车辆疲劳设计

1、大连交通大学大连交通大学 系列讲座之二系列讲座之二 疲劳的基础知识疲劳的基础知识 大连交通大学大连交通大学 主要内容主要内容 1. 1. 引言引言 2. 2. 疲劳的基本概念疲劳的基本概念 3. 3. 疲劳设计方法疲劳设计方法 4. 4. 疲劳载荷类型与疲劳载荷类型与S-NS-N曲线曲线 5. Miner 5. Miner损伤累积的能量属性损伤累积的能量属性 6. 6. 计算疲劳寿命的基本公式计算疲劳寿命的基本公式 7. 7. 计算疲劳寿命前的应力编谱计算疲劳寿命前的应力编谱 8. 8. 一个用计算器计算疲劳寿命的例子一个用计算器计算疲劳寿命的例子 大连交通大学大连交通大学 1. 1. 引言引

2、言 1.1 1.1 几个基本概念几个基本概念： （1 1）疲劳破坏：零件或构件由于交变载荷的反复作用，在它所承受的交变应力尚未）疲劳破坏：零件或构件由于交变载荷的反复作用，在它所承受的交变应力尚未 达到静强度设计的许用应力情况下就会在零件或构件的局部位置产生疲劳裂纹并达到静强度设计的许用应力情况下就会在零件或构件的局部位置产生疲劳裂纹并 扩展、最后突然断裂。这种现象称为扩展、最后突然断裂。这种现象称为疲劳破坏。疲劳破坏。 （2 2）疲劳裂缝形成的特点疲劳裂缝形成的特点 ：隐蔽性（裂缝形成）和瞬发性（疲劳断裂）：隐蔽性（裂缝形成）和瞬发性（疲劳断裂） （3 3）疲劳破坏造成的严重后果：疲劳破坏造

3、成的严重后果： 二次世界大战期间美国制造的全焊接船舶，有近千艘出现开裂；二次世界大战期间美国制造的全焊接船舶，有近千艘出现开裂； 第一架喷气式客机在试飞第一架喷气式客机在试飞300300小时后投入使用，检修后第小时后投入使用，检修后第4 4天坠入地中海，打天坠入地中海，打 捞后结果分析显示，压力舱疲劳破坏引起，裂缝起源于机身开口的拐角处；捞后结果分析显示，压力舱疲劳破坏引起，裂缝起源于机身开口的拐角处； 美国西弗吉尼亚的美国西弗吉尼亚的Point PleasantPoint Pleasant桥突然毁坏，造成桥突然毁坏，造成4646人死亡，原因是由一人死亡，原因是由一 根带环拉杆中的缺陷在疲劳、

4、腐蚀的作用下扩展到临界尺寸而引起；根带环拉杆中的缺陷在疲劳、腐蚀的作用下扩展到临界尺寸而引起； 有报告指出：有报告指出：断裂使美国一年损失断裂使美国一年损失11901190亿美元。亿美元。 大连交通大学大连交通大学 1. 1. 引言引言 1.2 1.2 在机车车辆行业疲劳研究的重要性：在机车车辆行业疲劳研究的重要性： p金属的疲劳破坏形式和机理不同与静载破坏，所以零件疲劳强度的设金属的疲劳破坏形式和机理不同与静载破坏，所以零件疲劳强度的设 计计算不能为经典的静强度设计计算所替代，属于计计算不能为经典的静强度设计计算所替代，属于动强度设计。动强度设计。 p随着机车车辆向高速、大功率和轻量化方向的

5、迅速发展，其疲劳强度随着机车车辆向高速、大功率和轻量化方向的迅速发展，其疲劳强度 及其可靠性的要求也越来越高。及其可靠性的要求也越来越高。 p近几年随着我国铁路的不断提速，机车、车辆和道轨等铁路设施的疲近几年随着我国铁路的不断提速，机车、车辆和道轨等铁路设施的疲 劳断裂事故不断发生，越来越引起人们的重视。劳断裂事故不断发生，越来越引起人们的重视。 p疲劳强度设计及其研究正在成为我国高速机车车辆设计制造中的一项疲劳强度设计及其研究正在成为我国高速机车车辆设计制造中的一项 不可缺少的和重要的工作。不可缺少的和重要的工作。 http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ htt

6、p:/ http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ http:/ 大连交通大学大连交通大学 1.3 1.3 疲劳研究存在的最大问题：疲劳研究存在的最大问题： p有相当多的学者和工程技术人员进行了大量的研究，得到了许多关于金有相当多的学者和工程技术人员进行了大量的研究，得到了许多关于金 属疲劳损伤和断裂的理论及有关经验技术。属疲劳损伤和断裂的理论及有关经验技术。 p但是由于疲劳破坏的影响因素多而复杂并且这

7、些因素互相影响又与构件但是由于疲劳破坏的影响因素多而复杂并且这些因素互相影响又与构件 的实际情况密切相关，使得其应用性成果尚远远不能满足工程设计和生的实际情况密切相关，使得其应用性成果尚远远不能满足工程设计和生 产应用的需要。产应用的需要。 p至今有约至今有约90%90%的机械零部件的断裂破坏仍然是由直接于疲劳或者间接疲的机械零部件的断裂破坏仍然是由直接于疲劳或者间接疲 劳而引起的。劳而引起的。 p因此，在因此，在2121世纪的今天，尤其是在高速和大功率化的新产品的开发制造世纪的今天，尤其是在高速和大功率化的新产品的开发制造 中，其疲劳强度或疲劳寿命的设计十分重要，并且往往需要同时进行相中，其

