[1]. 李振兴, 5T悬挂吊车作用下焊接球网架结构的理论疲劳栽荷谱编制, 2014, 太原理工大学. 疲劳寿命计是结构承载过程中理想的疲劳状态监测元件,其电阻产生的不可逆变化反映了结构的疲劳加载历程。首先比较分析了普通应变片和疲劳寿命计在实际应用中的优劣,然后在采用恒幅加载实验研究其基本测试性能的基础上,通过多级加载实验进一步证实了疲劳寿命计电阻响应规律的正确性,由此研究 分析了桥梁等大型结构在实际的瑞利分布载荷作用下的疲劳加载历程,并对其 使用寿命和剩余寿命进行预测。 [1]. 罗艳利, 胡明敏与方义庆, 基于疲劳寿命计的桥梁载荷谱识别研究. 理化检验(物理分册), 2005(08): 第387-390页. 疲劳寿命计是结构承载过程中理想的疲劳状态监测元件,其电阻产生的不 可逆变化反映了结构的疲劳加载历程。首先比较分析了普通应变片和疲劳寿命计在实际应用中的优劣,然后在采用恒幅加载实验研究其基本测试性能的基础上,通过多级加载实验进一步证实了疲劳寿命计电阻响应规律的正确性,由此研究分析了桥梁等大型结构在实际的瑞利分布载荷作用下的疲劳加载历程,并对 其使用寿命和剩余寿命进行预测。 [1]. 孙乐与胡明敏, 基于数字疲劳传感器的桥梁载荷谱研究. 江苏航空, 2008(S1): 第91-93页. 数字疲劳传感器是一种电阻响应传感器,其核心元件疲劳计是由特殊退火处理康铜材料制成的,具有不逆电阻疲劳载荷响应的特性,在交变载荷作用下该传感器产生不可逆电阻改变,而且电阻的变化可以反映结构疲劳加载历程,是一种理想的结构状态监测装置。本文首先阐述了其基本特性和工作原理,然后根据桥梁载荷谱的瑞利分布特点,设计了双疲劳计响应载荷谱测定方法,得到疲劳传感器电阻变化与桥梁瑞利载荷谱的对应关系。最后介绍了基于该传感器的疲劳载荷监测系统和在东海大桥监测应用情况。 [1]. 陈景杰, 黄一与李玉刚, 考虑疲劳载荷相互影响的修正的Miner准则研究. 中国造船, 2014(03): 第36-42页. 基于疲劳加载过程中材料的疲劳极限由于损伤的出现而呈现逐渐下降的规律,提出了关于疲劳损伤计算的修正的Miner准则。在该方法中,引进一个参数来不断修正损伤过程中试件的S-N曲线,推导受损试件的疲劳极限与初始试件的疲劳极限之间的关系,使载荷间的相互作用及载荷加载顺序对材料累积损伤的影响得到考虑。通过对两个不同加载方式的疲劳试验的计算和误差比较,验证了该方法比传统的Miner准则具有更高的计算精度。同时,根据其中一种加载方式的疲劳实验数据模拟多种随机载荷谱,利用修正的Miner准则法进行计算,得知随机载荷下的疲劳寿命更接近试件的实际寿命,进一步证明该方法的正确性,从而拓展了该方法的使用范围。 [1].李宇, 螺栓球网架结构设置10T悬挂吊车时其吊点疲劳载荷谱的理论编制, 2014, 太原理工大学.
