第十章疲劳寿命预测和抗疲劳设计

疲劳分析方法

疲劳寿命分析方法 摘要：本文简单介绍了在结构件疲劳寿命分析方法方面国内外的发展状况,重点讲解了结构件寿命疲劳分析方法中的名义应力法、局部应力应变法、应力应变场强度法四大方法的估算原理。 疲劳是一个既古老又年轻的研究分支，自Wohler将疲劳纳入科学研究的范畴至今，疲劳研究仍有方兴未艾之势，材料疲劳的真正机理与对其的科学描述尚未得到很好的解决。疲劳寿命分析方法是疲分研究的主要内容之一，从疲劳研究史可以看到疲劳寿命分析方法的研究伴随着整个历史。 金属疲劳的最初研究是一位德国矿业工程帅风W.A.J.A1bert在1829年前后完成的。他对用铁制作的矿山升降机链条进行了反复加载试验，以校验其可靠性。1843年，英国铁路工程师W.J.M.Rankine对疲劳断裂的不同特征有了认识，并注意到机器部件存在应力集中的危险性。1852年-1869年期间，Wohler对疲劳破坏进行了系统的研究。他发现由钢制作的车轴在循环载荷作用下，其强度人大低于它们的静载强度，提出利用S-N 曲线来描述疲劳行为的方法，并是提出了疲劳“耐久极限”这个概念。1874年，德国工程师H.Gerber开始研究疲劳设计方法，提出了考虑平均应力影响的疲劳寿命计算方法。Goodman讨论了类似的问题。1910年，O.H.Basquin提出了描述金属S-N曲线的经验规律，指出：应力对疲劳循环数的双对数图在很大的应力范围内表现为线性关系。Bairstow通过多级循环试验和测量滞后回线，给出了有关形变滞后的研究结果，并指出形变滞后与疲劳破坏的关系。1929年B.P.Haigh研究缺口敏感性。1937年H.Neuber指出缺口根部区域内的平均应力比峰值应力更能代表受载的严重程度。1945年M.A.Miner 在J.V.Palmgren工作的基础上提出疲劳线性累积损伤理论。L.F.Coffin和S.S.Manson各自独立提出了塑性应变幅和疲劳寿命之间的经验关系，即Coffin—Manson公式，随后形成了局部应力应变法。 中国在疲劳寿命的分析方面起步比较晚，但也取得了一些成果。浙江大学的彭禹，郝志勇针对运动机构部件多轴疲劳载荷历程提取以及在真实工作环境下的疲劳寿命等问题，以发动机曲轴部件为例，提出了一种以有限元方法，动力学仿真分析以及疲劳分

公路桥梁结构桥梁抗疲劳设计方法应用

公路桥梁结构桥梁抗疲劳设计方法应用 摘要：随着我国社会既经济的发展，公路桥梁工程建设越发的完善，但是由于我国人口众多，私家车拥有量也是与日俱增，这就导致我国公路桥梁工程的消耗使用比较严重，部分公路桥梁由于长期处于疲劳工作状态下使得其结构出现严重破损，影响交通工程的安全性。其中，桥梁工程出现疲劳的现象比较多，所以，在进行公路桥梁结构看疲劳设计时要将工作重点放在桥梁抗疲劳设计上，从而促进公路桥梁抗疲劳性能。 关键词：公路桥梁；结构桥梁；抗疲劳设计；方法应用 引言 随着我国社会经济的发展，结构桥梁工程的建设越来越多，但是在发展的同时也会越到需索刁钻的问题，其中，抗疲劳设计就是一项比较复杂而且艰难的工作。在施工与运行的过程中如果略了各类问题，就会导致工程在启动之后出现抗疲劳强度不足，出现桥梁使用年限缩小的情况。 一、影响桥梁结构抗疲劳强度因素 1．残余应力 在我国现阶段的桥梁建设中普遍采用钢结构作为桥梁的主要材料，而钢结构的抗疲劳性能基本上是受加工材料性能的影响，例如在加工阶段中冶炼、轧制、焊接等过程，都与可能会出现受热不均的现象，致使钢结构内部存在残余应力，对于钢结构桥梁来说，其一般只能承受翼缘内周期性压力应力，在高残余拉应力范围内便会出现开裂问题，而影响桥梁结构抗疲劳性能。针对钢结构中的残余应力，如果不能够完全掌握受力的峰值，还有受力的分布区域，这就很可能会造成残余应力影响钢结构质量的问题出现，尤其是对桥梁结构疲劳强度影响十分明显。 2．低温冷脆循环作用 在一般情况下，钢结构桥梁工程的施工过程对下弦和桥墩支座连接位置的集中应力以及流限状态的研究不够全面，这种钢结构桥梁受到低温冷脆循环很容易会发生脆断的现象。除此之外，当钢结构材料厚度为B≥2．5(KIC/σys)2时，钢结构平面应力逐渐趋于脆性状态，是钢结构桥梁施工设计的要点。 3．其余因素 3.1钢结构的材料特性