8、疲劳强度或疲劳寿命的设计十分重要，并且往往需要同时进行相 应的应的试验研究和试验验证试验研究和试验验证。 1. 1. 引言引言 大连交通大学大连交通大学 1. 1. 引言引言 1.4 1.4 疲劳产生的原因和提高疲劳的基本途径：疲劳产生的原因和提高疲劳的基本途径： 疲劳断裂的产生：疲劳断裂的产生：是因为在零件或构件表层上的高应力或强度比较低弱是因为在零件或构件表层上的高应力或强度比较低弱 的部位区域产生疲劳裂纹，并进一步扩展而造成的。的部位区域产生疲劳裂纹，并进一步扩展而造成的。 这些危险部位小到几个毫米甚至几十个微米的范围，零件或构件的几何这些危险部位小到几个毫米甚至几十个微米的范围，零件或

9、构件的几何 缺口根部、表面缺陷、切削刀痕、碰磕伤痕及材料的内部缺陷等往往是这种缺口根部、表面缺陷、切削刀痕、碰磕伤痕及材料的内部缺陷等往往是这种 危险部位。危险部位。 提高构件疲劳强度的基本途径提高构件疲劳强度的基本途径: :一种是机械设计的方法，主要有优化或改一种是机械设计的方法，主要有优化或改 善缺口形状，改进加工工艺工程和质量等手段将危险点的峰值应力降下来；善缺口形状，改进加工工艺工程和质量等手段将危险点的峰值应力降下来； 另一种是材料冶金的方法，即用热处理手段将危险点局部区域的疲劳强另一种是材料冶金的方法，即用热处理手段将危险点局部区域的疲劳强 度提高，或者是提高冶金质量来减少金属基体

10、中的非金属夹杂等材料缺陷等度提高，或者是提高冶金质量来减少金属基体中的非金属夹杂等材料缺陷等 局部薄弱区域。局部薄弱区域。 在解决实际工程问题时，往往需要结合运用以上两种方法进行疲劳强度在解决实际工程问题时，往往需要结合运用以上两种方法进行疲劳强度 设计和研究。合理地利用各种提高疲劳强度的手段，可以有效地提高构件的设计和研究。合理地利用各种提高疲劳强度的手段，可以有效地提高构件的 疲劳强度或延长其疲劳寿命，并起到轻量化的作用。疲劳强度或延长其疲劳寿命，并起到轻量化的作用。 大连交通大学大连交通大学 1. 1. 引言引言 1.5 1.5 疲劳问题研究的分类疲劳问题研究的分类: : 1 1）疲劳裂

11、纹的形成和扩展机理、规律方面的基础性研究）疲劳裂纹的形成和扩展机理、规律方面的基础性研究 ; ; 2) 2) 疲劳强度设计以及提高疲劳强度的有效途径等应用性研究。疲劳强度设计以及提高疲劳强度的有效途径等应用性研究。 指出的是指出的是: : 应用性研究虽然借鉴了基础性研究的成果，但因为它需要考虑更多的实应用性研究虽然借鉴了基础性研究的成果，但因为它需要考虑更多的实 际影响因素，所以它的研究更为复杂和困难。际影响因素，所以它的研究更为复杂和困难。 关于疲劳寿命的预测和疲劳强度设计等应用性研究要少得多，远远落后关于疲劳寿命的预测和疲劳强度设计等应用性研究要少得多，远远落后 于实际工程的需求。于实际工

12、程的需求。 大连交通大学大连交通大学 1. 1. 引言引言 1.6 疲劳研究的必要性疲劳研究的必要性 p疲劳强度设计和寿命预测的研究主要是以试验为基础进行的。随着计算机疲劳强度设计和寿命预测的研究主要是以试验为基础进行的。随着计算机 应用技术和有限元数值计算理论及其应用的迅速发展，现在又兴起了基于应用技术和有限元数值计算理论及其应用的迅速发展，现在又兴起了基于 大量试验数据的疲劳强度设计和寿命计算的有限元数值计算方法，有力地大量试验数据的疲劳强度设计和寿命计算的有限元数值计算方法，有力地 推动着零部件疲劳强度设计的研究及应用的发展。推动着零部件疲劳强度设计的研究及应用的发展。 p如今，随着高速

13、、重载铁路货车动负荷的加剧，疲劳失效现象的显著增多如今，随着高速、重载铁路货车动负荷的加剧，疲劳失效现象的显著增多 ，特别是焊接结构的疲劳破坏更为明显。，特别是焊接结构的疲劳破坏更为明显。 p由于疲劳裂纹的形成和扩展具有很大的隐蔽性，而疲劳断裂时又具有瞬间由于疲劳裂纹的形成和扩展具有很大的隐蔽性，而疲劳断裂时又具有瞬间 突发性，如果一但发生疲劳断裂事故，必然带来严重的后果。突发性，如果一但发生疲劳断裂事故，必然带来严重的后果。 p因此，在设计阶段，采用先进的分析手段，开展抗疲劳设计，有效评估结因此，在设计阶段，采用先进的分析手段，开展抗疲劳设计，有效评估结 构的抗疲劳性能，已成为一个刻不容缓的