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
第3章疲劳载荷及分析理论 (1) 3.1 疲劳载荷谱 (1) 3.1.1 疲劳载荷谱及其编谱 (1) 3.1.2 统计分析方法 (2) 3.2 疲劳累积损伤理论 (3) 3.2.1 概述 (3) 3.2.2 线性累积损伤理论 (4) 3.3起重机疲劳计算常用方法 (5) 3.3.1 应力比法 (6) 3.3.2 应力幅法 (6) 3.4 疲劳寿命设计方法 (7) 3.4.1无限寿命设计 (7) 3.4.2 安全寿命设计 (8) 3.4.3 损伤容限设计 (8) 3.4.4 概率疲劳设计 (9) 3.4 小结 (10) 第3章疲劳载荷及分析理论 疲劳载荷谱(fatigue load spectrum)是建立疲劳设计方法的基础。根据研究对象的不同，施加在对象上的疲劳载荷也是不同的，所以在应用时要依据某种统计分析方法和理论进行分析。 3.1 疲劳载荷谱 3.1.1 疲劳载荷谱及其编谱 载荷分为静载荷和动载荷两大类。动载荷又分为周期载荷、非周期载荷和冲击载荷。周期载荷和非周期载荷可统称为疲劳载荷。在很多情况下，作用在结构或机械上的载荷是随时间变化的，这种加载过程称为载荷—时间历程。由于随机载荷的不确定性，这种谱无法直接使用，必须对其进行统计处理。处理
后的载荷—时间—历程称为载荷谱。载荷谱是具有统计特性的图形，它能本质地反映零件的载荷变化情况[]。为了估算结构的使用寿命和进行疲劳可靠性分析，以及为最后设计阶段所必需的全尺寸结构和零部件疲劳试验，都必须有反映真实工作状态的疲劳载荷谱。 实测的应力—时间历程包含了外加载荷和结构的动态响应的影响，它不仅受结构系统的影响，而且也受应力—时间历程的观测部位的影响。将实测的载荷—时间历程处理成具有代表性的典型载荷谱的过程称为编谱。编谱的重要一环，是用统计理论来处理所获得的实测子样[]。 3.1.2 统计分析方法 对于随机载荷，统计分析方法主要有两类：计数法和功率谱法[]。由于产生疲劳损伤的主要原因是循环次数和应力幅值，因此在编谱时首先必须遵循某一等效损伤原则，将随机的应力—时间历程简化为一系列不同幅值的全循环和半循环，这一简化的过程叫做计数法。功率谱法是借助富氏变换，将连续变化的随机载荷分解为无限多个具有各种频率的简单变化，得出功率谱密度函数。在抗疲劳设计中广泛使用计数法。 目前，已有的计算法有十余种之多，同一应力—时间历程用不同计数法编制出的载荷谱有时会差别很大。当然，按照这些载荷谱来进行寿命估算或试验，也会给出不同的结果。从统计观点上看，计数法大体分为两类：单参数法和双参数法[]。 所谓单参数法是指只考虑应力循环中的一个变量，例如，峰谷值、变程（相邻的峰值与谷值之差），而双参数法则同时考虑两个变量。由于交变载荷本身固有的特性，对任一应力循环，总需要用两个参数来表示。其代表是雨流计数法。 雨流计数法是目前在疲劳设计和疲劳试验中用的最广泛的一种计数方法，是对随机信号进行计数的一种方法的一种。雨流计数法与变程对—均值计数法一样具有比较严格的力学基础，计数结果介于峰值法和变程法之间，提供比较符合实际的数据。雨流法是建立在对封闭的应力—应变迟滞回线逐个计数的基础上，它认为塑性的存在是疲劳损伤的必要条件，从疲劳观点上看它比较能够反映随机载荷的全过程。由载荷—时间历程得到的应力—应变迟滞回线与造成的疲劳损伤是等效的[]。
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 /。
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。 1.1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 曲线和疲劳极限的概念以来，国内外疲劳领域的研究已经产生了大量新的研究方法和研究成果。 结构疲劳设计中主要有两方面的问题：一是用一定材料制成的构件的疲劳寿命曲线；二是结构件的工作应力谱，也就是载荷谱。载荷谱包括外部的载荷及动态特性对结构的影响。根据疲劳寿命曲线和工作应力谱的关系，有3种设计概念：静态设计(仅考虑静强度)；工作应力须低于疲劳寿命曲线的疲劳耐久限设计；根据工作强度设计，即运用实际使用条件下的载荷谱。实际载荷因为受到车辆等诸多因素的影响而有相当大的离散性，它严重地影响了载荷谱的最大应力幅值、分布函数及全部循环数。