柔性结构疲劳寿命的预测方法

文章编号:167325196(2008)0420170203 柔性结构疲劳寿命的预测方法 董黎生,程　迪 (郑州铁路职业技术学院机车车辆系,河南郑州　450052) 摘要:讨论柔性构架结构疲劳寿命的预测方法,建立刚柔耦合多体动力学模型,计算结构危险点的动载荷时间历程;利用有限元准静态分析法,获得应力影响因子;利用模态分析技术获得结构固有频率和模态振型,确定结构的危险点位置。基于危险应力分布的动载荷历程,结合材料特性曲线以及线性损伤理论,进行标准时域的柔性结构应力应变的循环计数,损伤预测和寿命估计.应用该方法对构架结构进行疲劳寿命预测,结果表明,该预测方法预测精度有效,可以有效提高结构耐久性设计质量. 关键词:多体系统;柔性结构;有限元;疲劳寿命预测 中图分类号:O346 文献标识码:A Prediction method of fatigue life of flexible structure DON G Li2sheng,C H EN G Di (Locomotive and Rolling Stock Depart ment,Zhengzhou Railway Vocational&Technical College,Zhengzhou　450052,China) Abstract:Prediction met hod of fatigue life of flexible f ramed st ruct ure was discussed,dynamic model of rigidity2flexibility co upled multi2body was established,and time history of dynamic load at t he critical point of t he st ruct ure was comp uted.Influential factors of st resses were obtained by using t he finite element analysis met hod for quasi2static conditions.The nat ural frequency and vibration modes of t he struct ure as well as t he location of it s critical point were determined by using t he model analysis technique.Based on t he dynamic load history of critical st ress distribution and employing t he material characteristic curves and it s linear damage t heory,t he cyclic counting of stresses and st rains,damage p rediction,and life estimation of t he flexible st ruct ure were performed in standard time domain.The fatigue life prediction of t he f ramed st ruct ure was conducted wit h t his met hod and it was shown by t he result t hat t he prediction accuracy was valid and t he design quality of struct ure durability would be effectively imp roved. K ey w ords:multi2body system;flexible st ruct ure;finite element;fatigue life prediction 预测结构寿命最有效方法是通过室内工作台或线路耐久性试验获得危险点的动应力历程数据.对一些复杂结构,要在室内进行耐久性试验几乎是不可能的.而在实际线路上进行耐久性试验,耐久性试验费用昂贵,试验周期也长,受到运行路线和时间等诸多条件限制,只能在有限的线路和时段内进行构架结构危险部位的动应力测试,进而通过应力应变数据的有效采集和雨流法统计处理,最后根据相关损伤累计理论进行结构寿命估计. 文献[1]中首次在国内外提出通过动力学仿真及有限元分析混合技术手段进行车体结构疲劳寿命 收稿日期:2008202229 作者简介:董黎生(19622),男,山西万荣人,副教授.的评估.就机车车辆而言,在运行过程中反复承受随机轨道不平顺传递的持续小幅振动载荷、过曲线、过道岔以及启动制动时的冲击等复合载荷的作用,导致结构关键部位,如关键位置处的焊接接头以及焊接区域局部应力集中发生,从而导致裂纹萌生和扩展等结构疲劳现象的发生.针对这些疲劳问题,现场一般采用设置局部加强筋、开设止裂板等措施来提高其局部静强度和分化应力集中导致的影响.但是这些措施并没有从整车系统动态特性的角度考虑问题,因此可能再次导致结构刚度的分布不均,从而使得结构其他部位再次出现新的疲劳问题.在文献[1～8]的基础上,本文提出一种柔性结构疲劳寿命的预测方法,对机车车体结构进行寿命预测. 第34卷第4期2008年8月 兰　州　理　工　大　学　学　报 Journal of Lanzhou University of Technology Vol.34No.4 Aug.2008

疲劳寿命预测方法

疲劳形成寿命预测方法 10船 王茹娇 080412010035 疲劳裂纹形成寿命的概念 发生疲劳破坏时的载荷循环次数，或从开始受载到发生断裂所经过的时间称 为该材料或构件的疲劳寿命。 疲劳寿命的种类很多。从疲劳损伤的发展看，疲劳寿命可分为裂纹形成和裂 纹扩展两个阶段：结构或材料从受载开始到裂纹达到某一给定的裂纹长度a0为 止的循环次数称为裂纹形成寿命。此后扩展到临界裂纹长度acr 为止的循环次数 称为裂纹扩展寿命，从疲劳寿命预测的角度看，这一给定的裂纹长度与预测所采 用的寿命性能曲线有关。此外还有三阶段和多阶段，疲劳寿命模型等。 疲劳损伤累积理论 疲劳破坏是一个累积损伤的过程。对于等幅交变应力，可用材料的S —N 曲 线来表示在不同应力水平下达到破坏所需要的循环次数。于是，对于给定的应力 水平σ，就可以利用材或零部件的S —N 曲线，确定该零件至破坏时的循环数N ， 亦即可以估算出零件的寿命，但是，在仅受一个应力循环加载的情况下，才可以 直接利用S —N 曲线估算零件的寿命。如果在多个不同应力水平下循环加载就不 能直接利用S —N 曲线来估计寿命了。对于实际零部件，所承受的是一系列循环 载荷，因此还必须借助疲劳累积损伤理论。 损伤的概念是，在疲劳载荷谱作用下材料的改变（包括疲劳裂纹大小的变化， 循环应变硬化或软化以及残余应力的变化等）或材料的损坏程度。疲劳累积损伤 理论的基本假设是：在任何循环应力幅下工作都将产生疲劳损伤，疲劳损伤的严 重程度和该应力幅下工作的循环数有关，与无循环损伤的试样在该应力幅下产生 失效的总循环数有关。而且每个应力幅下产生的损伤是永存的，并且在不同应力 幅下循环工作所产生的累积总损伤等于每一应力水平下损伤之和。当累积总损伤 达到临界值就会产生疲劳失效。目前提出多种疲劳累积损伤理论，应用比较广泛 的主要有以下3种:线性损伤累积理论，修正的线性损伤累积理论和经验损伤累 积理论。 线性损伤累积理论在循环载荷作用下，疲劳损伤是可以线性地累加的，各个 应力之间相互独立和互不相干，当累加的损伤达到某一数值时，试件或构件就发 生疲劳破坏，线性损伤累积理论中典型的是Miner 理论。 根据该理论，假设在应力i σ下材料达到破坏的循环次数为i N ，设D 为最终 断裂时的临界值。根据线性损伤理论，应力i σ每作用一次对材料的损伤为i N D /， 则经过i n 次后，对材料造成的总损伤为i i N D n /。

疲劳寿命设计方法

寿命设计方法 -王光建

目录 …什么是疲劳失效 …无限寿命设计方法 ?S-N曲线(wohler curve)及疲劳极限?基于疲劳极限的评判 ?考虑平均应力的损伤修正…有限寿命设计方法 ?Miner法则(疲劳损伤线性累积) ?雨流计数法?寿命计算…疲劳寿命仿真计算 …疲劳寿命计算的不足

疲劳失效 …疲劳是一种机械损伤过程 …特点: 在这一过程中即使名义应力低于材料屈服强度；破坏前无明显塑性变形，突然发生断裂…本质： ?交变载荷+金属缺陷?金属的循环塑性变形（微观） ?疲劳一般包含裂纹萌生和随后的裂纹扩展两个过程 ?疲劳是损伤的累积 金属内部缺陷微裂纹产生裂纹扩展断裂 （晶体位错） 疲劳发生过程 …疲劳的判断： 金属材料的疲劳断裂口上，有明显的光滑区域与颗粒区域，光滑区域是疲劳断裂区，颗粒区域是脆性断裂区 粗糙的脆性断裂区 光滑的疲劳区 裂纹源