14、研究课题。构的抗疲劳性能，已成为一个刻不容缓的研究课题。 大连交通大学大连交通大学 2. 2. 疲劳的基本概念疲劳的基本概念 2.1 2.1 疲劳定义疲劳定义 疲劳一词的英文是疲劳一词的英文是FatigueFatigue，意思是，意思是“劳累、疲倦劳累、疲倦”。 作为专业术语，用来表达材料在循环载荷作用下的损伤和破坏。作为专业术语，用来表达材料在循环载荷作用下的损伤和破坏。 国际标准化组织（国际标准化组织（ISO）在）在1964年发表的报告年发表的报告金属疲劳试验的一般原金属疲劳试验的一般原 理理中对疲劳所做得定义是中对疲劳所做得定义是“金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的金属材料在应力或

15、应变的反复作用下所发生的 性能变化叫做疲劳；虽然在一般情况下，这个术语特指那些导致开裂或破坏性能变化叫做疲劳；虽然在一般情况下，这个术语特指那些导致开裂或破坏 的性能变化的性能变化”。 美国实验与材料协会（美国实验与材料协会（ASTM）在）在“疲劳试验及数据统计分析之有关术疲劳试验及数据统计分析之有关术 语的标准定义语的标准定义”所做的定义：所做的定义：在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的 循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部的、永久结构循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部的、永久结构 变化的发展过程，称为疲劳。变

16、化的发展过程，称为疲劳。 这一个描述也普遍使用于非金属材料。这一个描述也普遍使用于非金属材料。 大连交通大学大连交通大学 2. 2. 疲劳的基本概念疲劳的基本概念 2.2 疲劳问题具有的特点疲劳问题具有的特点 1）只有在承受）只有在承受扰动应力扰动应力作用的条件下，疲劳才会发生。作用的条件下，疲劳才会发生。 扰动应力是指随时间变化的应力。扰动应力是指随时间变化的应力。 描述载荷描述载荷时间变化关系的图与表，称为载荷谱，还有应力时间变化关系的图与表，称为载荷谱，还有应力 谱、应变谱、加速度谱等；谱、应变谱、加速度谱等； 在研究疲劳问题时，首先要研究载荷谱的描述与简化。在研究疲劳问题时，首先要研究

17、载荷谱的描述与简化。 大连交通大学大连交通大学 2. 2. 疲劳的基本概念疲劳的基本概念 2.2 疲劳问题具有的特点疲劳问题具有的特点 2）疲劳破坏起源于高应力或高应变的局部。）疲劳破坏起源于高应力或高应变的局部。 静载下的破坏，取决于结构整体；疲劳破坏则是由应力或应变较高的静载下的破坏，取决于结构整体；疲劳破坏则是由应力或应变较高的 局部开始，形成损伤并逐渐累积，导致破坏发生。局部开始，形成损伤并逐渐累积，导致破坏发生。局部性局部性是疲劳的明显特是疲劳的明显特 点。点。要注意细节设计，尽可能减少应力集中。要注意细节设计，尽可能减少应力集中。 3）疲劳破坏是在足够多次的扰动载荷作用之后，形成）

18、疲劳破坏是在足够多次的扰动载荷作用之后，形成裂纹裂纹或完全断裂。或完全断裂。 足够多次的扰动载荷作用后，从高应力或高应变的局部开始，形成裂足够多次的扰动载荷作用后，从高应力或高应变的局部开始，形成裂 缝，称为裂纹起始。此后，在扰动载荷作用下，裂缝进一步扩展，直至临缝，称为裂纹起始。此后，在扰动载荷作用下，裂缝进一步扩展，直至临 界尺寸而完全断裂。界尺寸而完全断裂。裂纹萌生裂纹萌生扩展扩展断裂三个阶段是疲劳破坏的特点。断裂三个阶段是疲劳破坏的特点。 4）疲劳是一个发展过程。）疲劳是一个发展过程。 大连交通大学大连交通大学 2. 2. 疲劳的基本概念疲劳的基本概念 2.3 2.3 疲劳的分类疲劳的

19、分类 从不同的角度进行分类。从不同的角度进行分类。 从微观上看从微观上看，疲劳裂纹的萌生都与局部微观塑性有关，但，疲劳裂纹的萌生都与局部微观塑性有关，但从宏观上看从宏观上看， 在循环应力水平较低时，弹性应变起主导作用，此时疲劳寿命较长，称为应力在循环应力水平较低时，弹性应变起主导作用，此时疲劳寿命较长，称为应力 疲劳或高周疲劳；在循环应力水平较高时，塑性应变起主导作用，此时疲劳寿疲劳或高周疲劳；在循环应力水平较高时，塑性应变起主导作用，此时疲劳寿 命较短，称为应变疲劳或低周疲劳。命较短，称为应变疲劳或低周疲劳。 不同的外部载荷造成不同的疲劳破坏形式，由此可以将疲劳分为：不同的外部载荷造成不同的