为了对疲劳寿命进行准确的评价，必须知道设计谱的存在概率，并且考虑实际载荷离散性，才可以确定结构可靠的疲劳寿命。 20世纪60年代，世界上第一条高速铁路建成，自那时起，一些国外高速铁路发达国家已经深入研究机车车辆结构轻量化带来的关键结构部件的疲劳强度和疲劳寿命预测问题。其中，包括日本对车轴和焊接构架疲劳问题的研究；法国和德国采用试验台仿真和实际线路相结合的技术开发出试验用的机车车辆疲劳分析方法；英国和美国对转向架累计损伤疲劳方面的研究等等。在这些研究中提出了大量有效的疲劳寿命的预测研究方法。 1.2、国内 1.2.1国内疲劳研究现状与方法 国内铁路相关的科研院所对结构的疲劳寿命也展开了大量的研究和分析，并且得到了很多研
材料性能学 1一14周
第三章金属在冲击载荷下的 力学性能
许多机器零件在服役时往往受到冲击载荷的作用，如火箭的发射、飞机的起飞和降落、汽车通过道路上的凹坑以及金属压力加工（铸造）等，为了评定材料传递冲击载荷的能力,揭示材料在冲击载荷下的力学行为，就需要进行相应的力学性能试验。 冲击载荷和静载荷的区别在于加载速率的不同 加载速率：载荷施加于试样或机件时的速率，用单位时间内应力增加 的数值表示。 形变速率：单位时间的变形量。加载速率提高，形变速率也增加。相对形迹速率也称为应变速率，即单位时间内应变的变化量。 冲击载荷2－104s-1 de10 d
静载荷 10-5－10-2s-1
一、冲击载荷下金属变形和断裂的特点 冲击载荷下，由于载荷的能量性质使整个承载系统承受冲击 能，所以机件、与机件相连物体的刚度都直接影响冲击过程 的时间，从而影响加速度和惯性力的大小。 由于冲击过程持续时间短，测不准确，难于按惯性力计算机件内的应力，所以机件在冲击载荷下所受的应力，通常假定冲击能全部转换为机件内的弹性能，再按能量守恒法计算。 冲击弹性变形（弹性变形以声速传播，在金属介质中为 4982m/s）能紧跟上冲击外力（5m/s）的变化，应变速率对 金属材料的弹性行为及弹性模量没有影响。 应变速率对塑性变形、断裂却有显著的影响。金属材料在冲 击载荷下难以发生塑性变形。
1.1 应变速率对塑性变形的影响 金属材料在冲击载荷作用下塑性变形难以充分进行，主要有以下两方面的原因： 1. 由于冲击载荷下应力水平比较高，使许多位错源同时起作用，结果抑制了单晶体中易滑移阶段的产生与发展。 2. 冲击载荷增加了位错密度和滑移系数目，出现孪晶，减小了位错运动自由行程平均长度，增加了点缺陷的浓度。
疲劳强度计算 一、变应力作用下机械零件的失效特征 1、失效形式：疲劳（破坏）（断裂）——机械零件的断裂事故中，有80%为疲劳断裂。 2、疲劳破坏特征： 1）断裂过程：①产生初始裂反（应力较大处）；②裂纹尖端在切应力作用下，反复扩展，直至产生疲劳裂纹。 2）断裂面：①光滑区（疲劳发展区）；②粗糙区（脆性断裂区）（图2-5） 3）无明显塑性变形的脆性突然断裂 4）破坏时的应力（疲劳极限）远小于材料的屈服极限。 3、疲劳破坏的机理：是损伤的累笱 4、影响因素：除与材料性能有关外，还与γ，应力循环次数N ，应力幅a σ主要影响 当平均应力m σ、γ一定时，a σ越小，N 越少，疲劳强度越高 二、材料的疲劳曲线和极限应力图 疲劳极限)(N N γλτσ—循环变应力下应力循环N 次后材料不发生疲劳破坏时的最大应力称为材料的疲劳极限 疲劳寿命（N ）——材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N 称为疲劳寿命 1、疲劳曲线（N γσ-N 曲线）：γ一定时，材料的疲劳极限N γσ与应力循环次数N 之间关系的曲线 0N —循环基数 γσ—持久极限 1）有限寿命区 当N <103(104)——低周循环疲劳——疲劳极限接近于屈服极限，可接静强度计算 )10(1043≥N ——高周循环疲劳，当043)10(10N N ≤≤时，N γσ随N ↑→N σσ↓ 2）无限寿命区，0N N ≥ γγσσ=N 不随N 增加而变化 γσ——持久极限，对称循环为1-σ、1-τ，脉动循环时为0σ、0τ 注意：有色金属和高强度合金钢无无限寿命区，如图所示。 3）疲劳曲线方程))10(10(04 3N N ≤≤ C N N m m N =?=?0γγσσ——常数
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