-S-N曲线(Wohler curve)及疲劳极限…S-N曲线是根据材料的疲劳强度实验数据得出的应力和疲劳寿命N的关系曲线 …S-N曲线用于描述材料的疲劳特性 σ S-N curve 1871年，Wohler首先对铁路车轴进行了系统的疲劳研究，发展了S-N曲线及疲劳极限概念

-S-N曲线(Wohler curve)及疲劳极限…疲劳极限：一般规定，循环次数107所对应的最大应力为疲劳极限 σ σ limit S-N curve

-基于疲劳极限的评判 …Alternating stress 作为判断应力 Alternating stress=(σ - σmin)/2 max …判断标准 σAlternating stress<σ limit σσ limit σ √ 2 S-N curve σ × 1

金属疲劳寿命预测

金属疲劳寿命的预测 摘要 当一个金属样品受到循环载荷时，大量的起始裂纹将在它的体内出现。样品形成了有初始裂纹的样本：样品越大，样本也越大。在作者先前的研究中表明，在极值统计的帮助下，通过估计最大预期裂纹深度能够预测疲劳极限。本来表明，在一个类似的方式下，疲劳极限以上的疲劳裂纹萌生时间是可以预测的。用最小的分布可得到最短预期初始时间的预测，代替了用最大分布估计最大裂纹尺寸，并以广泛的实验数据获得了好的赞同。 本文为构件的总的疲劳寿命估计提供了一种新的方法。当得知了预计的裂纹萌生寿命和临界裂纹尺寸时，稳定的裂纹扩展就能通过Paris law计算出来。总的疲劳寿命的估算值是裂纹萌生和裂纹扩展的总和。本文介绍的是：为发现任何一种材料裂纹萌生寿命而相应的构建设计曲线的方法。 1、介绍 估计金属构件疲劳寿命的最古老和最常用的方法是S-N曲线，尽管它的缺点众所周知。其中之一是，因观察试样缺口的光滑程度不同而使得疲劳寿命有很大的不同。有些手册尝试通过为不同的应力值浓度的因素单独设计曲线解决这个问题，如Buch。其被当时看作是避免这一问题的局部应变方法。在这种方法中，提出了无论试样的形状如何，相同的应变振幅总是相同的疲劳寿命。 一个构件的总疲劳寿命可以分为3个阶段：裂纹产生、裂纹稳定扩展和裂纹失稳生长。最后一个阶段很迅速，在估计总的疲劳寿命时可以在实际工作中忽略。利用LEFM可获得裂纹稳定生长的可靠样本。不同几何的应力强度因子和所收录例子的大量的公式都可在文献中找到，并且权函数的使用为扩展这种方法的使用提供了可能性。 用类似LEFM的方式对裂纹初始相位的建模，或裂纹的扩展做了很多的尝试，例如：Miller，Austen，Cameron and Smith。另一种方法是用局部应变方法仅对初始寿命进行估计，然后用LEFM和一个合适的计算机程序完成对总疲劳寿命的计算。 经Makkonen研究表明，统计方法能够用来预测金属构件的疲劳极限。当一个构件受到交变载荷时，大量的微裂纹将在它的内部产生，裂纹的数量取决于试样的大小。运用极值统计法来计算裂纹样品类型中的最大裂纹的估计值成为可

抗疲劳设计

抗疲劳设计 1、疲劳的概念 疲劳是指材料在循环应力和应变作用下，在一处或者几处逐渐产生局部永久性累计损伤，经一定循环次数产生裂纹或者突然发生完全断裂的过程。 2、疲劳破坏失效的特点 金属零件在使用中发生疲劳破坏的特点：（1）突发性；（2）高度局部性；（3）对各种缺陷的敏感性。 3、疲劳破坏机理 金属的疲劳破坏可以分为疲劳裂纹萌生、疲劳裂纹扩展和失稳断裂三个阶段。 （1）疲劳裂纹萌生 疲劳裂纹萌生是由塑形应变集中引起，有三种常见的萌生方式：滑移带开裂，晶界或孪晶界开裂，夹杂物或相与基体的界面开裂。其中，滑移带开裂不但是最常见的疲劳裂纹萌生方式，也是三种萌生方式中最基本的一种。 （2）疲劳裂纹扩展 疲劳裂纹扩展可以分为第Ⅰ阶段裂纹扩展和第Ⅱ阶段裂纹扩展两个阶段。其中，第Ⅰ阶段裂纹扩展在断口上一般并不留下任何痕迹，第Ⅱ阶段裂纹扩展则常留下“条带”的显微特征。 （3）失稳断裂 失稳断裂是疲劳破坏的最终阶段，它与前两个阶段不同，是在一瞬间突然发生的。 4、疲劳破坏的原因 影响机械零件疲劳强度的因素很多，归纳起来可以从内因（材料的化学成分、组织、内部缺陷、材料强韧化、材料的选择及热处理状况等）和外因（零件几何形状及表面状态、装配与连接、使用环境因素、结构设计、载荷特性等）两个方面来考虑。 （1）缺口效应