20、疲劳破坏形式，由此可以将疲劳分为：机械疲机械疲 劳劳仅有外加应力或应变波动造成的疲劳失效；仅有外加应力或应变波动造成的疲劳失效；蠕变疲劳蠕变疲劳循环载荷同高温联循环载荷同高温联 合作用引起的疲劳失效；合作用引起的疲劳失效；热机械疲劳热机械疲劳循环载荷和循环温度同时作用引起的疲循环载荷和循环温度同时作用引起的疲 劳失效；劳失效；腐蚀疲劳腐蚀疲劳在存在侵蚀性化学介质或致脆介质的环境中施加循环载荷在存在侵蚀性化学介质或致脆介质的环境中施加循环载荷 引起的疲劳失效；引起的疲劳失效；滑动接触疲劳和滚动接触疲劳滑动接触疲劳和滚动接触疲劳载荷的反复作用与材料间的载荷的反复作用与材料间的 滑动和滚动接触相结合

21、分别产生的疲劳失效；滑动和滚动接触相结合分别产生的疲劳失效；微动疲劳微动疲劳脉动应力与表面间的脉动应力与表面间的 来回相对运动和摩擦滑动共同作用产生的疲劳失效来回相对运动和摩擦滑动共同作用产生的疲劳失效 . 大连交通大学大连交通大学 2. 2. 疲劳的基本概念疲劳的基本概念 2.4 2.4 疲劳寿命疲劳寿命 疲劳寿命是指结构或机械直至破坏所作用的循环载荷的次数或时间。疲劳寿命是指结构或机械直至破坏所作用的循环载荷的次数或时间。 从疲劳损伤发展过程看，从疲劳损伤发展过程看，有二阶段疲劳寿命模型、三阶段疲劳寿命模型和有二阶段疲劳寿命模型、三阶段疲劳寿命模型和 多阶段疲劳寿命模型。多阶段疲劳寿命模型

22、。 二阶段疲劳寿命模型二阶段疲劳寿命模型 三阶段疲劳寿命模型三阶段疲劳寿命模型 多阶段疲劳寿命模型多阶段疲劳寿命模型 大连交通大学大连交通大学 2. 2. 疲劳的基本概念疲劳的基本概念 2.5 2.5 疲劳研究的三个尺度疲劳研究的三个尺度 材料科学研究疲劳问题材料科学研究疲劳问题，着重材料在反复载荷作用下材料中损伤出现，着重材料在反复载荷作用下材料中损伤出现 和演化的机制；和演化的机制； 宏观力学宏观力学着重研究光滑或简单缺口试验件在反复载荷作用下的力学行着重研究光滑或简单缺口试验件在反复载荷作用下的力学行 为；为； 结构或机械设计结构或机械设计研究人员则着重抗疲劳设计的研究。研究人员则着重抗

23、疲劳设计的研究。 大连交通大学大连交通大学 3. 3. 疲劳设计方法疲劳设计方法 3.1 3.1 无限寿命设计无限寿命设计 “对于疲劳，应力幅比构件承受的最大应力更重要。应力幅越大，疲劳寿对于疲劳，应力幅比构件承受的最大应力更重要。应力幅越大，疲劳寿 命越短；应力幅小雨某一极限值时，将不发生疲劳破坏命越短；应力幅小雨某一极限值时，将不发生疲劳破坏”。 对于无裂缝构件，控制其应力水平，使其小于疲劳持久极限（对于无裂缝构件，控制其应力水平，使其小于疲劳持久极限（Sf)，则不，则不 萌生疲劳裂缝。所以其无限寿命设计条件为：萌生疲劳裂缝。所以其无限寿命设计条件为： 材料的疲劳持久极限材料的疲劳持久极限

24、Sf由由S-N曲线给出。曲线给出。 其中其中20世纪世纪60年代研究裂缝扩展的结果指出，裂缝扩展的控制变量年代研究裂缝扩展的结果指出，裂缝扩展的控制变量应力应力 强度因子幅度也存在着一个门槛值。对于已有裂缝存在的构件，控制其应力强强度因子幅度也存在着一个门槛值。对于已有裂缝存在的构件，控制其应力强 度因子，使其小于门槛值，则虽有裂缝但不扩展，也可以实现无限寿命设计。度因子，使其小于门槛值，则虽有裂缝但不扩展，也可以实现无限寿命设计。 f SS 大连交通大学大连交通大学 3. 3. 疲劳设计方法疲劳设计方法 3.2 3.2 安全寿命设计安全寿命设计 无限寿命设计要求将构件中的使用应力控制在很低的

25、水平，材料的潜能得不到充无限寿命设计要求将构件中的使用应力控制在很低的水平，材料的潜能得不到充 分发挥，对于并不需要经受很多循环次数的构件，无限寿命设计就很不经济。分发挥，对于并不需要经受很多循环次数的构件，无限寿命设计就很不经济。 使构件在有限长设计寿命内，不发生疲劳破坏的设计，称之为安全寿命设计（使构件在有限长设计寿命内，不发生疲劳破坏的设计，称之为安全寿命设计（ safe-life design)或有限寿命设计，飞机、车辆等大多数都采用安全寿命设计。或有限寿命设计，飞机、车辆等大多数都采用安全寿命设计。 材料的材料的S-N曲线和曲线和Miner累计损伤理论累计损伤理论，是安全寿命设计的基

