常用的機(jī)械疲勞分析方法總結(jié) 更新時(shí)間:2024-01-11 點(diǎn)擊次數(shù):542次
常用的機(jī)械疲勞分析方法包括七種:名義應(yīng)力法、局部應(yīng)力應(yīng)變法、能量法、場強(qiáng)法、斷裂力學(xué)方法、可靠性設(shè)計(jì)方法、概率斷裂力學(xué)。
名義應(yīng)力法是以結(jié)構(gòu)的名義應(yīng)力為試驗(yàn)和壽命估算的基礎(chǔ),采用雨流法取出一個(gè)個(gè)相互獨(dú)立、互不相關(guān)的應(yīng)力循環(huán),結(jié)合材料的S-N曲線,按線性累積損傷理論估算結(jié)構(gòu)疲勞壽命的一種方法。 基本假定:對任一構(gòu)件(或結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)或元件),只要應(yīng)力集中系數(shù)KT相同,載荷譜相同,它們的壽命則相同。此法中名義應(yīng)力為控制參數(shù)。該方法考慮到了載荷順序和殘余應(yīng)力的影響,簡單易行。 但該種方法有兩個(gè)主要的不足之處:一是因其在彈性范圍內(nèi)研究疲勞問題,沒有考慮缺口根部的局部塑性變形的影響,在計(jì)算有應(yīng)力集中存在的結(jié)構(gòu)疲勞壽命時(shí),計(jì)算誤差較大。二是標(biāo)準(zhǔn)試樣和結(jié)構(gòu)之間的等效關(guān)系的確定十分困難,這是由于這種關(guān)系與結(jié)構(gòu)的幾何形狀、加載方式和結(jié)構(gòu)的大小、材料等因素有關(guān)。 正是因?yàn)樯鲜鋈毕?,使名義應(yīng)力法預(yù)測疲勞裂紋的形成能力較低,且該種方法需求得在不同的應(yīng)力比R和不同的應(yīng)力集中因子KT下的S-N曲線,而獲得這些材料數(shù)據(jù)需要大量的經(jīng)費(fèi)。因而,名義應(yīng)力法只適用于計(jì)算應(yīng)力水平較低的高周疲勞和無缺口結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。近年來,名義應(yīng)力法也在不斷的發(fā)展中,相繼出現(xiàn)了應(yīng)力嚴(yán)重系數(shù)法 (S.ST)、有效應(yīng)力法、額定系數(shù)法(DRF) 等。 局部應(yīng)力應(yīng)變法的基本思想是根據(jù)結(jié)構(gòu)的名義應(yīng)力歷程,借助于局部應(yīng)力應(yīng)變法分析缺口處的局部應(yīng)力。再根據(jù)缺口處的局部應(yīng)力,結(jié)合構(gòu)件的S-N曲線、材料的循環(huán)。一曲線、E -N曲線及線性累積損傷理論,估算結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。 基本假定:若一個(gè)構(gòu)件的危險(xiǎn)部位(點(diǎn))的應(yīng)力一應(yīng)變歷程與一個(gè)光滑小試件的應(yīng)力一應(yīng)變歷程相同,則壽命相同。此法中局部應(yīng)力一應(yīng)變是控制參數(shù)。 局部應(yīng)力應(yīng)變法主要用于解決高應(yīng)變的低周疲勞和帶缺口結(jié)構(gòu)的疲勞壽命問題。該方法的特點(diǎn)是可以通過一定的分析、計(jì)算,將結(jié)構(gòu)上的名義應(yīng)力轉(zhuǎn)化為缺口處的局部應(yīng)力和應(yīng)變。它可以細(xì)致地分析缺口處的局部應(yīng)力和應(yīng)變的非線性關(guān)系,可以考慮載荷順序和殘余應(yīng)力對疲勞壽命的影響。因此,到目前為止,局部應(yīng)力應(yīng)變法是一種比較好的疲勞壽命估算方法。 它克服了名義應(yīng)力法的兩個(gè)主要缺陷,但它亦有本身固有的缺陷:一是沒有考慮缺口根部附近應(yīng)力梯度和多軸應(yīng)力的影響;二是疲勞壽命的計(jì)算結(jié)果對疲勞缺口系數(shù)K值非常敏感。 而在實(shí)際工作中,精確地確定結(jié)構(gòu)的K值是非常困難的,這就影響了局部應(yīng)力應(yīng)變法估算疲勞壽命的精度。此外,局部應(yīng)力應(yīng)變法要用到材料的C-N曲線,而E-N曲線是在控制應(yīng)變的條件下進(jìn)行疲勞試驗(yàn)而得到的,試驗(yàn)數(shù)據(jù)資料比較少,不如S-N曲線容易得到,這也影響了該方法的使用。 基本假定:由相同的材料制成的構(gòu)件(元件或結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)),如果在疲勞危險(xiǎn)區(qū)承受相同的局部應(yīng)變能歷程,則它們具有相同的疲勞裂紋形成壽命。 能量法的材料性能數(shù)據(jù)主要是材料的循環(huán)應(yīng)力一應(yīng)變曲線和循環(huán)能耗一壽命曲線。雖然在現(xiàn)有的能量法中均假設(shè)各循環(huán)的能耗是線性可加的,而事實(shí)上由于循環(huán)加載過程中材料內(nèi)部的損傷界面不斷擴(kuò)大,因此能耗總量與循環(huán)數(shù)之間的關(guān)系是非線性的。這一關(guān)鍵問題導(dǎo)致了能量法難于運(yùn)用于工程實(shí)際。因此能量法可能不是一種十分合理和有前途的方法。 基本假設(shè):由相同的材料制成的構(gòu)件(元件或結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)),如果在疲勞失效區(qū)域承受相同應(yīng)力場強(qiáng)度歷程,則具有相同疲勞壽命。此法的控制參數(shù)是應(yīng)力場強(qiáng)度。用場強(qiáng)法預(yù)測結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋的形成壽命時(shí),需要循環(huán)應(yīng)力一應(yīng)變曲線和S-Nf曲線(或£-Nf曲線),分析計(jì)算較復(fù)雜。 由上述四種疲勞壽命預(yù)測方法各自的特點(diǎn)可知,不同的已知條件需采用不同的預(yù)測方法:如對于具有大量的疲勞性能數(shù)據(jù)的材料制成的連接件或結(jié)構(gòu)件可采用名義應(yīng)力法;對于具有復(fù)雜的幾何外形且承受復(fù)雜載荷作用下的一些結(jié)構(gòu)件可采用局部應(yīng)力一應(yīng)變法,尤其是瞬態(tài)的循環(huán);一曲線和£-Nf曲線相結(jié)合的方法;應(yīng)力場強(qiáng)法可以用于與局部應(yīng)力一應(yīng)變法相同的材料疲勞性能數(shù)據(jù),即循環(huán)a一曲線和S-N或£-Nf曲線。