《疲劳强度》课件

疲劳强度疲劳强度是指材料在交变载荷作用下抵抗破坏的能力。疲劳强度是材料抵抗疲劳破坏的重要指标，在工程设计中至关重要。课程大纲11.疲劳概论介绍疲劳的概念、分类、影响因素、研究意义等。22.疲劳分析基础介绍应力、应力分类、应力计算方法等基本概念。33.静态载荷下的疲劳分析分析静态载荷下的疲劳现象，包括理论公式、影响因素、实例分析等。44.动态载荷下的疲劳分析分析动态载荷下的疲劳现象，包括疲劳寿命估算、S-N曲线、应力集中系数等。55.疲劳试验技术介绍常用的疲劳试验设备、试验方式、数据处理等。66.疲劳寿命预测介绍疲劳寿命预测方法，包括经验公式、有限元分析、疲劳试验结果等。77.疲劳强度设计介绍疲劳强度设计方法，包括设计准则、优化设计、案例分析等。88.课程小结回顾课程知识要点，并给出实际应用建议。1.疲劳概论材料微观结构疲劳是指材料在反复荷载作用下，其强度逐渐降低直至断裂的过程。这种现象与材料的微观结构密切相关。结构失效疲劳是导致许多结构失效的主要原因，例如桥梁、飞机和机械设备的损坏。疲劳试验为了评估材料和结构的疲劳性能，需要进行疲劳试验，以模拟实际应用环境中的载荷条件。疲劳的定义疲劳是指材料或结构在反复载荷作用下，即使载荷大小远小于材料的屈服强度，也会逐渐产生细微裂纹，最终导致断裂的现象。疲劳破坏是一种常见的失效形式，它发生在桥梁、飞机、汽车等多种工程结构中。疲劳破坏的发生通常需要经过很长时间的反复载荷作用，它会逐渐累积损伤，最终导致结构的突然失效。疲劳的种类高周疲劳应力幅值较小，循环次数较多。通常发生在交变载荷作用下，例如发动机振动、飞机机翼的反复弯曲。低周疲劳应力幅值较大，循环次数较少。通常发生在塑性变形较大的情况下，例如焊接接头的疲劳。疲劳造成的影响结构破坏疲劳裂纹的产生和扩展会导致结构完整性丧失，最终导致结构失效。安全隐患疲劳破坏可能导致桥梁、飞机、机械等结构的突然坍塌，造成人员伤亡和财产损失。经济损失疲劳破坏会导致设备停机、维修成本增加，以及生产效率下降，造成巨大的经济损失。社会影响疲劳破坏可能导致交通事故、工业事故等，对社会造成负面影响。2.疲劳分析基础应力的定义应力是指物体内部抵抗形变的能力。当外力作用于物体时，物体内部会产生应力，它是材料抵抗外力作用所产生的内力。应力分类应力可以分为正应力和切应力两种。正应力是指垂直于物体截面的力，而切应力是指平行于物体截面的力。应力计算方法应力可以通过应力公式进行计算，该公式通常取决于外力的大小和物体的截面积。应力的定义11.定义应力是指物体内部由于外力作用而产生的抵抗变形的能力。22.公式应力等于外力作用在物体上的面积。33.单位应力的单位是帕斯卡（Pa），1Pa等于1牛顿/平方米。44.影响应力的影响因素包括外力的大小、方向和作用面积。应力分类拉伸应力材料受到拉伸力作用时产生的应力。压缩应力材料受到压缩力作用时产生的应力。剪切应力材料受到平行于表面力的作用时产生的应力。弯曲应力材料受到弯曲力作用时产生的应力。应力计算方法1应力公式根据载荷和截面积计算2有限元分析数值模拟应力分布3实验测试直接测量应力值应力计算方法多种多样。常用方法包括根据载荷和截面积计算应力，使用有限元分析软件进行数值模拟以获得应力分布，以及通过实验测试直接测量应力值。选择合适的计算方法取决于具体的应用场景和要求。3.静态载荷下的疲劳分析静态载荷定义静态载荷是指大小和方向保持不变的载荷。这种载荷会产生一个恒定的应力状态，但不会引起材料的循环应力变化。