26、础。，是安全寿命设计的基础。 3.3 3.3 损伤容限设计损伤容限设计 由于有裂纹的存在，安全寿命设计并不能完全确保安全。由于有裂纹的存在，安全寿命设计并不能完全确保安全。 提出了裂纹尖端场控制变量提出了裂纹尖端场控制变量应力强度因子应力强度因子K的概念，并提出疲劳裂纹扩展速率的概念，并提出疲劳裂纹扩展速率 可以由应力强度因子幅度来描述。可以由应力强度因子幅度来描述。 损伤容积极限是为保证含裂纹或可能含裂纹的构件的安全。设计思路：假定构件损伤容积极限是为保证含裂纹或可能含裂纹的构件的安全。设计思路：假定构件 中存在着裂纹，用断裂力学分析、疲劳裂纹扩展分析和试验验证，保证在定期检查肯中存在着裂纹

27、，用断裂力学分析、疲劳裂纹扩展分析和试验验证，保证在定期检查肯 定能发生裂纹前，裂纹不会扩展到引起破坏。定能发生裂纹前，裂纹不会扩展到引起破坏。 断裂判据和裂纹扩展方程是损伤容限设计的基础。断裂判据和裂纹扩展方程是损伤容限设计的基础。 大连交通大学大连交通大学 3. 3. 疲劳设计方法疲劳设计方法 3.4 3.4 耐久性设计耐久性设计 耐久性设计是以经济寿命控制为目标的设计。耐久性设计是构件和结构在耐久性设计是以经济寿命控制为目标的设计。耐久性设计是构件和结构在 规定的使用条件下抗疲劳断裂性能的一种定量度量。规定的使用条件下抗疲劳断裂性能的一种定量度量。 这种方法首先定义疲劳破坏严重细节（如孔

28、、圆弧、台阶）处的初始疲劳这种方法首先定义疲劳破坏严重细节（如孔、圆弧、台阶）处的初始疲劳 质量，描述与材料、设计、制造质量相关的初始疲劳损伤状态，再用疲劳或疲质量，描述与材料、设计、制造质量相关的初始疲劳损伤状态，再用疲劳或疲 劳裂纹扩展分析预测在不用使用时刻损伤状态的变化，确定其经济寿命，制定劳裂纹扩展分析预测在不用使用时刻损伤状态的变化，确定其经济寿命，制定 使用、维修方案。使用、维修方案。 小结：上述各种疲劳设计方法，都反映了疲劳断裂研究的发展和进步，但小结：上述各种疲劳设计方法，都反映了疲劳断裂研究的发展和进步，但 是，由于疲劳问题复杂，影响因素多，使用条件和环境差别大，各种方法不是

29、是，由于疲劳问题复杂，影响因素多，使用条件和环境差别大，各种方法不是 互相替代，而是相互补充的。互相替代，而是相互补充的。 不同构件，不同情况，应采用不同方法。不同构件，不同情况，应采用不同方法。 大连交通大学大连交通大学 4 4 疲劳载荷类型与疲劳载荷类型与S-NS-N曲线曲线 4.1 4.1 疲劳载荷的类型与基本术语疲劳载荷的类型与基本术语 1) 1) 什么叫疲劳载荷？什么叫疲劳载荷？ 使零件或构件发生疲劳破坏的动载荷使零件或构件发生疲劳破坏的动载荷. . 2 2）疲劳载荷的类型）疲劳载荷的类型 一类是其大小和正负方向随时间周期性地变化的一类是其大小和正负方向随时间周期性地变化的交变载荷交

30、变载荷； 另一类是大小和正负方向随时间随机变化的另一类是大小和正负方向随时间随机变化的随机载荷随机载荷。 t max min a t 0 m max min a 0 对称循环交变载荷对称循环交变载荷 不对称循环交变载荷不对称循环交变载荷 大连交通大学大连交通大学 4 4 疲劳载荷类型与疲劳载荷类型与S-NS-N曲线曲线 4.1 4.1 疲劳载荷的类型与基本术语疲劳载荷的类型与基本术语 3 3）一个周期的应力变化过程称为一个）一个周期的应力变化过程称为一个应力循环应力循环。 应力循环特点可用循环中的应力循环特点可用循环中的最大应力最大应力maxmax、最小应力最小应力minmin和和周期周期T

31、T（ 或频率或频率f=1/Tf=1/T）来描述。）来描述。 4 4）应力幅）应力幅aa和应力范围和应力范围（也称为应力振幅、应力幅度）的概念（也称为应力振幅、应力幅度）的概念 2 minmax a a 2 minmax 应力幅应力幅aa反映了交变应力在一个反映了交变应力在一个 应力循环中变化大小的程度，它是应力循环中变化大小的程度，它是 使金属构件发生疲劳破坏的根本原使金属构件发生疲劳破坏的根本原 因。因。 大连交通大学大连交通大学 4 4 疲劳载荷类型与疲劳载荷类型与S-NS-N曲线曲线 4.1 4.1 疲劳载荷的类型与基本术语疲劳载荷的类型与基本术语 t max min a t 0 m m

32、ax min a 0 除承受有动载荷外，还有静载分量荷时，动静载荷的共同作用下 的应力-时间变化曲线 。 ？有什么特点：平移一个了静应力分量。 大连交通大学大连交通大学 4 4 疲劳载荷类型与疲劳载荷类型与S-NS-N曲线曲线 4.1 4.1 疲劳载荷的类型与基本术语疲劳载荷的类型与基本术语 5 5）应力比，有时又称为不对称系数）应力比，有时又称为不对称系数 max min R 当当R=-1R=-1时的循环应力即为对称循环应力，当时的循环应力即为对称循环应力，当R0R0时统称不对称循环应时统称不对称循环应 力。其中，力。其中，R=0R=0时为拉伸脉动应力循环，时为拉伸脉动应力循环，R=-R=-