在机械零件中，由于结构上的要求，一般都存在有槽沟、轴肩、孔、拐角、切口等截面变化，这些截面变化称之为缺口。在这些缺口处，不可避免地要产生应力集中，而应力集中又必然使零件的局部应力提高。当零件承受静载荷时，由于常用的结构材料都是延性材料，有一定的塑形，在破坏以前有一个宏观塑形变形过程，使零件上的应力重新分配，自动趋于均匀化，因此，缺口对零件的静强度一般没有多大的影响。疲劳破坏的情形完全不同，这时截面上的名义应力尚未达到材料的屈服极限，因此破坏以前不产生明显的宏观塑性变形。这样便使得应力集中处的疲劳强度比光滑部分底，常常成为零件的薄弱环节。因此，抗疲劳设计时必须考虑缺口效应。 （2）尺寸效应 式样和零件的尺寸对其疲劳强度影响很大，一般说来，零件和试样的尺寸增大时疲劳强度降低。这种疲劳强度随着零件尺寸增大而降低的现象称为尺寸效应。 （3）表面加工方法的影响 金属切削加工不仅是一个使制件得到一定尺寸和形状的过程，而且与热处理一样，对金属的性质（确切的说，是对于制件表面层的性质）也有重要影响。制件的疲劳强度多由表面层的性质决定，因此，切削用量、切削工具的几何形状等与切削加工有关的因素，都对疲劳强度的发生有影响。 （4）平均应力的影响 拉伸平均应力使疲劳强度和寿命降低，压缩平均应力使疲劳强度和寿命增加。 （5）其它因素的影响 a)加载频率的影响低频使疲劳极限降低，高频使疲劳极限升高； b)应力波形的影响循环的波形（正玄、三角形、梯形、矩形等）确定 了在最大应力下停留时间。在高温与腐蚀介质条件下循环波形有较 大影响。滞后回线特性与循环波形密切相关，因此，在应变伏较大 的情况下，循环波形对裂纹形成寿命有很大影响，而对裂纹扩展寿 命影响很小。在焊接试验时，由三角波变为方波，使寿命明显降低。 c)中间停歇的影响1>中间停歇对疲劳极限没有明显的影响；2>中间 停歇对疲劳寿命有一定影响，其影响随材料而异。对低碳钢影响较 大，每隔10%N停歇6-8个小时可使疲劳寿命提高一倍以上；而对 于合金钢、铝合金、镁、铜等金属，则影响很小，停歇越频繁，停 歇时间越长，对疲劳寿命的影响越大。停歇时若对试样进行中间加

疲劳分析流程fatigue

摘要：疲劳破坏是结构的主要失效形式，疲劳失效研究在结构安全分析中扮演着举足轻重的角色。因此结构的疲劳强度和疲劳寿命是其强度和可靠性研究的主要内容之一。机车车辆结构的疲劳设计必须服从一定的疲劳机理,并在系统结构的可靠性安全设计中考虑复合的疲劳设计技术的应用。国内的机车车辆主要结构部件的疲劳寿命评估和分析采用复合的疲劳设计技术，国外从疲劳寿命的理论计算和疲劳试验两个方面在疲劳研究和应用领域有很多新发展的理论方法和技术手段。不论国内国外，一批人几十年如一日致力于疲劳的研究，对疲劳问题研究贡献颇多。 关键词：疲劳UIC标准疲劳载荷IIW标准S-N曲线机车车辆 一、国内外轨道车辆的疲劳研究现状 6月30日15时，备受关注的京沪高铁正式开通运营。作为新中国成立以来一次建设里程最长、投资最大、标准最高的高速铁路，京沪高铁贯通“三市四省”，串起京沪“经济走廊”。京沪高铁的开通，不仅乘客可以享受到便捷与实惠，沿线城市也需面对高铁带来的机遇和挑战。在享受这些待遇的同时，专家指出，各省市要想从中分得一杯羹，配套设施建设以及机车车辆的安全性绝对不容忽略。根据机车车辆的现代设计方法，对结构在要求做到尽可能轻量化的同时，也要求具备高度可靠性和足够的安全性。这两者之间常常出现矛盾，因此，如何准确研究其关键结构部件在运行中的使用寿命以及如何进行结构的抗疲劳设计是结构强度寿命预测领域研究中的前沿课题。 在随机动载作用下的结构疲劳设计更是成为当前机车车辆结构疲劳设计的研究重点，而如何预测关键结构和部件的疲劳寿命又是未来机车车辆结构疲劳设计的重要发展方向之一。机车车辆承受的外部载荷大部分是随时间而变化的循环随机载荷。在这种随机动载荷的作用下，机车车辆的许多构件都产生动态应力，引起疲劳损伤，而损伤累积后的结构破坏的形式经常是疲劳裂纹的萌生和最终结构的断裂破坏。随着国内铁路运行速度的不断提高，一些关键结构部件，如转向架的构架、牵引拉杆等都出现了一些断裂事故。因此，机车车辆的结构疲劳设计已经逐渐成为机车车辆新产品开发前期的必要过程之一，而通过有效的计算方法预测结构的疲劳寿命是结构设计的重要目标。 国外 早在十九世纪后期德国工程师Wohler系统论述了疲劳寿命和循环应力的关系并提出了S-N

疲劳强度设计

疲劳强度设计 对承受循环应力的零件和构件，根据疲劳强度理论和疲劳试验数据，决定其合理的结构和尺寸的机械设计方法。机械零件和构件对疲劳破坏的抗力，称为零件和构件的疲劳强度。疲劳强度由零件的局部应力状态和该处的材料性能确定，所以疲劳强度设计是以零件最弱区为依据的。通过改进零件的形状以降低峰值应力，或在最弱区的表面层采用强化工艺，就能显著地提高其疲劳强度。在材料的疲劳现象未被认识之前，机械设计只考虑静强度，而不考虑应力变化对零件寿命的影响。这样设计出来的机械产品经常在运行一段时期后，经过一定次数的应力变化循环而产生疲劳，致使突然发生脆性断裂，造成灾难性事故。应用疲劳强度设计能保证机械在给定的寿命内安全运行。疲劳强度设计方法有常规疲劳强度设计、损伤容限设计和疲劳强度可靠性设计。 简史19世纪40年代，随着铁路的发展，机车车轴的疲劳破坏成为非常严重的问题。1867年，德国A.沃勒在巴黎博览会上展出了他用旋转弯曲试验获得车轴疲劳试验结果，把疲劳与应力联系起来，提出了疲劳极限的概念，为常规疲劳设计奠定了基础。 20世纪40年代以前的常规疲劳强度设计只考虑无限寿命设计。第二次世界大战中及战后，通过对当时发生的许多疲劳破坏事故的调查分析，逐渐形成了现代的常规疲劳强度设计，它非但提高了无限寿命设计的计算精确度,而且可以按给定的有限寿命来设计零件,有限寿命设计的理论基础是线性损伤积累理论。早在1924年，德国 A.帕姆格伦在估算滚动轴承寿命时，曾假定轴承材料受到的疲劳损伤的积累与轴承转动次数（等于载荷的循环次数）成线性关系，即两者之间的关系可以用一次方程式来表示。1945年，美国M.A.迈因纳根据更多的资料和数据,明确提出了线性损伤积累理论，也称帕姆格伦-迈因纳定理。 随着断裂力学的发展，美国A.K.黑德于1953年提出了疲劳裂纹扩展的理论。1957年，美国P.C.帕里斯提出了疲劳裂纹扩展速率的半经验公式。1967年，美国R.G.福尔曼等又对此提出考虑平均应力影响的修正公式。这些工作使人们有可能计算带裂纹零件的剩余寿命，并加以具体应用，形成了损伤容限设计。 用概率统计方法处理疲劳试验数据，是20世纪20年代开始的。60年代后期，可靠性设计从电子产品发展到机械产品，于是在航天、航空工业的先导下，开始了可靠性理论在疲劳强度设计中的应用。 1961年联邦德国H.诺伊贝尔提出的关于缺口件中名义应力-应变与局部应力-应变之间的关系，称为诺伊贝尔公式。1968年加拿大R.M.韦策尔在诺伊贝尔公式的基础上，提出了估算零件裂纹形成寿命的方法，即局部应力-应变法，在疲劳强度设计中得到了应用和发展。 常规疲劳强度设计假设材料没有初始裂纹，经过一定的应力循环后，由于疲劳损伤的积累，才形成裂纹，裂纹在应力循环下继续扩展，直至发生全截面脆性断裂。裂纹形成前的应力循环数，称为无裂纹寿命；裂纹形成后直到疲劳断裂的应力循环数，称为裂纹扩展寿命。零件总寿命为两者之和。 根据零件所用材料的试样的疲劳试验结果，以最大应力为纵坐标、以达到疲劳破坏的循环数N为横坐标，画出一组试样在某一循环特征下的应力-