疲劳失效模式在静态载荷下，疲劳失效通常发生在应力集中区域，例如孔洞、缺口或焊接接头附近。应力集中会导致材料的局部应力大幅增加，从而导致疲劳裂纹的产生和扩展。影响因素静态载荷下的疲劳失效受多种因素影响，包括材料的强度、韧性、表面质量、应力集中程度、环境温度和腐蚀性等。分析方法静态载荷下的疲劳分析通常基于有限元分析或应力集中系数法，以预测材料的疲劳寿命和失效模式。理论公式疲劳强度计算的理论公式是基于材料的力学性能和应力状态的。最常用的公式之一是巴斯勒公式，该公式考虑了应力幅值、应力比和材料的疲劳强度极限。此外，还有其他理论公式，例如米勒公式和古德曼公式，它们分别考虑了应力范围和应力集中因素的影响。这些公式可以用来预测材料在特定载荷条件下的疲劳寿命。影响因素材料强度材料的抗拉强度和屈服强度对疲劳强度有重要影响。强度越高，疲劳强度也越高。表面质量表面缺陷如裂纹、划痕、凹坑等会降低疲劳强度。表面处理如抛光、喷丸等可以提高疲劳强度。应力集中应力集中是指在结构中应力发生局部升高的现象。应力集中会显著降低疲劳强度。应力集中可通过优化设计、采用合理的连接方式等来避免或减轻。载荷类型载荷类型包括静态载荷和动态载荷。动态载荷会导致材料发生疲劳破坏，而静态载荷则不会。动态载荷的频率和幅值也会影响疲劳强度。实例分析以汽车车轴为例，在静态载荷下，分析其疲劳强度。车轴承受着车辆的重量，并承受着道路颠簸带来的冲击载荷。车轴的疲劳强度需要满足一定的强度要求，以防止其在使用过程中发生疲劳断裂。通过计算车轴的应力，并与材料的疲劳强度极限进行比较，可以判断车轴的疲劳强度是否满足要求。如果车轴的疲劳强度不满足要求，可以通过改变材料、改变结构设计等方式进行改进，以提高车轴的疲劳强度。在实际工程应用中，需要结合具体的工况条件进行分析，以确保车轴的可靠性。4.动态载荷下的疲劳分析循环载荷动态载荷通常指循环载荷，在疲劳分析中起关键作用。应力循环应力循环是动态载荷下材料经历的应力变化过程，影响疲劳寿命。应力集中结构几何形状变化可能导致局部应力集中，加速疲劳损伤。疲劳裂纹疲劳裂纹是动态载荷下材料发生疲劳损伤的主要标志。疲劳寿命估算疲劳寿命估算是在进行结构设计时至关重要的环节，它可以预测结构在一定载荷条件下的使用寿命，从而避免结构过早失效。常见的疲劳寿命估算方法包括S-N曲线法、疲劳强度理论法以及有限元分析法等，每种方法都有其适用范围和优缺点。10^6循环次数通常情况下，疲劳寿命用循环次数表示，即结构承受一定应力水平下能够承受的循环次数。10^7寿命寿命越长，结构的可靠性越高，但设计成本也可能更高。10^8应力应力水平越低，疲劳寿命越长，但应力水平过低会导致结构过度设计，浪费材料。S-N曲线S-N曲线是疲劳分析的重要工具，它描述了材料在循环载荷作用下的疲劳寿命与应力幅之间的关系。曲线横坐标代表应力幅，纵坐标代表疲劳寿命，曲线形态通常呈对数形式。S-N曲线能够帮助工程师评估材料在不同载荷条件下的疲劳寿命，并进行疲劳强度设计。应力集中系数应力集中系数(Kt)表征应力集中程度的无量纲系数。几何形状孔洞、缺口、圆角等几何形状会引起应力集中。材料性质材料的弹性模量、泊松比等影响应力集中系数。载荷类型拉伸、弯曲、扭转等载荷类型会影响应力集中系数。应力集中系数在疲劳分析中非常重要，它可以用来估计疲劳裂纹的萌生位置和寿命。5.疲劳试验技术试验设备疲劳试验需要专业的设备，包括疲劳试验机、传感器和数据采集系统。