33、时为压缩脉动循环，时为压缩脉动循环，R=1R=1是是 静载荷静载荷 2 minmax m 6 6）平均应力，用）平均应力，用mm表示表示 大连交通大学大连交通大学 4 4 疲劳载荷类型与疲劳载荷类型与S-NS-N曲线曲线 4.1 4.1 疲劳载荷的类型与基本术语疲劳载荷的类型与基本术语 7 7）静载荷到底对疲劳有没有影响？静载荷到底对疲劳有没有影响？ p静载分量或平均应力对构件的疲劳强度有一定的影响。压缩平均应力往往提高静载分量或平均应力对构件的疲劳强度有一定的影响。压缩平均应力往往提高 构件的疲劳强度，而拉伸平均应力往往降低构件的疲劳强度。构件的疲劳强度，而拉伸平均应力往往降低构件的疲劳强度

34、。 p在疲劳强度和疲劳寿命的研究中，给定一个循环应力水平时，需要同时给出应在疲劳强度和疲劳寿命的研究中，给定一个循环应力水平时，需要同时给出应 力幅力幅aa和应力比和应力比R R。 p或者同时给出最大应力或者同时给出最大应力maxmax和平均应力和平均应力mm，也有时直接给出最大应力，也有时直接给出最大应力maxmax和和 最小应力最小应力minmin来表示循环应力水平。来表示循环应力水平。 大连交通大学大连交通大学 4 4 疲劳载荷类型与疲劳载荷类型与S-NS-N曲线曲线 am a a R R R R R 1 1 2 1 2 1 2 min max am am min max 已知已知 、R

35、 R时，其它参时，其它参 数便可由下式得到数便可由下式得到 已知已知 、 ，求，求 a a m 大连交通大学大连交通大学 4 4 疲劳载荷类型与疲劳载荷类型与S-NS-N曲线曲线 4.2 4.2 材料的材料的S-NS-N曲线与基本术语曲线与基本术语 1 1）一般情况下，）一般情况下，材料所承受的循环载荷的应力幅越小，到发生疲劳破断时所材料所承受的循环载荷的应力幅越小，到发生疲劳破断时所 经历的应力循环次数越长。经历的应力循环次数越长。 2 2）S-NS-N曲线就是材料所承受的应力幅水平与该应力幅下发生疲劳破坏时所经历曲线就是材料所承受的应力幅水平与该应力幅下发生疲劳破坏时所经历 的应力循环次数

36、的关系曲线。的应力循环次数的关系曲线。 3 3）S-NS-N曲线一般是使用标准试样进行疲劳试验获得的。曲线一般是使用标准试样进行疲劳试验获得的。 -1 N S-NS-N疲劳曲线疲劳曲线 纵坐标表示试样承受纵坐标表示试样承受 的应力幅，有时也表的应力幅，有时也表 示为最大应力，但二示为最大应力，但二 者一般都用者一般都用表示；表示； 横坐标表示应力循环横坐标表示应力循环 次数，常用次数，常用N Nf f表示表示 大连交通大学大连交通大学 4 4 疲劳载荷类型与疲劳载荷类型与S-NS-N曲线曲线 4.2 4.2 材料的材料的S-NS-N曲线与基本术语曲线与基本术语 4 4）S-NS-N曲线的一般形

37、状和若干特性值曲线的一般形状和若干特性值( (进一步说明进一步说明) ) 材料疲劳性能试验所用标准试件，一般是小尺寸（材料疲劳性能试验所用标准试件，一般是小尺寸（3-10mm)3-10mm)光滑圆柱试光滑圆柱试 件件. .材料的材料的S-NS-N曲线曲线, ,给出的是给出的是光滑材料在恒幅对称循环应力作用下的裂纹萌光滑材料在恒幅对称循环应力作用下的裂纹萌 生寿命。生寿命。 用一组标准试件，在给定的应力比用一组标准试件，在给定的应力比R R下，施加不同的应力幅，进行疲劳下，施加不同的应力幅，进行疲劳 试验，记录相应的寿命试验，记录相应的寿命N N，即可得到所示的，即可得到所示的S-NS-N曲线。

38、寿命曲线。寿命N N趋于无穷大时所趋于无穷大时所 对应的应力的极限值对应的应力的极限值S Sf f，称为材料的疲劳极限。，称为材料的疲劳极限。 由于疲劳极限是由试验确定的，试验由于疲劳极限是由试验确定的，试验 又不能一直做下去，所以在许多试验又不能一直做下去，所以在许多试验 研究的基础上。定义：研究的基础上。定义： 钢材，钢材，107 次循环；焊接件，次循环；焊接件，2x2x106 次次 循环；有色金属，循环；有色金属，108 次循环次循环 大连交通大学大连交通大学 4 4 疲劳载荷类型与疲劳载荷类型与S-NS-N曲线曲线 4.2 4.2 材料的材料的S-NS-N曲线与基本术语曲线与基本术语