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
实用文档 第3章疲劳载荷及分析理论 (1) 3.1 疲劳载荷谱 (1) 3.1.1 疲劳载荷谱及其编谱 (1) 3.1.2 统计分析方法 (2) 3.2 疲劳累积损伤理论 (3) 3.2.1 概述 (3) 3.2.2 线性累积损伤理论 (4) 3.3起重机疲劳计算常用方法 (5) 3.3.1 应力比法 (6) 3.3.2 应力幅法 (6) 3.4 疲劳寿命设计方法 (7) 3.4.1无限寿命设计 (7) 3.4.2 安全寿命设计 (8) 3.4.3 损伤容限设计 (8) 3.4.4 概率疲劳设计 (9) 3.4 小结 (10) 第3章疲劳载荷及分析理论 疲劳载荷谱(fatigue load spectrum)是建立疲劳设计方法的基础。根据研究对象的不同，施加在对象上的疲劳载荷也是不同的，所以在应用时要依据某种统计分析方法和理论进行分析。 3.1 疲劳载荷谱 3.1.1 疲劳载荷谱及其编谱 载荷分为静载荷和动载荷两大类。动载荷又分为周期载荷、非周期载荷和冲击载荷。周期载荷和非周期载荷可统称为疲劳载荷。在很多情况下，作用在结构或机械上的载荷是随时间变化的，这种加载过程称为载荷—时间历程。由于随机载荷的不确定性，这种谱无法直接使用，必须对其进行统计处理。处理 实用文档 后的载荷—时间—历程称为载荷谱。载荷谱是具有统计特性的图形，它能本质地反映零件的载荷变化情况[]。为了估算结构的使用寿命和进行疲劳可靠性分析，以及为最后设计阶段所必需的全尺寸结构和零部件疲劳试验，都必须有反映真实工作状态的疲劳载荷谱。
实测的应力—时间历程包含了外加载荷和结构的动态响应的影响，它不仅受结构系统的影响，而且也受应力—时间历程的观测部位的影响。将实测的载荷—时间历程处理成具有代表性的典型载荷谱的过程称为编谱。编谱的重要一环，是用统计理论来处理所获得的实测子样[]。 3.1.2 统计分析方法 对于随机载荷，统计分析方法主要有两类：计数法和功率谱法[]。由于产生疲劳损伤的主要原因是循环次数和应力幅值，因此在编谱时首先必须遵循某一等效损伤原则，将随机的应力—时间历程简化为一系列不同幅值的全循环和半循环，这一简化的过程叫做计数法。功率谱法是借助富氏变换，将连续变化的随机载荷分解为无限多个具有各种频率的简单变化，得出功率谱密度函数。在抗疲劳设计中广泛使用计数法。 目前，已有的计算法有十余种之多，同一应力—时间历程用不同计数法编制出的载荷谱有时会差别很大。当然，按照这些载荷谱来进行寿命估算或试验，也会给出不同的结果。从统计观点上看，计数法大体分为两类：单参数法和双参数法[]。所谓单参数法是指只考虑应力循环中的一个变量，例如，峰谷值、变程（相邻的峰值与谷值之差），而双参数法则同时考虑两个变量。由于交变载荷本身固有的特性，对任一应力循环，总需要用两个参数来表示。其代表是雨流计数法。 雨流计数法是目前在疲劳设计和疲劳试验中用的最广泛的一种计数方法，是对随机信号进行计数的一种方法的一种。雨流计数法与变程对—均值计数法一样具有比较严格的力学基础，计数结果介于峰值法和变程法之间，提供比较符合实际的数据。雨流法是建立在对封闭的应力—应变迟滞回线逐个计数的基础上，它认为塑性的存在是疲劳损伤的必要条件，从疲劳观点上看它比较能够反映随机载荷的全过程。由载荷—时间历程得到的应力—应变迟滞回线与造成的疲劳损伤是等效的[]。 实用文档 应该指出，所有现行计数法均未记及载荷循环先后次序的信息资料。因为载荷先后次序的影响总是存在的，但如果将简化后的程序载荷谱的周期取短一些，则载荷先后次序的影响会减小至最小程度，这点已被荷兰国家宇航实验室 []。的试验结果证实 3.2 疲劳累积损伤理论 3.2.1 概述在疲劳研究过程中，人们早就提 出了“损伤”这一概念。所谓损伤，是指。累积损[]在疲劳过程中初期材料内的细微结构变化和后期裂纹的形成和扩展伤规律是疲劳研究中最重要的课题之一，它是估算变幅载荷作用下结构和零件疲劳寿命的基础。大多数结构和零件所受循环载荷的幅值都是变化的，也就是说，大多数结构和零件都是在变幅载荷下工作的。变幅载荷下的疲劳破坏，是不同频率和幅值的载荷所造成的损伤逐渐累积的结果。因此，疲劳累积损伤是有限寿命设计的核心问题。当材料承受高于疲劳极限的应力时，每一个循环都使材料产生一定的损伤，N1次恒幅载荷所。这种损伤是可以积累的，每一个循环所造成的平均损伤为nN nC造成的损伤等于
