nCode培训-实用疲劳理论

1、 # nCode住劳耐久性工艮為级堵班3M9实用疲劳理论Quiz1:Howcanyoubreakametalspoon? # # # #nCode # #HG/：愿Quiz2:Howcanyoubreakaceramicspoon? # # # #什么是金属疲劳？WhatisFatigue?Quiz3:Whyametalspooncanbebroken,andaceramicspooncannot?nCodemfliminatvifttwUrwxf*tdGh/E5 #金属疲劳失效的原因是什么？飞机空难(TheDeHavillandCometStory) # 外因：载荷的变化内因：金属中有位错什

2、么是金属疲劳?疲劳是一种机械损伤过程，在这一过程中即使名义应力低丁材料的屈服强度，载荷的反复变化也将引起失效疲劳一般包含裂纹萌生和随后的裂纹扩展两个过程，循环型性变形是金屈产生疲劳的主要原冈什么是金属疲劳?Ttwfirstpassengerjetairliner(19491980)Sufferedtwotragicairaccidentsduetoratlguefailure68peopleKilledasaresultOrderbooksfellby50aircraft;?(J罚UltimatelyheraldedthecollapseoftheBritishcivilaircraftind

3、ustry/?(汽车零部件失效 # #rdg/.融TruckframeManifoldBracketCrankshaftBrakeExhaustpipeWheelQuiz4:Canyounameametalfatiguefailureyouexperienced?rd 桥梁坍塌疲劳失效机理：小裂纹的起始和扩展Minneapolis*1*35BndgeCollapse:isStructuralFailureorFXetalFatiguetoBlameMixSWT-1123W7的#iiwaregmns切“meojiav迪i皿絳“i他MtU$i冈”R圳1lit怕砒$f唆如e咸l馆忆力”皿叫bruKg

4、WmjlftTlV9WO54:fl(Oii3G3PhSHTi扇g屿皿今皿仙$“附0彷沏rsw今ijiu如W旦机0彷巾$：力”“；幼y纱辭他!CftK23artJtjnjrsaccbsMdcnaraxnlrcpcrttcmtfieUr*wU/a!Mm；5c“Ttulrcpcd2rdiwjticmcsritn；icbelvicrdtietf4x3WV.CM位销Jt移nCh/rE疲劳失效在美国已经得到确认,由于产品的疲劳问题所引起的损失占国民生产总值的4%左右（约1200亿美元）.中国机械工程手册在第6章“结构疲劳强度设计”中指出:机械零构件80%以上为疲劳破坏，因此对于承受循环载荷的零构件都应进行

5、疲劳强度设计。irCe/rQ-1mm第一阶段第二阶段位错滑移和阶段一裂纹扩展irCe/rQCrystalsurfaceSlipbandcfbimalongplane:ofmaximumsheargivingricetosurfaceextweion:andintrvsionc阶段二裂纹扩展影响疲劳寿命的关键因素阶段二裂纹扩展影响疲劳寿命的关键因素 fractureBeacharkcdueto-Thebiggertherangethefasterthefailurecrackpropagation/:-/-Fatiguelifereducesexponentiallywithrange平均应力-

6、TensilemeanacceleratesfatigueCompressivemeanretardsitVicedconceptually,atensiemeanisactingtoforceopenthecrackwhilethecompressivemeanistryingtokeeprtdosed长裂纹的扩展影响疲劳寿命的其它因素应力集中表面加工表面处理尺寸效应加载频率.波形对室温疲劳影响很小nCe/tQ疲劳寿命定义裂纹起始寿命0裂纹扩展寿命是总寿命：:HitchhikersGuidetotheGalaxy 怎样预测疲劳寿命?Howfatiguelifeispredicted?nCod

7、e1871年.Wohler对糾:轴进行了乐统的放劳研究.发展了矗转疔曲放芳试验S4曲线及似劳极限概念.Wohler曲线和疲劳极限疲劳发展简史nCode疲劳发展简史(1/2)1839年.Poncelet首先便用疲劳一词。1849年.英国机械匚程学会(IMechE)辩论结冊理论1864年.Fairbairn用交变裁荷对船链进行了实验4871年,Wohler|?先对饮路乍轴进行了系统的疲劳硏究。发展了旋转弯曲疲劳试验，S-N|ll|fJc及疲劳极限概念1886年.Bauschingerft先确证了应力应变滞冋线1903年.Ewing和Humphrey证明结阳理论是不正确的.指出疲劳是由于蜩性变形所引

