疲劳分析的各种方法

疲劳分析的各种方法

疲劳寿命预测方法很多。按疲劳裂纹形成寿命预测的基本假定和

控制参数，可分我爱你一生一世 为名义应力法、局部应力一应变法、能量法、场强法

等。

1名义应力法

名义应力法是以结构的名义应力为试验和寿命估算的基础，采用

雨流法取出一个个相互独立、互不相关的应力循环，结合材料的S -N

曲线，按线性累积损伤理论估算结构疲劳寿命的一种方法。基本假定：

对任一构件(或结构细节或元件)，只要应力集中系数K相同，载荷谱

T

相同，它们的寿命则相同。此法中名义应力为控制参数。该方法考虑

到了载荷顺序和残余应力的影响，简单易行。

但该种方法有两个主要的不足之处：一是因其在弹性范围内研究

疲劳问题，没有考虑缺口根个人简介模板范文 部的局部塑性变形的影响，古镇旅游 在计算有应力

集中存在的结构疲劳寿命时，计算误差较大；二是标准试样和结构之

间的等效关系的确定十分困难，这是由于这种关系与结构的几何形状、

加载方式和结构的大小、材料等因素有关。正是因为上述缺陷，使名

义应力法预测疲劳裂纹的形成能力较低，且该种方法需求得在不同的

应力比R和不同的应力集中因子K下的S-N曲线，而获得这些材料数

T

据需要大量的经费。因而名义应力法只适用于计算应力水平较低的高

周疲劳和无缺口结构的疲劳寿命。近年来，名义应力法也在不断的发

展中，相继出现了应力严重系数法(S. ST)、有效应力法、额定系七夕节是几月几号 数法

(DRF)等。

2局部应力一应变法

局部应力一应变法的基本思想是根据结构的名义应力历程，借助

于局部应力-应变法分析缺口处的局部应力。再根据缺口处的局部应力，

结合构件的S-N曲线、材料的循环。一曲线、E -N曲线及线性累积损

伤理论，估算结构的疲劳寿命。

基本假定:若一个构件的危险部位(点)的应力一应变历程与一个光

滑小试件的应力一应变历程相同，则寿命相同。此法中局部应力一应

变是控制参数。

局部应力一应变法主要用于解决高应变的低周疲劳和带缺口结构

的疲劳寿命问题。该方法的特点是可以通过一定的分析、计算将结构

上的名义应力转化为缺口处的局部应力和应变。它可以细致地分析缺

口处的局部应力和应变的非线性关系，可以考虑载荷顺序和残余应力

对疲劳寿命的影响。因此，到目前为止，局部应力-应变法是一种比较

好的疲劳寿命估算方法。它克服了名义应力法的两个主要缺陷，但它

亦有本身固有的缺陷。一是没有考虑缺口根部附近应力梯度和多轴应

力的影响。二是疲劳寿命的计算结果对疲劳缺口系数K值非常敏感。

而在实际工作中，精确地确定结构的K值是非常困难的，这就影响了

局部应力一应变法估算疲劳寿命的精度。此外，局部应力一应变法要

用到材料的C一一N曲线，而E一一N曲线是在控制应变的条件下进

行疲劳试验而得到的，试验数据资料比较少，不如S-N曲线容易得到，

这也影响了该方法的使用。

3能量法

基本假定:由相同的材料制成的构件(元件或结构细节)，如果在疲

劳危险区承受相同的局部应变能历程，则它们具有相同的疲劳裂纹形

成寿命。

能量法的材料性能数据主要是材料的循环应力一应变曲线和循环

能耗一寿命曲线。虽然在现有的能量法中均假设各循环的能耗是线性

可加的，而事实上由于循环加载过程中材料内部的损伤界面不断扩大，

因此能耗总量与循环数之间的关系是非线性的。这一关键问题导致了

能量法难于运用于工程实际。因此能量法可能不是一种十分合理和有

前途的方法。

4场强法

基本假设:由相同的材料制成的构件(元件或结构细节)，如果在疲

劳失效区域承受相同应力场强度历程，则具有相同疲劳寿命。此法的

控制参数是应力场强度。用场强法预测结构的疲劳裂纹的形成寿命时，

需要循环应力一应变曲线和S-Nf曲线(或￡-Nf曲线)，分析计算较复

杂。

由上述四种疲劳寿命预测方法各自的特点可知，不同的已知条件

需采用不同的预测方法。如对于具有大量的疲劳性能数据的材料制成

的连接件或结构件可采用名义应力法;对于具有复杂的几何外形且承受

复杂载荷作用下的一些结构件可采用局部应力一应变法，尤其是瞬态

的循环。一曲线和￡-Nf曲线相结合的方法;应力场强法可以用于与局

