困难，所以预测寿命与实际寿命有较大出入,同时,获取不同应力比,和不同的应力集中因子下的S-N曲线需要花费大量的人力和物力。因此，名义应力法的应用受到了一定的限制，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。
（2）局部应变法
局部应变法把疲劳寿命的估算建立在最危险的切口或其它应力集中部位的应力和应变的局部估算上，局部应变法估算疲劳寿命的步骤为，从分析载荷的最大峰值开始，根据载荷--应变标定曲线和循环应力--应变曲线，计算初始的缺口应力和应变，根据公式计算相应后面加载历史的缺口应力和应变，对每一闭合的应力--应变迟滞回线，用公式计算相应的循环寿命。对整个加载历史进行累积计算总的寿命，用局部应变法估算疲劳寿命的目的。就是用分析的方法代替各种试验程序!减少试验工作量，节省试验费用，而且由于这种方法处理了复杂的几何形状和不规则的循环载荷历史，考虑了局部地区的应力应变状态，因此能得到较准确的疲劳寿命估算。
（3）局部应力--应变法
决定构件疲劳强度和寿命的是应变集中处的最大局部应力和应变!因此!近代在应变分析和低周疲劳的基础上，提出了一种新的疲劳寿命估算方法——局部应力--应变法，该方法假定，如果一个构件在危险部位处的应力和应变能够与实验室光滑试样的循环应力和应变联系起来，那么构件的疲劳裂纹形成寿命将和试样的疲劳寿命是相同的，此法中的控制参数是局部应力--应变，其思路是，构件的疲劳