8、起0年.Bairstow调査了应变循环中的应力应变响应，提出了循环硬化和循环软化概念1920年.Griffith研究了玻璃中的裂纹.由此诞生了断裂力学RsppnxdEW纟Loan仁疲劳循环次fb疲劳发展简史(2/2)1955年.1959年.1961年.1968年.1981年.1982年.2002年./rCMfManson和Coffin研究门也变条件控制下的披劳热循环、低周疲劳及舉性咸变问题。Paris首先提出了一种用断裂力学参数处理裂纹扩展的方法。Neuber建议了种方法.估计应力集中处的弹蜩性应力应变。Matsuishi和Endo提出了雨流循环计数方法。能够进行合理披劳计算的汁算机得到了发展

9、。nCode国际仃限公司成立开发利销件披劳寿命预测软件.捉供疲劳咨询服务nCode推出ICEflow疲劳软件 # # #经典疲劳寿命预测技术nCode # #theUecpcd三种基本的疲劳寿命估计方法S-N曲线定义 # # # #brLogNf总好命S-N（总寿命法）名义应力或弹性应力和总寿命Z间的关系e-N（裂纹起始寿命法）局部应变和裂纹起始寿命之.间的关系LEFM（裂纹扩展寿命法）应力强度因子和裂纹扩展速率Z间的关系这些方法依檢亍柑似性! # # # #Nf=Ni+Np试样和实际零件的差别 # # # # # #名义应力法S-N裂纹起始寿命+局部应变法（e-N）裂纹扩展寿命斷裂力学法通常

10、没有应力集中表而光洁度一定通常不进行表面处理尺寸一定常幅加载均值不变（通常为0）有应力集中表而光洁度多样表而町能经过处理尺寸不同通常为变幅加载均值变化 # # # #局部应变(e-N)法AK-da/dN曲线定义局部应变(e-N)法AK-da/dN曲线定义 同样的局部应变，同样的裂纹起始寿命!对付低周疲劳1959年.Parisn种用断裂力学歩数处理裂纹扩展的方法！循环应力应变和应变寿命曲线定义裂纹扩展寿命法疲劳寿命预测-我们需要什么？同样的应力强度因子，同样的裂纹扩展速率!/画疲劳分析5框图FatigueLife 应力循环定义鐵荷种类ConstantAmplitude疲劳载荷BlockLoadi

11、nguCodethUeopcd/Tt6./；VariableAmplitudeLoadingWWVW曲MM叽Ncyclestime*N,cycles-TtJ2cyclesTN3cyclesnMonotonicLoadingmaxi3AS,RNotethat:6.895xksi=MPa/Ttf.JiJParametersrequiredtodefineastresscycle:(Truestress-strain,a-t)Ccrpre5scnToestonnC(r/cEorCa1.Cmax，怖inor一As2.,Emor8or83.Ae,eminTensionTension(S)(Enginee

12、ring8trM8-8traln.S-)(ZTrueStresswc-S(e+1|TrueStrain*-ln(e+1)TrueElasicStrainc5百TruePlasticStrain0.002IpasteHasse|rCrZEStrainValidonlyuptoneoklno 疲劳寿命的统计性质producsaqtnlityrC:cmrinmatcrbld迢RcmhuiM二dxtnbutionoflifeS-N疲劳寿命预测法S-N疲劳试脸nCodeJEUEliminBtogthUecxpcd引自英EHSheffield大学RodA.Smith教授的话，1990年Engineerin

13、gistheartofbeingapproximatelyrightratherthanexactlywrong“工程是一种近似对而不是完全错的艺术”S-N疲劳寿命预测法Stress-basedFatigueLifeMethodnCode小测验你能得出一个受等幅对称交变应力钢棒的疲劳寿命吗？Wohler曲线和疲劳极限ffl&3.-=;怎MAN仁痕劳循环次数 # SN疲劳试验TheRelationshipbetweenSu&Se # #3SpecimensaresubjectedtoconstantamplitudeloadingThenumberofcyclestofailureisplott