部应力一应变法相同的材料疲劳性能数据即循环a一曲线和S-N或￡-

Nf曲线。

5断裂力学方法

断裂力学理论是基于材料本身存在着缺陷或裂纹这一事实，以变

形体力学为基础，研究含缺陷或裂纹的扩展、失稳和止裂。通过对断

口定量分析得出构件在实际工作中的疲劳裂纹扩展速率(适用较广泛的

是Paris疲劳裂纹扩展速率公式)，合理地对零、部件进行疲劳寿命估

算，确定构件形成裂纹的时间，评价其制造质量，有利于正确分析事

故原因。事实上这种方法解决了工程中许多灾难性的低应力脆断问题，

弥补了常规设计方法的不足，现已成为失效分析的重要方法之一。

疲劳断裂是结构零、部件失效的主要模式。据统计，由于结构部

件失效导致的重大事故中的85%^-90%与疲劳断裂有关。根据断裂力

学的观点，金属结构件的疲劳破坏是由于主裂纹扩展到临界尺寸而造

成的，结构的寿命取决于结构危险部位裂纹的萌生与扩展。该方法将

疲劳断裂过程分为三个阶段。一是构件在交变力作用下产生初始裂纹

(初始裂纹定义至今仍无统一标准，习惯上为0.5^-1mm);二是裂纹开

始扩展，以致产生较大宏观裂纹;三是裂纹急剧扩展，迅速导致破坏，

它的寿命往往很短，称瞬间断裂寿命，工程上不予考察。按裂纹产生

的时间，又可将第一阶段定义为始裂寿命，第二阶段定义为为裂纹扩

展寿命(习惯上称剩余寿命)。对寿命的度量一般以经历的循环荷载的次

数来表示。该理论认为，疲劳极限是客观存在的，也就是说，当构件

承受的循环荷载幅值小于该构件材料的疲劳极限时，该构件不可能因

产生裂纹导致破坏，即从疲劳寿命角度考察其寿命是无限的。此外疲

劳寿命不仅与循环载荷幅值和材料物理、化学特性有关，还与载荷的

变化频率有关，故疲劳寿命有高周疲劳与低周疲劳之分。

前述名义应力法深圳大学分数线 、局部应力一应变法等均是研究始裂寿命。而剩

余寿命的研究，则较复杂。目前是一个热点问题，工程界尚未提出普

遍接受的评估手段。

近年来，断裂力学理论得到了长足的发展，但是它还很不完善，

断裂失效的机理还不是十分清楚，所以要应用该理论得出简单而准确

可靠的疲劳寿命预测计算式还有待时日。

6可靠性设计方法

可靠性设计方法是应用可靠性理论和设计参数的统计数据，在给

定的可靠性指标下，对零部件、设备或系统进行的设计。其目的是发

现和确定产品存在的隐患和薄弱环动物卡通图片 节，通过预防和改进，提高产品的

固有可靠性。但是机械系统的可靠性研究还很不成熟，况且用可靠性

设计的方法也不能解决疲劳剩余寿命评估的问题。

7概率断裂力学

断裂力学是基于确定性参数的估算方法。概率断裂力学是将断裂

力学中裂纹尺寸、断裂韧性、应力强度因子、裂纹扩展速率等参数作

为随机变量，进行可靠性分析。这样就提高了断裂力学工程分析方法

的可靠性。但该种方法存在一定的缺陷，一是其涉及到随机变量和随

机数目前主要采用正态分布、三参数威布尔分布来产生，显然不足以

完全反映实际情况;二是试验数据不足。故这种方法在实际应用中受到

了一定的限制。

目前也有人利用模糊数学和统计模拟的方法对金属结构的技术状

态进行综合评价，并在此基础上推算它的剩余寿命[[36-381。这些方

法是否可靠，不仅取决于数学方法，还取决于人的主观因素。

金属结构疲劳寿命评估理论发展趋势〔3，一#40]

在今后的金属结构疲劳寿命评估理论中，专家们一致认为应着手

以下几方面的研究:理论上侧重研究系统临界状态及多临界状态的优化

问题，研究多判据情况下一次二阶矩法;研究验证临界失效模型的有效

方法;完善疲劳强度理论及断裂力学方法;研究更适合系统的概率失效模

型，改进目前计算断裂概率方法;进一步研究计算可靠度的方法;研究影

响系统的敏感性参数，特别研究对系统的参数敏感性分析方惊天动地观后感 法，从而

系统有效地处理其敏感性指标。

08金属结构疲劳寿命评估理论基础

试验上侧重于研究选择适合于工程的金属结构实际测量的方法，

找到应用于实际的判断依据，从而正确地评价其寿命。利用计算机的

虚拟技术，提高对实测数据的处理，建立金属结构件的专家系统，评

定金属结构的疲劳剩余寿命和其余的技术指标，进而研究金属结构的

设计、制造和技术改造等的人工智能系统。