优化及疲劳可靠性综合

优化与

疲劳可靠性第11组2.疲劳可靠性优化设计流程优化与疲劳可靠性1.疲劳可靠性基础

1.1疲劳损伤1.2疲劳应力1.3影响疲劳强度的因素和举例3.疲劳可靠性优化实例1.1疲劳失效机械设计第11组李鹏疲劳疲劳:材料在交变载荷(应力)作用下，经过较长时间(或较多的应力循环周次)运转后所发生的“突然”失效或破坏，统称材料的疲劳现象。其基本形式只有两种，即由切应力引起的切断疲劳及由正应力引起的正断疲劳。材料的疲劳失效的基本特点：(1)疲劳断裂的突发性：断裂突然发生，无明显预兆。(2)疲劳断裂应力很低：疲劳条件下的破断应力低于材料的抗拉强度。还低于材料的屈服强度。(3)疲劳断裂是一个损伤积累的过程：一般都在疲劳裂纹扩展到一定长度后失稳而发生突然破坏，而且疲劳断裂过程在宏观形貌上没有留下明显的塑性变形(4)疲劳断裂对腐蚀介质的敏感性：在腐蚀环境下材料的疲劳极限较在大气条件下低得多，甚至就没有所说的疲劳极限。(5)疲劳断裂对材料缺陷的敏感性：对产品表面的材料本身的缺陷高度敏感的疲劳裂纹最易产生在材料最薄弱处疲劳断口的宏观形貌结构典型的疲劳断口的宏观形貌结构可分为疲劳核心、疲劳源区、疲劳裂纹的选择发展区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区五个区域。疲劳断口微观形貌疲劳断口微观形貌的基本特征是在电子显微镜下观察到的条状花样，通常称为疲劳条痕、疲劳条带、疲劳辉纹等。疲劳辉纹是具有一定间距的、垂直于裂纹扩展方向、明暗相交且互相平行的条状花样。疲劳断裂的形式1、弯曲疲劳断裂：单向弯曲疲劳、双向弯曲疲劳及旋转弯曲疲劳。共同点：初裂纹一般源于表面，然后沿着与最大正应力垂直的方向向内扩展，当剩余截面不能承受外加载荷时，构件发生突然断裂。2、拉压疲劳断裂：拉压疲劳断裂最典型例子是各种蒸汽锤的活塞杆在使用中发生的疲劳断裂。

3、扭转疲劳断裂：各类传动轴件的断裂主要是扭转疲劳断裂。4、振动疲劳断裂：当外部的激振力的频率接近系统的固有频率时，系统将出现激烈的共振现象。5、接触疲劳19世纪30-40年代，英国铁路车辆轮轴在轴肩处（应力仅为0.4ys）多次发生破坏；1954年1月,英国慧星(Comet)号喷气客机坠入地中海（机身舱门拐角处开裂）；1967年12月15日，美国西弗吉尼亚的

PointPleasant桥倒塌,46人死亡1980年3月27日，英国北海油田Kielland号钻井平台倾复；127人落水只救起89人；二次大战期间，400余艘全焊接舰船断裂主要原因是由缺陷或裂纹导致的断裂。

轴叶轮

疲劳断裂破坏

转子轴疲劳开裂

疲劳断裂破坏

上海东方电视塔高300m球径45m

抗震模型试验（破坏部位、破坏形式、抗震能力）静强度失效、断裂失效和疲劳失效，是工程中最为关注的基本失效模式。1.2疲劳应力机械设计第11组吕博疲劳损伤发生在受交变应力（或应变）作用的零件和构件上，零件和构件在低于材料屈服极限的交变应力（或应变）的反复作用下，经过一定的循环次数以后，在应力集中部位萌生裂纹，裂纹在一定条件下扩展，最终突然断裂，这一失效过程称为疲劳破坏。材料在疲劳破坏前所经历的应力循环数称为疲劳寿命。疲劳应力指在规定的循环应力幅值和大量重复次数下，材料所能承受的最大交变应力。疲劳强度模型——S-N曲线1、S-N曲线材料的疲劳性能用作用的应力范围S与到破坏时的寿命N之间的关系描述，即S-N曲线。寿命N定义为在给定应力比R下，恒幅载荷作用下循环到破坏的循环次数。