管道受坠物冲击载荷作用的数值模拟基本方法 【摘要】管道受冲击载荷作用是复杂的非线性接触问题，本文介绍了可以进行非线性分析的有限元软件、离散元软件的概况和基本原理，以及运用它们对冲击载荷作用引起的管道动力响应过程进行数值模拟的基本方法。 【关键词】管道冲击非线性数值模拟 随着我国油气管道建设的进一步深入，石油天然气管道穿越复杂地质条件的工程实践越来越多，这些管道多沿山体坡脚埋设，可能要经过滑坡、泥石流等自然灾害高发地段，由于自然灾害所产生的高速坠落的石块容易冲击管道导致管道失效。同时，在日益发展的海洋石油开采中，海底石油管道也容易在其安装与油气输送过程中，与锚泊作业以及货物运输等人类活动造成坠的落物体发生碰撞，造成管道损伤。因此，对管道受坠物冲击作用引起管线变形的规律和破坏机理进行深入研究具有重要意义。本文将以有限元方法为基础，介绍管道受坠物冲击载荷作用的数值模拟基本方法。 管道受坠物冲击载荷作用是管道-土体组成的体系在冲击荷载下的整体动力响应。无论是从静力学还是动力学的角度来分析结构的受力状态，管道与土体的相互作用都是不可忽略的，只有把管道与地基作为相互作用又相互制约的整体分析，才能得到比较符合实际的计算结果。随着数值非线性分析成为解决岩土工程问题的重要手段，有限元、离散元等方法在管土相互作用分析中也发挥着越来越大的作用，基于这些理论的数值模拟软件也得到了极大的发展。 1 非线性数值模拟软件 1.1 ANSYS/ABAQUS ANSYS是一种大型通用有限元分析软件，融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体，由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。有限元法（FEA，Finite Element Analysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定合适的形函数，然后附上求解这个域总的满足条件，如结构的平衡条件、边界条件等，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，随着形函数精度的提高，有限元方法可以得到相对很高的计算精度高，而且能适应各种复杂形状，这样实际问题被较简单的问题所代替，有限元成为行之有效的工程分析手段。ANSYS主要分析类型包括：结构静力分析，结构动力学分析，结构非线性分析等。 ABAQUS同样也是一款功能强大的，以有限元理论为基础的工程模拟软件。与ANSYS相比，ABAQUS软件在求解非线性问题时具有非常明显的优势，其非线性涵盖材料非线性、几何非线性和状态非线性等多个方面，而且采用了人机
3．疲劳寿命理论及应用 (1)疲劳损伤发生在受交变应力(或应变)作用的零件和构件，如起重机的桥架和其他结构件、压力容器、机器的轴和齿轮等，它导致零件或构件的过大变形或断裂。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。 (2)常规疲劳强度计算是以名义应力为基础的，可分为无限寿命计算和有限寿命计算。零件的疲劳寿命与零件的应力、应变水平有关，它们之间的关系可以用应力一寿命曲线(e-n曲线)和应变一寿命曲线(δ-n曲线)表示。应力一寿命曲线和应变一寿命曲线统称为s-n曲线。根据试验可得其数学表达式。在疲劳试验中，实际零件尺寸和表面状态与试样有差异，常存在由圆角、链槽等引起的应力集中，所以，在使用时必须引入应力集中系数k、尺寸系数ε和表面系数β。 (3)循环应力的特性用最小应力e min与最大应力e max的比值r=e min／e max表示，r称为循环特征。对应于不同循环特征，有不同的s-n曲线、疲劳极限和条件疲劳极限。对不同方向的应力，可用正负值加以区别，如拉应力为正值，压应力为负值。当r=-1，即e min=e max 时，称为对称循环应力；当r=0，即e min=0时，称为脉动循环应力；当r=+1，即e min=e max 时，应力不随时间变化，称为静应力；当+1>r>-1时，统称为不对称循环应力。对应于不同循环特征，有不同的s-n曲线、疲劳极限和有限寿命的条件疲劳极限。 材料疲劳极限可从有关设计手册、材料手册中查出。缺乏疲劳极限数据时，可用经验的方法根据材料的屈服极限es，和断裂极限eb计算。 