公路钢桥抗疲劳设计概述

公路钢桥抗疲劳设计概述 摘要：基于疲劳与断裂是钢构件失效的最可能原因，应对疲劳设计给于相当的重视。本文对我国公路桥梁疲劳设计问题进行了简述，并对国外规范进行了总结。提出了我国疲劳验算的缺陷和制定与完善公路钢桥疲劳规范的迫切性。 关键词：公路钢桥；疲劳设计；荷载模型 abstractbased on fatigue and fracture is the most likely reason in failure of steel members. this paper, resumed the design of highway bridge fatigue problems in our country, and summarized foreign standard. puts forward the defects of fatigue calculation in our country and the urgency to formulate and perfect highway steel bridge fatigue specification. key words: highway steel bridge; fatigue design; load model 中图分类号：u448.14文献标识码： a 文章编号： 1疲劳研究的必要性 公路钢桥的疲劳是指在车辆荷载的反复作用下构件在低于钢材 屈服强度的情况下发生的脆性破坏。[1]钢结构构件最常遇到三种破坏形式：拉构件强度破坏、压构件失稳破坏、反复拉压构件疲劳断裂。其中疲劳与断裂是钢构件失效的最可能原因。据美国1982 统计结果，80%-90%钢桥的破坏与疲劳断裂有关，1967年美国西弗吉利亚州的point pleasant大桥在没有任何征兆的情况下突然倒

第6章结构件及连接的疲劳强度计算原理分解

148 第6章 结构件及连接的疲劳强度 随着社会生产力的发展，起重机械的应用越来越频繁，对起重机械的工作级别要求越来越高。《起重机设计规范》GB/T 3811-2008规定，应计算构件及连接的抗疲劳强度。对于结构疲劳强度计算，常采用应力比法和应力幅法，本章仅介绍起重机械常用的应力比法。 6.1 循环作用的载荷和应力 起重机的作业是循环往复的，其钢结构或连接必然承受循环交变作用的载荷，在结构或连接中产生的应力是变幅循环应力，如图6-1所示。 起重机的一个工作循环中，结构或连接中某点的循环应力也是变幅循环应力。起重机工作过程中每个工作循环中应力的变化都是随机的，难以用实验的方法确定其构件或连接的抗疲劳强度。然而，其结构或连接在等应力比的变幅循环或等幅应力循环作用下的疲劳强度是可以用实验的方法确定的，对于起重机构件或连接的疲劳强度可以用循环记数法计算出整个 循环应力中的各应力循环参数，将其转化为等应力比的变幅循环应力或转化为等平均应力的等幅循环应力。最后，采用累积损伤理论来计算构件或连接的抗疲劳强度。 6.1.1 循环应力的特征参数 (1) 最大应力 一个循环中峰值和谷值两极值应力中绝对值最大的应力，用max σ表示。 (2) 最小应力 一个循环中峰值和谷值两极值应力中绝对值最小的应力，用min σ表示。 (3) 整个工作循环中最大应力值 构件或连接整个工作循环中最大应力的数值，用max ?σ 表示。 (4) 应力循环特性值 一个循环中最小应力与最大应力的比值，用min max r σσ=表示。 (5) 循环应力的应力幅 一个循环中最大的应力与最小的应力的差的绝对值，用σ?表示。

细解Ansys疲劳寿命分析

细解Ansys疲劳寿命分析 2013-08-29 17:16 by:有限元来源:广州有道有限元 ANSYS Workbench 疲劳分析 本章将介绍疲劳模块拓展功能的使用: –使用者要先学习第4章线性静态结构分析. ?在这部分中将包括以下内容: –疲劳概述 –恒定振幅下的通用疲劳程序，比例载荷情况 –变振幅下的疲劳程序,比例载荷情况 –恒定振幅下的疲劳程序，非比例载荷情况 ?上述功能适用于ANSYS DesignSpacelicenses和附带疲劳模块的更高级的licenses. A. 疲劳概述 ?结构失效的一个常见原因是疲劳,其造成破坏与重复加载有关 ?疲劳通常分为两类: –高周疲劳是当载荷的循环（重复）次数高(如1e4 -1e9)的情况下产生的. 因此，应力通常比材料的极限强度低. 应力疲劳（Stress-based）用于高周疲劳. –低周疲劳是在循环次数相对较低时发生的。塑性变形常常伴随低周疲劳，其阐明了短疲劳寿命。一般认为应变疲劳（strain-based）应该用于低周疲劳计算. ?在设计仿真中, 疲劳模块拓展程序（Fatigue Module add-on）采用的是基于应力疲劳（stress-based）理论，它适用于高周疲劳. 接下来，我们将对基于应力疲劳理论的处理方法进行讨论. …恒定振幅载荷 ?在前面曾提到, 疲劳是由于重复加载引起: –当最大和最小的应力水平恒定时, 称为恒定振幅载荷. 我们将针对这种最简单的形式，首先进行讨论. –否则，则称为变化振幅或非恒定振幅载荷