试验机用于施加循环载荷，传感器用于测量应力、应变和位移等参数，数据采集系统用于记录和分析实验数据。试验设备疲劳试验设备用于模拟实际工况下的各种复杂载荷，对材料或结构进行疲劳性能测试。常见设备包括疲劳试验机、疲劳测试仪、疲劳寿命测试仪等。这些设备可以准确地控制载荷类型、幅值、频率、温度等参数，并记录试验过程中的数据。试验方式11.循环加载试验施加周期性载荷，模拟实际工况下的载荷循环。22.应力控制试验控制应力幅值，观察材料在不同应力水平下的疲劳寿命。33.应变控制试验控制应变幅值，考察材料在不同应变水平下的疲劳性能。44.裂纹扩展试验研究裂纹在循环载荷作用下的扩展速率。数据处理1数据采集实验中采集数据。使用仪器采集数据，例如应变仪、应力仪等。2数据清洗剔除异常数据，保证数据的准确性。用数据分析方法，例如离群点检测，剔除错误数据。3数据分析对数据进行分析，得出结论。例如，使用S-N曲线分析材料疲劳寿命。6.疲劳寿命预测疲劳试验数据分析疲劳试验结果，建立材料疲劳特性曲线，并进行预测。经验公式根据经验公式和材料特性，预测疲劳寿命。有限元分析使用有限元软件模拟实际工况，预测疲劳寿命。经验公式疲劳寿命预测常用的经验公式，如Basquin公式、Coffin-Manson公式等，可以根据材料特性、载荷类型和应力幅值等因素，预测材料的疲劳寿命。经验公式是基于大量试验数据总结出来的，但受材料特性、试验条件和实际应用环境等因素的影响，预测结果存在一定的误差，需要结合实际情况进行修正。有限元分析网格划分将复杂结构离散成许多小的单元，每个单元具有特定的形状和节点。单元类型根据结构的几何形状和受力情况选择合适的单元类型，如三角形、四边形、三维体等。材料属性定义每个单元的材料特性，如弹性模量、泊松比、密度等。边界条件模拟结构的实际约束和载荷，例如固定约束、力载荷、温度载荷等。疲劳试验结果疲劳试验结果是评估材料或结构疲劳寿命的关键信息。通过对试验数据的分析，可以确定材料的疲劳极限、S-N曲线以及其他重要的疲劳参数。这些信息对于预测材料或结构的疲劳寿命、优化设计、提高可靠性至关重要。7.疲劳强度设计设计准则疲劳强度设计需遵循特定的准则，确保结构在预期的使用寿命内不会因疲劳失效。优化设计通过合理的材料选择、结构优化，以及疲劳分析软件的使用，可以有效提高结构的疲劳强度。案例分析通过实际案例的分析，可以深入理解疲劳强度设计的重要性，并积累宝贵的经验。设计准则安全系数疲劳强度设计应考虑安全系数，确保结构在实际使用过程中能够承受预期的载荷，避免因疲劳失效而导致事故。疲劳寿命根据不同的应用场景和要求，制定合理的疲劳寿命目标，确保结构能够满足预期的使用寿命，避免因疲劳破坏而提前报废。材料选择选择具有良好疲劳性能的材料，例如高强度钢、铝合金等，能够提高结构的疲劳强度，延长使用寿命。结构优化通过优化结构设计，减小应力集中，提高结构的抗疲劳性能，例如采用圆角、过渡曲线等设计方式，避免应力集中。优化设计11.结构优化通过改变材料、形状和尺寸来提高结构强度和寿命。22.过程优化优化制造工艺、降低成本、提高效率。33.材料选择选择更适合的材料，提高疲劳性能，降低成本。44.负载优化合理控制负载，降低应力集中，延长疲劳寿命。案例分析汽车车身疲劳问题是常见的工程案例。车身在行驶过程中会受到各种动态载荷的影响，例如路面颠簸、刹车制动等。这些载荷会导致车身产生疲劳裂纹，进而影响车辆的安全性。课程小结本课程介绍了疲劳强度理论、分析方法和设计应用。学习疲劳强度对于机械设计、材料科学和