零件的疲劳极限erk和τrk是根据所使用材料的疲劳极限，考虑零件的应力循环特性、尺寸效应、表面状态应力集中等因素确定。 (4)疲劳损伤积累理论认为：当零件所受应力高于疲劳极限时，每一次载荷循环都对零件造成一定量的损伤，并且这种损伤是可以积累的；当损伤积累到临界值时，零件将发生疲劳破坏。较重要的疲劳损伤积累理论有线性疲劳损伤积累理论和非线性疲劳损伤积累理论。线性疲劳损伤积累理论认为，每一次循环载荷所产生的疲劳损伤是相互独立的，总损伤是每一次疲劳损伤的线性累加，它最具代表性的理论是帕姆格伦一迈因纳定理。 (5)迈因纳(palmgren-miner)定理 设在载荷谱中，有应力幅为e1, e2…ei…,等各级应力，其循环数分别为n1、n2…ni…从材料的s-n曲线，可以查到对应于各级应力的达到疲劳破坏的循环数n1、n2…ni…根据疲劳损伤积累为线性关系的理论，比值ni/ni为材料受到应力ei的损伤率。发生疲劳破坏，即损伤率达到100％的条件为： P/g nJZ(~ .|&G€ E9 [ 本资料来源于贵州学习网财 https://www.doczj.com/doc/b03857733.html, ] P/g nJZ(~ .|&G€ E9 会考试注册资产评估师 4．损伤零件寿命估算 计算带缺陷零件的剩余自然寿命一般采用断裂力学理论，通过建立裂纹扩展速率与断裂力学参量之间的关系来进行计算。断裂力学理论认为：零件的缺陷在循环载荷作用下会逐步扩大，当缺陷扩大到临界尺寸后将发生断裂破坏。这个过程被称为疲劳断裂过程。 疲劳断裂过程大致可分为四个阶段，即成核、微观裂纹扩展、宏观裂纹扩展及断裂。 损伤零件疲劳寿命的估算主要应用帕利斯(paris)定理。 帕利斯(paris)定理主要内容是：对裂纹扩展规律的研究，断裂力学从研究裂纹尖端附近的应力场和应变场出发，导出裂纹体在受载条件下裂纹尖端附近应力场和应变场的特征量来进行。这个特征量用应力强度因子k表示。k值的变化幅度也是控制裂纹扩展速度da／dn的主要参量。在考虑材料性能参量对裂纹扩展速度的影响后，帕利斯提出了以下裂纹扩展速度的半经验公式：
机械零件疲劳载荷谱的编制方法研究 郝晋峰,石 全,史宪铭,黄轶州(军械工程学院,河北石家庄050003) Weave M et hod Study of M achine Part Fat igue Loading Spectrum HAO Jin -feng,SHI Quan,SHI Xian -ming,HUANG Yi -zhou (O rdnance Eng ineering Co llege,Shijiazhuang 050003,China) 摘要:在对疲劳载荷进行统计处理的基础上,利用双参数雨流计数法和零均值转化公式对疲劳载荷均值进行了处理,消除了非零均值的影响,得出了均值与幅值的影响,得出了疲劳载荷谱多工况编制方法,为疲劳寿命分析奠定了基础,并给出了具体实例. 关键词:机械零件;疲劳;载荷谱;编制方法中图分类号:T H 17文献标识码:B 文章编号:1001-2257(2009)01-0076-03收稿日期:2008-08-26 Abstract:This page based on statistically trea ting w ith the fatigue loading data,using do uble pa r am eters rain flow take count of method and using zero av er ag e value transform formula to treat w ith the average of the fatig ue lo ading data,elim inate the influence o f the no n -zero average value,gained the influence of aver ag e v alue and r ange val ue,g ained the m any w or k instances w eave method of the fatigue loading data,establish the base of fa tig ue life,and giv e out an ex ample. Key words:m achine part;fatigue;loading spec trum;w eave m ethod 0 引言 机械零件疲劳载荷谱的编制是机械设计及疲劳寿命估计评估的基础,也是疲劳强度全寿命设计的重要依据,因此有必要确定作用在零部件上的随机疲劳载荷及由此所产生的应力,由于疲劳载荷通常具有时变性、周期性与随机性等,使得这一问题变得极其复杂,因此准确计算,分析随机疲劳载荷是机械 全寿命设计的关键步骤[1]. 