14、edagainstthenominalelasticstressonalog-logplotandthebestfitcurvecomputedTherearestandardsCurvescanbederivedforsmoothspecimens,individualcomponents,sub-assembliesorcompletestructures # # #小测验答案SN疲劳试验SN曲线S=SR/1(nJ)疲劳极限成活率(survival)应力范围(AS)S-N曲线(MANTEN)Firstfatiguestrengthexponentbi=4.2StressRangeInter

15、ceptSRI13162tAPaSiEatotenzifostrengthUTSGQOMPaFatiguetranzitionpon!Secondfsttguestrengthexponcn!020R-ratfoRR-fS-N疲劳寿命预测法平均应力修正nCodeEMminatvifUnexpected # #你能得岀一个受等幅非对称交变应力钢棒的疲劳寿命吗？/TO/国什么是平均应力?平均应力影响实验结果MemQrressUfeCurve,平均应力影响实验结果图rlrZ-Ks我劳強反CT.应力辎他R11;s、-i:：-：-w它.N=constant*拉伸导物应力斥堀中均用力常用平均应力修正方法等

16、效应力幅 # 应力幅修正S-N疲劳寿命预测法假如便用均值为枣的SN曲线预测疲劳寿命.那么我们可以根据平均应力修正方法将实际应力幅修正至均值为零的竽效应力褐表面加工表面处理修正nCodethUr*cxp：丽 # # #小测验答案2实验结果X4/VW厂亠凰1(试验获取一组不同平均应力的SN曲线H用插值法获得特定平均应力的SN曲线匚二根据这一特定平均应力的S-N|11|线得到疲劳寿命疲劳裂纹通常起始丁零件表面因此表面状况对疲劳寿命有很大的影响表而光洁度越高，形成疲劳裂纹的时间越长表面层中的残余应力将影响裂纹前生。残余压缩应力通常延缓高周疲劳裂纹的萌生。表面层预压缩可通过嗪丸.冷轧、渗氮尊工艺处理获得

17、r(/甸表面加工影响CombiningEffects表面加工影响CombiningEffects Fatiguecracksusuallystartatthesurface,thereforetheconditionofthesurfacecanhavealargeimpactonthelifeofacomponent.Therougherthesurface,theshorterthetimetakentoinitiateafatiguecrack.c,.SswxVK9-3tressSTalnandStregh.R.C.McGrawHllNewYork.1967Thepositiveeffe

18、ctofoneprocesssuchaspeening.canbeusedtocounteractthenegativeeffectofanotherprocesssuchasplating.表面处理ResidualstressesintheShotPeeningsurfacewillaffecttherateof-Firebalbearingsattheinitiation.surfacetoinducepre-ResidualcompressionwillcompressiondelaythecrackinitiationinhighColdRollingcyclw3dcases.-Rol

19、lthecomponentsurfaceSurfacetreatmentsareusedtotoinducepre-oompressionininduceresidualsurfacethesurfacestresses.Nitridingncn-Heatupcomponentinanammoniaenvironment.ThecomponentexpandsandNitratesfromthegasreactwiththemetal.Thecomponentcontractsoncoolingandiscompressed.EffectofResidualCompressionCompcec

20、donITensionS-N曲线修正根据表面因子(Surfacefactor)修正SN曲线增加表面层的预压缩使得S-N曲线上升降低表面质虽:使得S-N曲线下降S小测验答案1、z)Compreccion!TendonResultingsurfacestressnevergoesintotensiontnereforesurfacecrackdoesntInitiateSurfaceCompressionOscillatingbendingStrMSStressThiseffectonlyworksforhighcyclecaseswheretheappliedsurfacestressisins

21、ufficienttoovercometheresidualpre-compression.ISOv试验获得光滑试样的S-Nllll线根拯材料极限强度和表面影响因子的经验关系将光滑试样的3N曲线修正到一般机加丁表而的SN曲线根据应力范刖从修正过的SN曲线得出疲劳寿命值小测验小测验答案 试验获得一般机加工表而的S-Nllll线根据应力范剛从一般机加工表而SNllll线直接得出疲劳寿命值S-N疲劳寿命预测法加載型式形响nCode加载型式影响Typically:mM=0.7（弯曲到拉伸）mbt=0.58（弯曲到扭转）Thi:ztrczzi:lc:damagingthanthu.zilcYc画rlrJ

