疲劳分析简介

1、PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright 2012 MSC.Software Corporation S1 - 1 耐久性和疲劳分析概述耐久性和疲劳分析概述 PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright 2012 MSC.Software Corporation S1 - 2 什么是耐久性什么是耐久性? 耐久性是耐久性是 “保证其经久耐用的能力!” 可靠性是可靠性是 “在规定的条件下、在规定的时间内完成规定的功能的机 会!” PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright

2、2012 MSC.Software Corporation S1 - 3 从实践角度，疲劳是：从实践角度，疲劳是： 在不断变化下的负载作用下导致失效的过程，并且实际应力值低于屈服强度; 由裂纹萌生和随后的裂纹扩展组成，裂纹萌生和裂纹扩展是塑性变形不断循环 的结果。 疲劳定义疲劳定义 参照BS 7608: “疲劳是指反复应力作用下裂纹或裂纹群的产生和逐步扩 展所导致的结构部件破坏的现象” PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright 2012 MSC.Software Corporation S1 - 4 疲劳的物理基础疲劳的物理基础 疲劳失效通常开始于样

3、品或部件的表面疲劳失效通常开始于样品或部件的表面 疲劳失效开始于小的微观裂纹，因此对微小的应力增加都非常敏感疲劳失效开始于小的微观裂纹，因此对微小的应力增加都非常敏感 疲劳的过程包含从持续的滑移带上微小裂纹的生成到持续弹塑性变形下疲劳的过程包含从持续的滑移带上微小裂纹的生成到持续弹塑性变形下 长裂纹的扩展整个过程长裂纹的扩展整个过程 PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright 2012 MSC.Software Corporation S1 - 5 小裂纹产生的原因很多小裂纹产生的原因很多: 第二相粒子的裂变或界面脱离(cracking or debo

4、nding of second phase particles); 表面上的自然划痕和加工痕; 腐蚀坑或晶间腐蚀; 铸造气孔; 锻造成型留下的圈痕; 脆面层 疲劳的物理基础疲劳的物理基础(续续) PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright 2012 MSC.Software Corporation S1 - 6 裂纹的产生和扩展裂纹的产生和扩展: STAGE I AND II PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright 2012 MSC.Software Corporation S1 - 7 Persisten

5、t Slip Band Formation Stage I Crack Growth Stage II Crack Growth 1mm 裂纹的产生和扩展裂纹的产生和扩展: STAGE I AND II (续续) PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright 2012 MSC.Software Corporation S1 - 8 疲劳寿命计算方法概述疲劳寿命计算方法概述 PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright 2012 MSC.Software Corporation S1 - 9 疲劳寿命方法疲劳寿命方法

6、 S-N (Stress-Life方法方法) 名义或局部弹性应力与总寿命的关系 E-N (Strain-Life方法方法) 局部应变与裂纹萌生寿命的关系 LEFM (裂纹扩展方法裂纹扩展方法) 应力强度与裂纹扩展速率的关系 所有的方法均都基于相似性原理所有的方法均都基于相似性原理 PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright 2012 MSC.Software Corporation S1 - 10 也称为应力也称为应力-寿命和全寿命方法寿命和全寿命方法 评估产生严重失效的总疲劳寿命评估产生严重失效的总疲劳寿命 疲劳寿命由对数应力疲劳寿命由对数应力-循环

7、循环(S-N)曲线计算曲线计算 该方法适合于长寿命疲劳失效问题，因为该方法是基于名义弹性应力，即使有该方法适合于长寿命疲劳失效问题，因为该方法是基于名义弹性应力，即使有 小的塑性发生。小的塑性发生。 疲劳寿命评估与失效概率相关，因为疲劳寿命评估与失效概率相关，因为S-N曲线上有一定的分散性。曲线上有一定的分散性。 S-N 方法方法 PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright 2012 MSC.Software Corporation S1 - 11 snom noms Notched Shaft Unnotched Shaft Stress Ampli

8、tude Life in Cycles S-N 方法方法 相似理论相似理论 The life of this . . . . . . . . . . . . . . . . is the same as the life of this . . . . . if both are subject to the same nominal stress PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright 2012 MSC.Software Corporation S1 - 12 也称作局部应变方法，裂纹萌生方法，和应变也称作局部应变方法，裂纹萌生方法，和应变-寿命

9、方法。寿命方法。 E-N方法是汽车行业里评估寿命方法中最常用的一个。方法是汽车行业里评估寿命方法中最常用的一个。 实际上，裂纹萌生意味着已经有实际上，裂纹萌生意味着已经有1-2mm的裂纹发生。这往往在部件寿命中占的裂纹发生。这往往在部件寿命中占 较高比例。较高比例。 许多汽车部件的设计允许使用中出现大的塑性变形许多汽车部件的设计允许使用中出现大的塑性变形(特别是在试车场特别是在试车场)。这种情。这种情 况下况下 E-N方法比基于忽略塑性变形的方法比基于忽略塑性变形的S-N方法更好。方法更好。 E-N 方法方法 PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright

10、 2012 MSC.Software Corporation S1 - 13 The crack initiation life here . . . . . is the same as it is here . . . . . if both experience the same local strains e e E-N方法方法- 相似理论相似理论 PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright 2012 MSC.Software Corporation S1 - 14 也称作“低周期疲劳” 或“局部应变方法” 局部应变可以是弹性或塑性，因此它适于

11、低周期疲劳。 N Plastic (Low Cycle Fatigue Line) Elastic (High Cycle Fatigue Line) 应变应变-寿命寿命 (E-N)曲线曲线 PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright 2012 MSC.Software Corporation S1 - 15 /s N 1000 Cycles Low Cycle Region (EN Method) High Cycle Region (SN or EN Method) Infinite Life 107 Cycles E-N Curve S-N Cu

12、rve S-N = Ultimate stress 系数可以增加给定平均应力水平下的交变应力而不引起任何疲劳失效系数可以增加给定平均应力水平下的交变应力而不引起任何疲劳失效. saf Se - - sm su - -+1= Se fsaSe1smsu= f Se sa - 1smsu = s u PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright 2012 MSC.Software Corporation S1 - 70 基于Goodman的安全系数 Goodman Based: Factor of Safety = Gerber Based: Factor

13、of Safety = Se1smsu sa - - CSurfCSize kf - - - Se1sms u 2 1 2 sa - - - C Surf CSize kf - - PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright 2012 MSC.Software Corporation S1 - 71 评估完全失效的全寿命. 没有清楚区分初裂纹和裂纹扩展问 用局部或者名义应力作为控制参数 疲劳计算来自log stress vs. log cycles (S-N) 曲线. 由于S-N曲线的分散性，疲劳评估和失效概率相关 用雨流计数来降低随机载荷的复杂性 通过Goodman 或者 Gerber 算法考虑了平均应力的影响. 全寿命分析方法总结全寿命分析方法总结 PAT318A, Section 1, October 2012 Copyright 2012 MSC.Software Corporation S1 - 72 全寿命分析方法总结全寿命分析方法总结( (续续) ) S