1 载荷谱的数据处理 幅值的变化对疲劳强度和疲劳可靠性设计研究而言是最主要的,因为应力(或应变)幅值是累积疲劳损伤中的主要因素,因而常用计数法进行分析.1.1 载荷谱的雨流计数法和无效幅值的舍弃 使构件产生疲劳损伤的主要因素是应力幅值和应力循环的次数,将实测的随机载荷时间历程简化为一系列的全循环或半循环的过程叫做 计数法".目前,计数法从统计观点上可分为单参数和双参数.其中雨流计数法[1]近年来被认为是最有效的双参数计数方法,由于其技术原理与实际载荷对金属零件的循环应力-应变行为较为相似,有坚实的力学基础.经雨流计数法处理后就可以得到载荷幅值、均值和相应频次的重要关系. 参考文献[2]利用Fortran 语言编写了相应的程序,将复杂的转矩-时间历程简化为对损伤具有等效影响的均、幅值二维雨流矩阵. 但是并不是所有的载荷都对结构造成破坏影响,对这些不能构成疲劳损伤的小量循环,一般称为无效幅值.在进行载荷-时间历程计数时,应该将无效幅值舍弃.关于无效幅值的取舍基准,一般取随机载荷历程的极差(最大应力幅-最小应力幅)的5%~10%[3]. 1.2 非零平均应力的等效转换 目前国内用得较多的程序载荷谱仅保留了幅值和频次的关系,但是我们得到的实际应力循环中平均应力并不为零.研究表明平均应力对累积损伤也有较大的影响.因此,必须按等损伤的原则将非零平均应力的应力循环等效转换为零平均应力的应力循环.设S i 为等效零均值应力;S ai 为第i 个应力幅值;S m i 为第i 个应力均值; b 为拉伸强度极限.根据 76 机械与电子 2009(1)
冲击强度 一．基本概念 定义：金属材料、机械零件和构件抗冲击破坏的能力。在很短时间内以较高速度作用于零件上的载荷，称冲击载荷。由冲击载荷作用而产生的应力称冲击应力。由于冲击时间极短，加上物体接触变形等因素影响，冲击强度计算不易准确。 性质： （1）冲击强度用于评价材料的抗冲击能力或判断材料的脆性和韧性程度，因此冲击强度也称冲击韧性。 （2）冲击强度是试样在冲击破坏过程中所吸收的能量与原始横截面积之比。 分类： 冲击强度根据试验设备不同可分为简支梁冲击强度、悬臂梁冲击强度. 冲击强度的测量标准主要有ISO国际标准（GB参照ISO）及美国材料ASTM标准，GB 为1943-2007为最新标准，ASTM 标准为D-256标准，具体区分如下： GB: 是试件在一次冲击实验时，单位横截面积（m2）上所消耗的冲击功（J），其单位为MJ/m2。 ASTM:它反映了材料抵抗裂纹扩展和抗脆断的能力,单位宽度所消耗的功，单位为J/m。设备区分： 悬臂梁冲击方向中间有撞针，简支梁冲击方向垂直面有凹块，正面形状为一凹形摆锤。 (6)缺口区分： 缺口一般分为四种，有V型口和U型口两种，每种根据简短圆弧半径又分为两种。(7)样条区分： GB：一般为80*10mm 样条以及63.5*10mm 样条缺口为2mm，也有63.8*12.7mm样条 ATSM:一般为63.5*12.7mm 缺口剩余宽度为10.16mm （国内有用80*10样条） (8)测试公式： GB:a=W / (h*d) 单位KJ/m ATSM: a= W /d 单位：J/m a:冲击强度W :冲击损失能量h：缺口剩余宽度d：样条厚度 因此，GB与ASTM之间不可以等同测量，但从测量公式可总结经验公式：GB数值*10.16或8（错误样条）=ASTM数值，也可以由实际测量来总结比值。 二．常规计算 冲击载荷在零件中产生的冲击应力除与零件的形状、体积和局部弹塑性变形等有关外，还同与其相连接的物体有关。如与零件相连接的物体是绝对刚体，则冲击能全部为该零件所承受；如与零件相连接的物体刚度为某一值,则冲击能为整个体系所承担,该零件只承受冲击能的一部分。此外,冲击应力的大小,还取决于冲击能量的大小。因此，冲击载荷作用下的强度计算，比静载荷作用下的强度计算复杂得多。在设计承受冲击载荷的零件时，须引入一个动载系数（见载荷系数）后按静强度设计。动载系数也可用振动理论中求响应的方法确定。 研究零件冲击强度时，要考虑材料在冲击载荷下机械性能的改变和对零件冲击效应的大小。对于结构钢来说，当应变速率在10-6～10-21/秒时，钢的机械性能无明显变化。但在更高的应变速率下，结构钢的强度极限和屈服极限随冲击速度的增大而提高。且屈服极限比强度极限提高得更快。因此把冲击载荷当作静载荷来处理对于一般结构钢来说是偏于安全的。另一方面，冲击载荷对材料缺口的敏感性比静载荷对材料缺口的敏感性大。这时把冲击载荷当作静载荷来处理，就必须提高安全系数。 三．冲击波