…成比例载荷 ?载荷可以是比例载荷, 也可以非比例载荷:–比例载荷, 是指主应力的比例是恒定的,并且主应力的削减不随时间变化. 这实质意味着由于载荷的增加或反作用的造成的响应很容易得到计算.–相反, 非比例载荷没有隐含各应力之间相互的关系,典型情况包括:?在两个不同载荷工况间的交替变化?交变载荷叠加在静载荷上?非线性边界条件

抗疲劳设计

抗疲劳设计 邢兴钟华锋

目录 ◆简介 ◆1.什么是金属疲劳？ ◆2.金属疲劳的分类 ◆3.金属疲劳破坏机理（为什么会产生金属疲劳？）◆4.怎样确定疲劳强度？（疲劳寿命计算方法） ◆5.轴的抗疲劳设计(典型设计） ◆6.有限元进行抗疲劳设计 ◆7.国内外形势与期望

连发生了两起坠毁事故，这使得“金属疲劳”一词出现在新闻头条中，引起公众持久的关注。这种飞机也是第一批使用增压舱的飞行器，采用的是方形窗口。 增压效应和循环飞行载荷的联合作用导致窗角出现裂纹，随着时间的推移，这些裂纹逐渐变宽，最后导致机舱解体。Comet空难夺去了68人的生命，这场悲剧 无时无刻不在提醒着工程师创建安全、坚固的设计。◆1998年6月3日，德国一列高速列车在行驶中突然出轨， 造成100多人遇难身亡的严重后果。事后经过调查， 人们发现，造成事故的原因竟然是因为一节车厢的车轮内部疲劳断裂而引起。从而导致了这场近50年来德 国最惨重铁路事故的发生。

◆人们所见到的金属，看起来熠光闪闪、铮 铮筋骨，被广泛用来制作机器、兵刃、舰船、飞机等等。其实，金属也有它的短处。在各种外力的反复作用下，可以产生疲劳状态，而且，一旦产生疲劳就会因不能得到恢复而造成十分严重的后果。实践证明，金属疲劳已经是十分普遍的现象。据150多年来的统计，金属部件中有80％以上的损坏是由于疲劳而引起的。在人们的日常生活中，也同样会发生金属疲劳带来危害的现象。一辆正在马路上行走的自行车突然前叉折断，造成车翻人伤的后果。炒菜时铝铲折断、挖地时铁锨断裂、刨地时铁镐从中一分为二等现象更是屡见不鲜。

◆为什么金属疲劳时会产生破坏作用呢？这是因为金属内部结构并不均匀，从而造成应力传递的不平衡，有的地方会成为应力集中区。与此同时，金属内部的缺陷处还存在许多微小的裂纹。在力的持续作用下，裂纹会越来越大，材料中能够传递应力部分越来越少，直至剩余部分不能继续传递负载时，金属构件就会全部毁坏。

某商用车白车身结构疲劳寿命分析与优化设计

某商用车白车身结构疲劳寿命分析与优化设计 李明1李源2陈斌3 （1湖南工业大学机械工程学院，湖南株洲，412008；2国防科学技术大学指挥军官基础教育学院，湖南长沙，410072；3 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南长沙，410082） 摘要：本文基于应力分析结果，采用有效的疲劳寿命预估方法，利用专业耐久性疲劳寿命分析系统MSC．Fatigue对该型商用车白车身进行S-N全寿命分析，得其疲劳寿命分布与危险点的寿命值。采用 结构优化、合理选材等方法，提高白车身结构的疲劳寿命。 关键词：白车身；有限元；静态分析；疲劳寿命分析；优化 Body-in-white Fatigue Analysis and Optimization Design of the Commercial Vehicle LI Ming1, LI Yuan2, CHEN Bin3 （1 School of Mechanical Engineering , Hunan University of Technology, Zhuzhou, Hunan 412008, China; 2 College of Basic Education for Officers, National University of Defense Technology, Changsha, Hunan 410072, China；3 State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body, Hunan University, Changsha, Hunan 410082,China） Abstract:Based on the results of stress analysis, this paper took the effective way of the fatigue life estimating, used the professional durability fatigue life analysis system MSC. Fatigue, and the S-N life-cycle analysis of the certain type of commercial vehicle body-in-white finite element model, got the distribution of fatigue life and the fatigue life value of the danger points. Finally, by the structural optimization and material selection, writer improved the fatigue life of white body structure. Keywords: B ody-in-white structure, FEM, Static analysis, Fatigue lifetime analysis; Optimization 0 前言 在车身结构疲劳领域的国内研究中，1994年，江苏理工大学陈龙在建立了车辆驾驶室疲劳强度计算的力学和数学模型基础上，提出了车辆驾驶室疲劳强度研究方法[1]。2001 年，清华大学孙凌玉[2]等首次计算机模拟了汽车随机振动过程。2002年，上海汇众汽车制造有限公司王成龙[3]等应用FATIGUE 软件的分析，结合疲劳台架试验，探讨了疲劳强度理论在汽车产品零部件疲劳寿命计算中的应用，提出了提高零部件疲劳强度的方法。2004年，同济大学汽车学院靳晓雄[4]等人提到进行零部件疲劳寿命预估，

细解Ansys疲劳寿命分析

细解Ansys疲劳寿命分析 ANSYS Workbench 疲劳分析 本章将介绍疲劳模块拓展功能的使用: –使用者要先学习第4章线性静态结构分析. ?在这部分中将包括以下内容: –疲劳概述 –恒定振幅下的通用疲劳程序，比例载荷情况 –变振幅下的疲劳程序,比例载荷情况 –恒定振幅下的疲劳程序，非比例载荷情况 ?上述功能适用于ANSYS DesignSpacelicenses和附带疲劳模块的更高级的licenses. A. 疲劳概述 ?结构失效的一个常见原因是疲劳,其造成破坏与重复加载有关 ?疲劳通常分为两类: –高周疲劳是当载荷的循环（重复）次数高(如1e4 -1e9)的情况下产生的. 因此，应力通常比材料的极限强度低. 应力疲劳（Stress-based）用于高周疲劳. –低周疲劳是在循环次数相对较低时发生的。塑性变形常常伴随低周疲劳，其阐明了短疲劳寿命。一般认为应变疲劳（strain-based）应该用于低周疲劳计算. ?在设计仿真中, 疲劳模块拓展程序（Fatigue Module add-on）采用的是基于应力疲劳（stress-based）理论，它适用于高周疲劳. 接下来，我们将对基于应力疲劳理论的处理方法进行讨论. …恒定振幅载荷 ?在前面曾提到, 疲劳是由于重复加载引起: –当最大和最小的应力水平恒定时, 称为恒定振幅载荷. 我们将针对这种最简单的形式，首先进行讨论. –否则，则称为变化振幅或非恒定振幅载荷