39、为使用方便，在双对数坐标系下为使用方便，在双对数坐标系下S-NS-N曲线被近似简化成两条直线。曲线被近似简化成两条直线。 S-N S-N曲线中的水平直线部分对应的应力水平就是材料的疲劳极限，其原意为材料经曲线中的水平直线部分对应的应力水平就是材料的疲劳极限，其原意为材料经 受无数次应力循环都不发生破坏的应力极限；受无数次应力循环都不发生破坏的应力极限； 对钢铁材料此对钢铁材料此“无限无限”的定义一般为的定义一般为10107 7次应力循环。次应力循环。 但现代高速疲劳试验机的研究成果表明，即使应力循环次数超过但现代高速疲劳试验机的研究成果表明，即使应力循环次数超过10107 7材料仍然有可材料仍

40、然有可 能发生疲劳断裂能发生疲劳断裂。 某些不锈钢和有色金属的某些不锈钢和有色金属的S-NS-N中没有水平直线部分，此时的疲劳极限都一般定义中没有水平直线部分，此时的疲劳极限都一般定义 为为10108 8次应力循环下对应的应力幅水平。次应力循环下对应的应力幅水平。 疲劳极限是材料抗疲劳能力的重要性能指标，也是进行疲劳强度的无限寿命设计疲劳极限是材料抗疲劳能力的重要性能指标，也是进行疲劳强度的无限寿命设计 的主要依据。的主要依据。 大连交通大学大连交通大学 4 4 疲劳载荷类型与疲劳载荷类型与S-NS-N曲线曲线 4.3 4.3 材料的材料的S-NS-N曲线的数学表达曲线的数学表达 式中式中为应

41、力幅或最大应力，为应力幅或最大应力，N N为达到疲劳破断时的应力循环次数，为达到疲劳破断时的应力循环次数，m m，C C 材料常数。材料常数。 斜线部分是零部件疲劳强度的有限寿命设计或疲劳寿命计算的主要依据。斜线部分是零部件疲劳强度的有限寿命设计或疲劳寿命计算的主要依据。 材料或构件到发生疲劳破坏时所经历的应力循环次数称为材料或构件的疲劳寿材料或构件到发生疲劳破坏时所经历的应力循环次数称为材料或构件的疲劳寿 命，通常它包括疲劳裂纹的萌生寿命与扩展寿命之和。命，通常它包括疲劳裂纹的萌生寿命与扩展寿命之和。 疲劳裂纹萌生寿命为构件从开始使用到局部区域产生疲劳损伤累积、萌生疲劳裂纹萌生寿命为构件从开

42、始使用到局部区域产生疲劳损伤累积、萌生 裂纹时的寿命；裂纹扩展寿命为构件在裂纹萌生后继续使用而导致裂纹扩展达裂纹时的寿命；裂纹扩展寿命为构件在裂纹萌生后继续使用而导致裂纹扩展达 到疲劳破坏时的寿命。到疲劳破坏时的寿命。 在疲劳强度设计中，疲劳破坏可能被定义为疲劳破断或规定的报废限度。在疲劳强度设计中，疲劳破坏可能被定义为疲劳破断或规定的报废限度。 -1 N m C N 大连交通大学大连交通大学 5 Miner5 Miner损伤累积的能量属性损伤累积的能量属性 大连交通大学大连交通大学 5 Miner5 Miner损伤累积的能量属性损伤累积的能量属性 Miner Miner线性累积损伤理论线性累

43、积损伤理论 是最适用和简单的；是最适用和简单的； Miner Miner理论认为材料的疲劳破坏是由于循环载荷的作用而产生损伤理论认为材料的疲劳破坏是由于循环载荷的作用而产生损伤 并积累造成的并积累造成的 ； 疲劳损伤累积达到破坏时吸收的净功疲劳损伤累积达到破坏时吸收的净功W W与疲劳载荷的加载历史无关与疲劳载荷的加载历史无关 ，并且材料的疲劳损伤程度与应力循环次数成正比。，并且材料的疲劳损伤程度与应力循环次数成正比。 设材料在某一等级应力下达到破坏时的应力循环次数为设材料在某一等级应力下达到破坏时的应力循环次数为N N1 1，经，经n n1 1 次应力循环而产生疲劳损伤吸收的净功为次应力循环而

44、产生疲劳损伤吸收的净功为W W1 1 ： i ii N n W W 大连交通大学大连交通大学 5 Miner5 Miner损伤累积的能量属性损伤累积的能量属性 在在i i个应力水平级别下，分别对应个应力水平级别下，分别对应n ni i次应力循环时，材料疲劳累积损伤为：次应力循环时，材料疲劳累积损伤为： i i N n D n ni i表示第表示第i i级应力水平下经过的应级应力水平下经过的应 力循环数；力循环数；N Ni i表示第表示第i i级应力水平下达到级应力水平下达到 破坏时的应力循环数。破坏时的应力循环数。 每种给定的具体结构都具有一定的每种给定的具体结构都具有一定的 抵抗疲劳破坏的能

45、量，当结构形式确定抵抗疲劳破坏的能量，当结构形式确定 后，该结构所具有抵抗疲劳破坏所储存后，该结构所具有抵抗疲劳破坏所储存 的能量就是一个常量。的能量就是一个常量。 在结构受到疲劳载荷作用下，当这在结构受到疲劳载荷作用下，当这 种载荷引起的动应力大于该结构的疲劳种载荷引起的动应力大于该结构的疲劳 极限时就会引起一定的能量损伤，当这极限时就会引起一定的能量损伤，当这 样的损伤值累积到结构所具有的能量时样的损伤值累积到结构所具有的能量时 ，结构将引起疲劳破坏。，结构将引起疲劳破坏。 双对数坐标系下的双对数坐标系下的S-NS-N曲线曲线 大连交通大学大连交通大学 5 Miner5 Miner损伤累积