实验二十 疲劳寿命试验 一、实验目的 1．了解材料的疲劳性质，测定某个应力等级下的疲劳寿命。 2．了解高频疲劳试验机的工作原理和操作方法。 3．掌握不确定性测量的基本分析方法 二、实验设备 1．高频疲劳试验机（PLG-100） 三、实验概述 材料疲劳寿命是一个特殊的机械性质。疲劳寿命的一个主要因素是应力水平。在不同的应力水平下材料具有不同的疲劳寿命。在测定了各级应力水平的疲劳寿命（包括疲劳极限）时，可以确定一条材料的疲劳寿命曲线，即S-N 曲线（应力——寿命曲线）。 各应力级别的寿命并不是一个确定性的量值。它的对数是按照概率正态分布的一个随机变量。因此，试验需要测定多个同应力级别的试件的寿命（n 个寿命），对这n 个寿命计算对数寿命的平均值和标准差。 平均值： 标准差： -55- ∑==n i i x n x 111)(1 2 ??=∑ =n x x s n i i
定义：变异系数为 x s C v = 其中：x 为寿命的对数，即 由概率分析理论和统计推断理论，可以确定当置信度达到95%时变异系数的要求（见附件），由此可以确定最少的试件个数n 。 四、实验步骤 1．每两个人一组（一根试件），测量试件截面几何尺寸。 2．根据拟定的应力水平和应力比R ，计算最大载荷和最小载荷，计算平均静载荷和动载荷。 应力水平是指交变应力中的最大应力 。 应力比R 定义： max min σσ=R 。 平均静载荷： 2min max P P P j += 动载荷： 2 min max P P P d ?= 3．将试件夹卡到高频疲劳试验机上。注意试件对中。 4．启动疲劳试验机静载荷和动载荷。记录寿命。 5．五根试件计算平均值和标准差、以及变异系数。 6．三个应力水平或四个应力水平的对数疲劳寿命可画出一条疲劳寿命曲线。 五、予习要求 1. 阅读本试验讲义及有关的附录标准（见附录？）。 2. 阅读附录中有关高频疲劳试验机的原理和操作。 六、实验报告要求 1. 内容应包括实验目的、设备、测试原理与方法，原始记录，实验数据处理。每五根试件处理一个数值。 2. 在对数坐标纸上作S-N 曲线图。 -56- i i N x lg =max σ
疲劳载荷及分析理论 疲劳载荷谱(fatigue load spectrum)是建立疲劳设计方法的基础。根据研究对象的不同，施加在对象上的疲劳载荷也是不同的，所以在应用时要依据某种统计分析方法和理论进行分析。 1 疲劳载荷谱 1.1 疲劳载荷谱及其编谱 载荷分为静载荷和动载荷两大类。动载荷又分为周期载荷、非周期载荷和冲击载荷。周期载荷和非周期载荷可统称为疲劳载荷。在很多情况下，作用在结构或机械上的载荷是随时间变化的，这种加载过程称为载荷—时间历程。由于随机载荷的不确定性，这种谱无法直接使用，必须对其进行统计处理。处理后的载荷—时间—历程称为载荷谱。载荷谱是具有统计特性的图形，它能本质地反映零件的载荷变化情况[]。为了估算结构的使用寿命和进行疲劳可靠性分析，以及为最后设计阶段所必需的全尺寸结构和零部件疲劳试验，都必须有反映真实工作状态的疲劳载荷谱。 实测的应力—时间历程包含了外加载荷和结构的动态响应的影响，它不仅受结构系统的影响，而且也受应力—时间历程的观测部位的影响。将实测的载荷—时间历程处理成具有代表性的典型载荷谱的过程称为编谱。编谱的重要一环，是用统计理论来处理所获得的实测子样[]。 1.2 统计分析方法 对于随机载荷，统计分析方法主要有两类：计数法和功率谱法[]。由于产生疲劳损伤的主要原因是循环次数和应力幅值，因此在编谱时首先必须遵循某一等效损伤原则，将随机的应力—时间历程简化为一系列不同幅值的全循环和半循环，这一简化的过程叫做计数法。功率谱法是借助富氏变换，将连续变化的随机载荷分解为无限多个具有各种频率的简单变化，得出功率谱密度函数。在抗疲劳设计中广泛使用计数法。 目前，已有的计算法有十余种之多，同一应力—时间历程用不同计数法编制出的载荷谱有时会差别很大。当然，按照这些载荷谱来进行寿命估算或试验，