…成比例载荷 ?载荷可以是比例载荷, 也可以非比例载荷:–比例载荷, 是指主应力的比例是恒定的,并且主应力的削减不随时间变化. 这实质意味着由于载荷的增加或反作用的造成的响应很容易得到计算.–相反, 非比例载荷没有隐含各应力之间相互的关系,典型情况包括:?在两个不同载荷工况间的交替变化?交变载荷叠加在静载荷上?非线性边界条件

焊接结构抗疲劳优化设计方法及应用

第２９卷第６期焊接学报ｖ０１．２９Ｎｏ．６２００８年６月ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳＯＦＴＨＥＣｍＮＡⅥ砸ＬＤＩＮＧＩＮＳ呷『ｒ兀ＯＮＪｕｎｅ２００８焊接结构抗疲劳优化设计方法及应用 丁彦闯，兆文忠 （大连交通大学机械工程学院，辽宁大连１１６０２８） 摘要：焊接结构的破坏往往表现为焊接接头的疲劳破坏，提出考虑焊接接头疲劳损 伤约束的焊接结构抗疲劳优化设计方法。根据国际焊接学会（Ⅱｗ）的焊接接头与部件 疲劳设计评估标准，基于Ｍｉｎｅｒ累积损伤理论，提出虚拟疲劳试验技术预测焊接接头的 累积损伤，以焊接接头的累积损伤为约束进行抗疲劳设计，采用基于试验设计的近似模 型优化策略提高计算效率。采用此方法对某焊接构架进行了抗疲劳轻量化设计，选取 １０个设计变量，进行１２０次试验设计创建“ｇｉｎｇ近似模型，在近似模型上应用序列二 次规划算法进行优化设计，在结构尺寸、应力及给定焊接接头累积损伤约束下，构架重 量减轻１１．６％。此方法为设计过程中保证焊接结构的疲劳可靠性提供了一种新途径。 关键词：焊接结构；疲劳损伤；优化设计；虚拟疲劳试验；近似模型 中图分类号：’Ｉ℃４０５文献标识码：Ａ文章编号：０２５３—３６０ｘ（２００８）嘶一００２９～０４丁彦闯 Ｏ序言 焊接是一种重要的连接方式，轻量化结构多采用焊接形式。焊接结构在交变载荷作用下的破坏往往表现为焊缝的疲劳破坏，焊缝的疲劳破坏是损伤累积的过程…，因此焊接结构的抗疲劳设计必须充分考虑焊接接头的细节品质。对于焊缝局部区域可采用焊后打磨等工艺措施消除应力集中，提高疲劳寿命１２１；对于复杂的焊接结构还需进行结构优化设计，降低焊缝区域的整体应力水平，保证疲劳寿命。复杂结构的优化设计一般需采用有限元法进行，在考虑焊接接头细节的情况下，计算模型更加复杂，计算量大，耗时较长，以有限元疲劳分析结果为基础的优化设计将很难开展。为了提高优化分析的效率，可采用近似模型替代复杂、耗时的有限元分析，并在近似模型上进行优化设计旧ｊ。 作者提出考虑焊接接头疲劳损伤约束的焊接结构抗疲劳优化设计方法。在结构优化模型中增加焊接接头的累积损伤约束，创建焊接结构抗疲劳优化模型；根据国际焊接学会（１１ｗ）的焊接接头与部件疲劳设计评估标准，基于Ｍｉｎｅｒ累积损伤理论，提出焊接结构虚拟疲劳试验技术预测焊接接头的疲劳累积损伤；对优化模型进行基于试验设计的近似建模提高优化效率。并结合焊接构架的工程实例应用验证了此方法的可行性。 １焊接结构抗疲劳优化模型 在结构优化设计的约束条件中加入焊接接头的累积损伤约束来保证疲劳寿命，则复杂焊接结构的抗疲劳优化设计模型可表示为 求Ｘ＝｛石ｌ，ｚ２，…，ｚ。｝Ｔ 使形（Ｘ）一ｍｉｎ 满足毋（ｘ）≤０，／＝１，２，…，ｇ ｋ（Ｘ）＝０，后＝１，２，…，Ｚ 啡（ｘ）≤ｑ，ｐ＝１，２，…，＾ 戈ｉｍｉｎ≤石ｉ≤ｚｉ眦 式中：结构参数．）｜ｆ＝｛戈１，戈２，…，ｚ。｝Ｔ为设计变量；结构性能形（ｘ）（如结构重量等）为优化目标；ｇ，（ｘ）为不等式约束函数；饥（ｘ）为等式约束函数；口为不等式约束个数；Ｚ为等式约束个数；危为累积损伤约束的焊接接头个数；戈ｉＩＴＩｉ。和戈ｉ一为设计变量下界及上界，常规约束条件可以是强度约束、刚度约束、动态特性约束以及几何约束等；仇（ｘ）为焊接接头的累积损伤；ｃ。为常数取Ｏ．５—１，可根据焊接接头的重要程度进行选取。 ２焊接结构虚拟疲劳试验 收稿日期：２００８一Ｏｌ一０８ 基金项占：国家８６３高技术研究发展计划项目（２００６ＡＡ０４２１６０） 焊接接头的累积损伤由结构承受的交变载荷造