46、的能量属性损伤累积的能量属性 进一步的理解：进一步的理解：对于给定的材料或焊接结构，它为了抵抗疲劳破坏而储存的能对于给定的材料或焊接结构，它为了抵抗疲劳破坏而储存的能 量是给定的，不随加载方式及次序的改变而改变。当加载状态恶劣时，储存量是给定的，不随加载方式及次序的改变而改变。当加载状态恶劣时，储存 的抵抗疲劳的能量消耗就多一些，反之则少一些。用寿命来度量，前者寿命的抵抗疲劳的能量消耗就多一些，反之则少一些。用寿命来度量，前者寿命 短一些，后者则长一些，这一观点亦可以从短一些，后者则长一些，这一观点亦可以从S-NS-N曲线上得到物理意义上的解曲线上得到物理意义上的解 释。释。 （摘自兆文忠老师

47、讲稿）（摘自兆文忠老师讲稿） 能量的角度进能量的角度进 一步说明？一步说明？ 双对数坐标系下的双对数坐标系下的S-NS-N曲线曲线 大连交通大学大连交通大学 5 Miner5 Miner损伤累积的能量属性损伤累积的能量属性 说明如下：说明如下： 大连交通大学大连交通大学 6 6 计算疲劳寿命的基本公式计算疲劳寿命的基本公式 IIWIIW中以名义应力变化范围度量的中以名义应力变化范围度量的 S-NS-N曲线曲线 BS7608BS7608中以名义应力度量变化范围中以名义应力度量变化范围 的的S-NS-N曲线曲线 两者有什么不同和相同？两者有什么不同和相同？ 大连交通大学大连交通大学 6 6 计算疲

48、劳寿命的基本公式计算疲劳寿命的基本公式 p在在IIWIIW、BSBS标准中，一种或一类焊接接头对应一条标准中，一种或一类焊接接头对应一条S-NS-N曲线。与曲线。与IIWIIW、BSBS完全不完全不 同；同； p美国美国ASMEASME（20072007）标准中提供的）标准中提供的S-NS-N曲线只是一个数学模型，该模型的科学性曲线只是一个数学模型，该模型的科学性 下面将有较详细的讨论；下面将有较详细的讨论； p这里需要指出的是，不管是这里需要指出的是，不管是IIWIIW、BSBS，还是，还是ASME(2007)ASME(2007)，它们的数学形式是一，它们的数学形式是一 样的，数学本质也是一

49、样的；样的，数学本质也是一样的； CN m m m C C N 1 1 )()( m CmN 敏度敏度 )() )( ( 1 m ON Cm NN 应力扰动后的应力扰动后的 新寿命新寿命 大连交通大学大连交通大学 7 7 计算疲劳寿命前的应力编谱计算疲劳寿命前的应力编谱 大连交通大学大连交通大学 7 7 计算疲劳寿命前的应力编谱计算疲劳寿命前的应力编谱 在估算结构的疲劳寿命前，需要对结构应力谱随机时间历程进行编谱分析。一在估算结构的疲劳寿命前，需要对结构应力谱随机时间历程进行编谱分析。一 般都采用疲劳研究中最常用的雨流计数法进行编谱。般都采用疲劳研究中最常用的雨流计数法进行编谱。 线路实验中贴

50、片获取某一点的动应力，然后编谱：线路实验中贴片获取某一点的动应力，然后编谱： 其编谱过程如下：其编谱过程如下： 1 1）去掉原始数据中非正常信号，即通常的去掉毛刺（）去掉原始数据中非正常信号，即通常的去掉毛刺（spike removalspike removal）；）； 2 2）经快速傅立叶变换，获得频谱，在频谱中发现了）经快速傅立叶变换，获得频谱，在频谱中发现了50Hz50Hz的干扰频率；的干扰频率； 3 3）根据频谱信息进行滤波，滤波频率为）根据频谱信息进行滤波，滤波频率为40Hz40Hz； 4 4）应力幅值雨流计数，从而获得了可以进行疲劳寿命计算的动应力谱。）应力幅值雨流计数，从而获得了

51、可以进行疲劳寿命计算的动应力谱。 大连交通大学大连交通大学 7 7 计算疲劳寿命前的应力编谱计算疲劳寿命前的应力编谱 大连交通大学大连交通大学 7 7 计算疲劳寿命前的应力编谱计算疲劳寿命前的应力编谱 总结：总结： 1 1）将贴片布点所处的结构细部与）将贴片布点所处的结构细部与IIWIIW（Fatigue resistance values for Fatigue resistance values for structural details in steel assessed on the basis of normal structural details in steel assessed on the basis of normal stressesstresses基于标称应力的钢结构细部疲劳强度值列表）提供的结构细部基于标称应力的钢结构细部疲劳强度值列表）提供的结构细部 对比，并考虑外载荷方向，选择合适的类型进行疲劳寿命计算。对比，并考虑外载荷方向，选择合适的类型进行疲劳寿命计算。 2 2）根据每一级别的）根据每一级别的FATFAT值，由值，由IIWIIW中的表（中的表（Constants,constant amplitude Constants,constant amplit