疲劳破坏有裂纹萌生，扩展至断裂三个阶段，这里破坏指的是裂纹萌生寿命。因此，破坏可以定义为：

1）标准小尺寸试件断裂。对于高、中强度钢等脆性材料，从裂纹萌生到扩展至小尺寸圆截面试件断裂的时间很短，对整个寿命的影响很小，考虑到裂纹萌生时尺度小，观察困难，故这样定义。

2）出现可见小裂纹，或有5％～15％应变量。对于延性较好的材料，裂纹萌生后有相当长的一段扩展阶段，不应当计入裂纹萌生寿命。小尺寸裂纹观察困难时，可以监测恒幅循环应力作用下的应变变化。当试件出现裂纹后，刚度改变，应变也随之变化，故可用应变变化量来确定是否萌生了裂纹。材料疲劳性能试验所用标准试件，（通常为7～10件），在给定的应力比R下，施加不同的应力范围S，进行疲劳试验，记录相应的寿命N，即可得到图示S-N曲线。NS

由图可知，在给定的应力比下，应力范围S越小，寿命越长。当应力范围S小于某极限值时，试件不发生破坏，寿命趋于无限长。由S-N曲线确定的，对应于寿命N的应力范围，称为寿命为N循环的疲劳强度。寿命N趋于无穷大时所对应的应力范围S，称为材料的疲劳极限。由于疲劳极限是由试验确定的，试验又不可能一直做下去，故在许多试验研究的基础上，所谓的无穷大一般被定义为：钢材，107次循环S-N曲线是对构件进行疲劳寿命预测的前提和基础。由于疲劳试验数据的离散性，使得疲劳应力-寿命间的曲线，并不是一一对应的单值关系，而是与存活率P紧密相连。前面提到的S-N曲线是中值疲劳寿命曲线，也就是存活率P为50%的S-N曲线。在许多情况下，尤其是构件的可靠性设计中，根据实际要求，需要不同存活率的S-N曲线。要表达这些不同存活率的疲劳寿命曲线，就必须使用P-S-N曲线。P-S-N曲线实践表明，疲劳寿命分散性较大，因此必须进行统计分析，考虑存活率（即可靠度）的问题。具有存活率p（如95%、99%、99.9%）的疲劳寿命Np的含义是：母体（总体）中有p的个体的疲劳寿命大于Np。而破坏概率等于（1－p）。常规疲劳试验得到的S-N曲线是p=50%的曲线。对应于各存活率的p的S-N曲线称为p-S-N曲线。

1.3影响疲劳强度的因素和举例机械设计第11组王为东影响疲劳强度的因素工作条件尺寸的影响材料成分及组织表面状态1243影响疲劳强度的因素123载荷频率：对于高周疲劳，当在腐蚀或高温条件下试验时，f对疲劳极限有很大影响；但在温室的干燥空气中，影响很小，试验频率增加，疲劳极限及寿命稍有增加温度：温度降低，疲劳强度升高；温度升高，疲劳强度降低腐蚀介质：具有腐蚀性的环境介质因使金属表面产生蚀坑缺陷，将会降低材料的疲劳极限而产生腐蚀疲劳。工作条件4次载锻炼：低于疲劳极限的应力称为次载。金属在低于疲劳极限的应力下运转一定次数后，可以提高疲劳极限，成为次载锻炼。原因可能是由于应力应变循环产生的硬化及局部应力集中松弛的结果。疲劳损伤累计假说影响疲劳强度的因素