船体典型结构节点抗疲劳设计研究

船体典型结构节点抗疲劳设计研究 发表时间：2019-07-29T17:12:38.860Z 来源：《防护工程》2019年8期作者：钱靓樊荣超周峰 [导读] 本文简要分析了影响焊接接头疲劳强度的几种因素，并提出了提高结构抗疲劳性能的工艺方法，可供有关方面参考。 新大洋造船有限公司江苏扬州 225107 摘要：长期以来，船体结构的疲劳问题一直是船舶设计工作者十分关注的问题，特别是由于高强度钢在船体结构中的广泛使用，疲劳问题变得更加突出。本文简要分析了影响焊接接头疲劳强度的几种因素，并提出了提高结构抗疲劳性能的工艺方法，可供有关方面参考。 关键词：疲劳设计；工艺方法；因素；船体结构 1前言 随着船舶大型化的发展，船舶结构的疲劳强度已成为确保船体结构安全的重要问题，越来越受到国际航运及造船界的普遍重视。由于船体结构疲劳所产生的裂纹，破坏到一定程度对整个船舶将产生灾难性的后果，对船员人命安全及物质财产产生重大损失，但疲劳裂纹的产生又具有很强的突发性和隐蔽性，极难发现。因此在船舶设计阶段就应认真考虑船体结构的疲劳强度，船舶结构疲劳强度评估的重要性不言而喻。 另外，船舶节点的抗疲劳设计是当代船舶设计核心技术之一，是从设计源头提高船舶使用寿命的重要手段。本文从影响焊接接头疲劳强度的因素、提高抗疲劳性能的节点设计方法和工艺方法等方面，对船舶节点的抗疲劳设计展开讨论。若把分析结论运用于设计实践，可为今后更好的进行结构抗疲劳设计提供理论基础，对提高新船的结构设计水平具有一定参考意义。 2影响焊接接头疲劳强度的因素 船舶结构节点多为焊接接头，焊接接头的疲劳强度主要决定于焊缝型式和焊接工艺。在相同的焊接工艺下，焊缝型式（如：对接接头、搭接接头、丁字接头、十字接头等）不同，焊接接头的疲劳强度不相同；同样，焊缝型式相同时，采用不同的焊接工艺（如：手工电弧焊、CO2气体保护焊、埋弧自动焊等），疲劳强度也会不相同。在实际的船舶设计和施工过程中，影响焊接接头疲劳强度的因素众多，主要有：应力集中、表面加工、焊接残余应力、焊接缺陷、尺寸因素等。 2.1应力集中和表面加工的影响 应力集中和焊接残余应力是影响焊接接头疲劳强度的两大主要因素。试验表明，焊缝的凸出部是应力集中源，如果焊后不经机械加工，将使其疲劳强度大大降低。降低凸出部高度h，增大凸出部与轴线交角θ和过渡圆角半径r，将使疲劳强度增加。使用机械加工方法将凸出部切除，应力集中可大大减小，对接接头的疲劳极限可提高30%-70%。对接头的整个表面进行打磨，可使母体金属和接头的疲劳极限再提高30%左右。但当焊缝有严重缺陷或未焊透时，其缺陷或未焊透处的应力集中要比焊缝表面的应力集中严重得多，这时对焊缝表面进行机械加工是毫无意义的。 另外，不同的焊缝型式，应力集中的程度不同：搭接接头的应力集中比对接接头严重，疲劳强度也有所降低；对于丁字接头和十字接头，由于焊缝向基体金属过渡处有明显的截面变化，其应力集中系数远比对接接头高，因此疲劳强度也远比对接接头低。提高丁字接头和十字接头疲劳强度的根本措施是：开破口焊接使完全焊透和使焊缝向基体金属光滑过渡。 2.2焊接残余应力 焊接过程中常常产生拉伸残余应力，其值往往能达到材料的屈服点。拉伸残余应力相当于增加一个拉伸平均应力，从而使其疲劳极限降低。为了消除焊接残余应力，有时将焊接件进行退火或回火，这对焊接件的疲劳极限有双重影响。消除残余应力能使疲劳极限提高，但同时又使焊缝附近区域的金属软化，从而使疲劳极限降低。退火的最终的效果取决于两种因素的综合作用。另外，喷丸处理和锤击是提高焊接接头疲劳强度的有效手段。 2.3焊接缺陷 当母材或焊材质量差或焊接质量不高时，在焊接接头中可能产生各种缺陷，如冷裂缝、热裂缝、未焊透、气孔和夹渣等，这些缺陷能造成严重的应力集中，而大大降低其疲劳强度。一般来说，焊接缺陷对疲劳强度的影响，与缺陷的种类、尺寸、方向和位置等很多因素有关。 2.4尺寸因素： 对于同一应力范围，随着构件厚度增加，接头的抗疲劳强度可能会降低。这种效应的产生是因为与邻近板厚度有关的焊趾的局部几何形状和厚度上的应力梯度变化。因此，基本设计S-N曲线适用于不超过基准厚度22mm的厚度。对净厚度大于22mm的构件，接头构件的S-N曲线应进行修正。 3提高结构抗疲劳性能的工艺方法 下面以双壳油轮的甲板横向强框架的大肘板趾部、内底板与底边舱斜板相交处、横舱壁与内壳相交处、底边舱斜板与内壳相交处、纵舱壁的垂直桁与内底连接处、横舱壁的水平桁与内壳连接处等6个部位为例，说明提升结构抗疲劳性能的工艺方法。 3.1规定的工艺方法 设计阶段，确定节点规范要求的疲劳寿命时，不考虑趾部打磨的优点。但是在采用所有设计方法后，如：增加局部厚度、延伸焊脚长度、修改局部几何形状等，结构的疲劳寿命仍然不能满足要求，可以考虑采用此方法。计算出的疲劳寿命应大于17年，且不考虑打磨效果。采用打磨方式时，结构细节的打磨标准应该包含打磨范围、光洁度、最终的焊缝形状、打磨工艺和采用的质量标准等。打磨最好采用旋转式砂轮，将打磨范围扩展到板面以下，以便消除焊趾缺陷的影响，并对打磨区域进行有效的腐蚀保护。这种处理方法是在焊趾处形成一个光滑的凹面，并将任何可见的切口打磨至其底部以下至少0.5mm。通常，产生凹面的深度应尽可能小，其深度最大为1mm。如能遵循以上的打磨建议，则可认为寿命最大提高至2倍。 3.2提高疲劳性能的工艺措施 （1）改善焊缝形状：如：打磨焊缝表面、打磨焊缝在焊趾处的圆角、采用TIG技术和等离子覆盖技术等；（2）减少焊接残余应力：如敲击（含锤击、针状敲击等）、热处理以减轻应力、改变应力性质等；（3）改善焊接接头的环境条件：涂油漆和树脂涂料等。