22、/Q小测验jtCc你知道一个受等幅对称弯曲应力和一个受等幅对称拉伸应力钢棒的疲劳寿命哪一个长吗？S-N疲劳寿命预测法尺寸形响nCode小测验小测验答案 # /71受等幅对称弯曲应力小钢棒和去钢棒的疲劳寿命哪一个长！受等幅対称弯曲应力小钢棒的疲劳寿命长！小测验小测验答案 # #小测验小测验答案 # #尺寸影响Largervolumeathighstress小测验小测验答案 # #S-N疲劳寿命预测法缺口修正和应力集中系数nCodeMechanicalEngneerrgDesign.J.E.SNgiey&L.D.Mheli.4*Ed.McGrav/-Hin.1983小测验S-N曲线修正小测验小测验

23、答案 #logN/itco你能判断出哪一块钢板的疲劳寿命长吗？小测验小测验答案 # 疲劳强度降低Wohlerobservedthatnotchesreducetheendurancelimiti(r*1诃Cycles.NK疲劳jg度降低系效K?dependson:GeometryDimensionsModeofloadingMaterialtypeKfisusuallylessthanK,小测验小测验答案 # #小测验小测验答案 # #缺口引起应力集中缺口敏感性性应子(q)小测验小测验答案 # #理论弹性应力集中系数,ACr./tK3Ktdependson:GeometryDimensions

24、ModeofloadingStressCcncentratkziFactors.R.E.Peterson.JonnWifey.NewYodc.1974EmpiricallyKfisusuallylessthanKtwhere0q1ifq-0thenK,-1ifq-1thenKf-K,whererisnotchrootradiusa-isamaterialconstant(Nonotcheffect)(Fulnotcheffect)Forwroughtferrousalloys300S“(ksi).小测验小测验答案 # #小测验小测验答案 #S-N曲线缺口修正利用疲劳缺口系数Kf(Ne)和Kf(

25、N=1000)对SN曲线进行修正或利用应力集中系数Kf对S-N曲线进行修正。这种修正是偏安全的!AccountingforNotches小测验AccountingforNotches小测验 # /9IX)o.eK；-10.6at10Q?ASK*S“ksi66*-Mogneum你预估出一个受交变应力钢棒的疲劳寿命吗？AccountingforNotches小测验AccountingforNotches小测验 # #StressStrainanaStrength.R.C,Juvinil.McGrawHill.NewYorx.1967FAechanioaiBena.iororMa：ertas:eng

26、ineeringmetnoasforaeformatlon.fractureanafatigueNormanE.OaringPrentlcelai.1993AccountingforNotches小测验AccountingforNotches小测验 # #AccountingforNotches小测验AccountingforNotches小测验 # #/rCMfrC(JcAccountingforNotches小测验AccountingforNotches小测验 # #AccountingforNotches小测验AccountingforNotches小测验 # #变幅载荷小测验答案Acc

27、ountingforNotches小测验AccountingforNotches小测验 # #-AAAAA/雨流计数法SNtestsareconductedunderconstantamplitudesinusoidalloadingRealloadingisusuallyfairlyrandomThequestionishowdowebreakdownrealloadsintoequivalentcycle閒gessowecsnusethesameSNcurves?TheisdoneusingRainflowCydeCountingirCmnAccountingforNotches小测验Ac

28、countingforNotches小测验 # #AccountingforNotches小测验AccountingforNotches小测验 # #S-N疲劳寿命预测法变幅栽荷处理nCodeAccountingforNotches小测验AccountingforNotches小测验 # #flimmatmtthUrwvp*ovcloadingN.B.Acloxdhptcrc*aloopindkatrsarekuseof4irarF雨流计数Ihvtcrcsb.IoopIvPermanentlMemorycfTcdSiresCJfStrainDrainwaterstartingatbvestva