应力集中表面粗糙度表面强化机件表面的缺口（转角，孔，螺纹，键槽）应力集中，往往是产生疲劳破坏的主要原因表面强化处理具有双重作用：一是提高表层强度；二是提供表层残余压应力，疲劳强度试验的结果表明，在零件表层中，引入一定的残余应力，能大大提高零件的疲劳强度，这就是表面强化的理论依据。凡是引入残余压应力，都能提高其疲劳强度，反之。因此，采用表面强化工艺可以用价廉的材料制造出轻小高效的机器。表面强化的方法通常有表面喷丸和滚压，材料表面淬火及表面化学热处理等愈低，材料疲劳极限越高；愈高，疲劳极限愈低。材料强度愈高，表面粗糙度对疲劳极限的影响愈严重。.表面状态影响疲劳强度的因素表面喷丸滚压12影响疲劳强度的因素尺寸越大，材料的晶粒会愈粗、出现缺陷的几率也就会愈大、机械加工后所形成的表面冷作硬化层相对较薄。尺寸系数：εα，ετ尺寸影响影响疲劳强度的因素机件尺寸对疲劳强度也有较大的影响，在弯曲、扭转载荷作用下其影响更大。一般而言，1、试样尺寸增大时，材料的疲劳极限降低；2、强度高的合金钢，其尺寸影响比强度低的钢的大；3、当应力分布不均匀性增大时，尺寸影响也增大。尺寸影响影响疲劳强度的因素合金成分显微组织合金成分是决定组织结构的基本要素，在各类结构工程材料中，结构钢的疲劳强度最高，所以应用广泛。在结构钢中，C是影响疲劳强度的重要因素，当硬度大于HRC40，疲劳强度随C的含量增加而增加，过高则降低。其他合金元素在钢中的作用，主要通过提高钢的淬透性和改善改善钢的强韧性来影响疲劳强度1、细化晶粒能提高疲劳强度，另外，细化晶粒还可以提高滑移形变抗力，抑制循环滑移带的形成和开裂，增加裂纹扩展的晶界阻力，这些都有利于提高疲劳强度；2、结构钢的热处理影响，分为正火组织，淬火组织和等温淬火组织。一般正火组织因碳化物为片状其疲劳强度最低，淬火回火组织因碳化物为粒状其疲劳强度比正火高，而且随回火温度不同，其弥散碳化物的大小，数量及基体的强度也不同，从而疲劳强度也不同。材料成分及组织2.疲劳可靠性

优化设计流程机械设计第11组秦荦晟系统的可靠性设计步骤确定系统的可靠度指标失效分析、可靠度预测部件的可靠度指标分配进行零件的可靠性设计确定系统的可靠度指标1、可靠度2、故障率3、平均寿命4、有效寿命等失效模式早期失效偶然失效功能失效设计制造、贮藏不当及调试等造成的缺陷产品疲劳老化腐蚀磨损等引起由非预期的过载、误操作、意外天灾等偶然因素造成系统的可靠度预测代数法矩法响应曲面法蒙特卡洛法

针对正态分布的随机变量，随机变量函数为简单函数适用于无法用函数表达的随机系统对复杂函数，通过泰勒展开式求均值和标准差

对随机变量统计抽样试验或随机模拟，估计函数的统计参数部件的可靠度指标分配1、等可靠度分配原则部件的可靠度指标分配2、按重要度分配原则3、按预计可靠度分配原则对初步设计中预计可靠度高的零件，分配较高的可靠度4、按经济性分配原则零件的可靠性设计1、提出设计任务，规定详细指标2、确定有关的设计变量及参数3、失效模式、影响及致命度分析4、确定失效模式是否相互独立5、确定失效模式判据6、得出应力公式7、确定每种失效模式下的应力分布8、确定强度计算公式9、确定每种失效模式下的强度分布10、确定每种失效模式下与应力分布和强度分布相关的可靠度11、确定零件的可靠度12、确定零件可靠度的置信度疲劳可靠性设计与传统机械设计的不同1、以应力和强度为随机变量为出发点2、应用概率和统计方法进行分析求解3、能定量回答产品的失效概率和可靠度4、有多种可靠性指标供选择5、强调设计对产品可靠性的主导作用6、必须考虑环境的影响7、必须考虑维修性8、从整体的、系统的观点出发9、承认在设计期间及其以后都需要可靠性的增长3.疲劳可靠性

优化实例机械设计第11组杨超文本例的分析方法结构强度的可靠度理论随机有限元法基于概率的结构强度理论的主要优点是可以全面的考虑影响结构强度可靠度中应力的统计特性计算。它与随机有限元法密不可分。通过离散随机结构，运用确定性有限元方法，可以准确地确定随季节结构的力学特性，进而合理地评估结构的可靠性。转子叶片的工作环境[Imageinformationinproduct]Image:www.wizdata.co.krNotetocustomers:ThisimagehasbeenlicensedtobeusedwithinthisPowerPointtemplateonly.Youmaynotextracttheimageforanyotheruse.研究叶片的疲劳可靠性，首先需要知道叶片的尺寸，