29、lley.measuretotaldepthdrainedReordertostartfromABSmaxContinuebydrainingnextlowestetc.ImaginGthmsignaisfilledwithvratarRnge40.4502冷1-可1501p1O02-:;:RangeMeanNo.：450225nr?5Q:HjlSO-h100怎样进行循环计数？疲劳损伤概念损伤（damage）定义一个应力幅为Sa的应力循环所引起的损伤为n个应力幅为Sa的循环周所引起的损伤为几侃个循环将产生的损伤为仁疲劳失效发生jN、疲劳损伤计算小测验答案疲劳损伤计算小测验答案 #300Cycl

30、esAccunudateddamage=0.5%Life30060000Damages疲劳试验获取材料S-N曲线调整S-N曲线*对应力进行雨流计数疲劳寿命计算Miner线性疲劳损伤累积法则小测验答案疲劳损伤计算小测验答案疲劳损伤计算小测验答案 # #疲劳损伤计算小测验答案疲劳损伤计算小测验答案 # #小测验答案假如所有具有不同幅值的循环所累枳的损伤值大于或等于仁那么失效发生!否则疲劳寿命为损伤值的倒数！线性累积损伤，没有考虑加载顺序!疲劳寿命计算疲劳损伤计算小测验答案疲劳损伤计算小测验答案 # #疲劳损伤计算小测验答案疲劳损伤计算小测验答案 # Step2获取材料S-N曲线寿命是多少个載荷信号

31、重复块ASAS=S/?/l（A.）wNf77（皿岡/7lG/.近小测验答案小测验-计算流程小测验答案小测验-计算流程 Step3调整S-N曲线*-缺口-表面加工-表而处理-尺寸小测验答案S-N疲劳寿命预测法总结回顾nCodetMUn$t|xecd小测验答案影响疲劳寿命的因素Step5对每个循环计算疲劳损伤用Minerii则累积总损伤计算疲劳寿命总损伤二市二丽5心工50)N/(A5=100)寿命二总损伤值应力幅值平均应力应力集:中表面加工表面处理加载方式尺寸效应加载频率.波形对室温疲劳影响很小S-N曲线法思路S-N方法特点总结S-N曲线法思路S-N方法特点总结 #名义应力从试样中测出材料的S-N

32、|线考股实际零件和试样的豹别.修1ESN曲线考世试验加我和实际加裁的区别应用雨流技术对应力信号进行循环周计数结介Miner损伤累积法则计粽疲劳寿命S-N曲线法（名义应力法）是以交变名义应力为主要畚宜预测零部件疲劳失效循环周数的一种经验方法基于（名义）应力用丁预测总寿命广泛应用丁加载应力水平低、循环次数高（大T1E4-1E5）的高周疲劳失效问题有关这种方法的大虽材料数据可以获得不适川丁有显著塑性应变的疲劳问题广泛用丁焊接件方法简单.易理解S-N曲线法思路S-N方法特点总结S-N曲线法思路S-N方法特点总结 # #S-N曲线法思路S-N方法特点总结S-N曲线法思路S-N方法特点总结 # Stres

33、s-BasedFatigueAnalysisOptimization一些专业术语CycleEndurancelimitFailurecyclenumbersNotcheffectStressrangeandstressSurfacefinishandsurfaceamplitudetreatmentMeanstressFatiguedamageNominalstressMinersruleRainflowcyclecountingRepeats(fatiguelife)StressconcentrationfactorFatiguestrengthreductionfactorS-N疲劳分析流

34、程S-N曲线法思路S-N方法特点总结S-N曲线法思路S-N方法特点总结 # #AlnCodefMmmatmfth*Urwp*ctdTutorial:SNHandCalculation #Tutorial:SNHandCalculation!：SNHayCckxAstMne-N疲劳寿命预测法LocalStrainApproachStrain-LifeOutline/iCodeEHminitofthUno(|t应变控制试验结果循环硬化和软化 If仝1.4thenmaterialwillcyeidynaraenif21.2thenmaterialwillcyciaysoftenrC/岳应变寿命曲线C

35、onfidenceofSurvivalderivedfromsuccessivestrainlifetestsareplottedonthStrain-Lifecurveelasticlifelinegivenby:plasticlifelinegivenby:totallifelinegivenby:1010*10rReversals,2NtYepnlndwvulwls循环应力应变曲线rC/岳s-(2Njb气;(2叫)哲(2N$T(2NTypicalvalues:E207.000MPa(feesteels)*1300MPaD*-0.1；*0.5C*-0.5C3MtCMC3MtCMx:reni

36、NfciMartUrdctevwlwnHmi!maan褊&片；aUrvUrdat57&logic,zMNbAWy.l)pcW/:a.-dOOrdf006nominallifeine:j：2N,+(2N,flez090%lifeline：e,-y4-10*-sle.Z-1.28nominallife-line805%oonftdonoelife-lineRe-rsaisxfanureStrain-LifeParametersfatiguestrengthcoefficient:afatiguestrengthexponent:bfatigueductilitycoefficient:1300MP

37、a-0.10.5fatigueductilityexponent:c0.5standarderroroflog(se):se(se)0.03standarderroroflog(sp):5G(sJ0.06CyclicStress-StrainParameterscyclicstrengthooefficient:K*cyclicstrengthexponent:n*modulusofelasticity:E1200MPa-0.2205,000MPa(Steel)应变控制试验结果循环硬化和软化 # 应变控制试验结果循环硬化和软化 #EstimatingStrain-LifeParametersS

38、teelsAluminum&TitaniumOtherAlloysNote:O-验1.5UTS-0.0870.590-0.581.65UTS0.151.67UTS1.9UTS-0.095-0.12AccountingforMeanStress0.35-0.691.61UTS0.110.76D08-0.6.0.003otherwisee.35冏罟*考虑平均应力nCode你能得出一个受等幅对称交变应变钢棒的疲劳寿命吗？(r-JTC一TutorialII:ENHandCalculation/rCwfrAcycleisdefinedbyitsrange,Ae,anditsmeanstrain,Butw

39、hatisitsmeanstress?滞回环曲线近似(MasingsHypothesis)Bauschinger,MaterialMemory&CyclesStressStrainTrackingBauschinger,MaterialMemory&CyclesStressStrainTracking # Cyclesclosed:1:BCB2:ADAstress,astrain, # # #MorrowTsApproachSWTMeanStressCorrection # AsplasticityincreasestheeffectofmeanstressdecreasesTheeffect

40、canbetakenintoaccountbyconsideringonlytheelastic-lifelineSimilartoGoodmansmethodinS-N0.510210310410510*1072tfReversalstofailure警(2NJ“5；(2叫厂201052mJMorrow平均应力修正*二dulu-sLocalGeometrynCode # # # #SmithWatsonTopperApproachNotchesCauseStressConcentrations # #理论弹性应力集中系数,Ktk=K.dependson:-GeometryDimensions

41、-Modeofloading_StressConcentrationFactors.R.E.Peterson.JohnWifey.NewYork.1974SWTparameterisanextensionofNeuber*sRuleThisparametercollapsesallthemeanstressdataontoasinglecurve.f晋(2N,)”r；e；(2叫广Assumesthatthematerialparametersarecompatible.Thatis.K*andn*arederivedfrom6,candbSinglecurvedescribestheeffec

42、tofmeanstress coAccountingforSurfaceFinish&TreatmentnCodeEiimmitoftheUecMfc.dNotchSensitivityFactorTheEffectofSurfaceFinishKfisusuallylessthanKtwhere0q2402320360O04404a05?0JOTSEdOOEtnscStressStrainandStreflgtn.R.C.Jwnail,McGrawHill,NewYork.1967CJKTaCNeubersRule:K,Se=aeEffectofSurfaceFinish&Treatment

43、8ndUI2ISOnStrain-LifeCurves10*10irio4N,10$10Reversals.2怙2 # # Elasticvs.MeasuredStrainsVariableAmplitudeLoadstheSimpleRainflowCountingStress-StrainTracking&DamageCalculationPQ3KExtract切imaamthe&叭恰filed*5宸aterReorowrtostart丁omASSmaxRangeMeanNO.450225-5015011003002C3MfaCMLocalstress,strain-oRainflowCounting:T-ebehaviourStress-StrainTrackingrl/画Whichismoredamaging?frHangingLoopTensilemean=moredamageStandinaLoopCompressivemen=lessdamageAtB=e，BtC=A2CtD=A6