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常用的机械疲劳分析方法总结
更新时间:2024-01-11 点击次数:134次

常用的机械疲劳分析方法包括七种:名义应力法、局部应力应变法、能量法、场强法、断裂力学方法、可靠性设计方法、概率断裂力学。

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01
名义应力法

名义应力法是以结构的名义应力为试验和寿命估算的基础,采用雨流法取出一个个相互独立、互不相关的应力循环,结合材料的S-N曲线,按线性累积损伤理论估算结构疲劳寿命的一种方法。


基本假定:对任一构件(或结构细节或元件),只要应力集中系数KT相同,载荷谱相同,它们的寿命则相同。此法中名义应力为控制参数。该方法考虑到了载荷顺序和残余应力的影响,简单易行。


但该种方法有两个主要的不足之处:一是因其在弹性范围内研究疲劳问题,没有考虑缺口根部的局部塑性变形的影响,在计算有应力集中存在的结构疲劳寿命时,计算误差较大。二是标准试样和结构之间的等效关系的确定十分困难,这是由于这种关系与结构的几何形状、加载方式和结构的大小、材料等因素有关。


正是因为上述缺陷,使名义应力法预测疲劳裂纹的形成能力较低,且该种方法需求得在不同的应力比R和不同的应力集中因子KT下的S-N曲线,而获得这些材料数据需要大量的经费。因而,名义应力法只适用于计算应力水平较低的高周疲劳和无缺口结构的疲劳寿命。近年来,名义应力法也在不断的发展中,相继出现了应力严重系数法 (S.ST)、有效应力法、额定系数法(DRF) 等。


02
局部应力应变法

局部应力应变法的基本思想是根据结构的名义应力历程,借助于局部应力应变法分析缺口处的局部应力。再根据缺口处的局部应力,结合构件的S-N曲线、材料的循环。一曲线、E -N曲线及线性累积损伤理论,估算结构的疲劳寿命。


基本假定:若一个构件的危险部位(点)的应力一应变历程与一个光滑小试件的应力一应变历程相同,则寿命相同。此法中局部应力一应变是控制参数。


局部应力应变法主要用于解决高应变的低周疲劳和带缺口结构的疲劳寿命问题。该方法的特点是可以通过一定的分析、计算,将结构上的名义应力转化为缺口处的局部应力和应变。它可以细致地分析缺口处的局部应力和应变的非线性关系,可以考虑载荷顺序和残余应力对疲劳寿命的影响。因此,到目前为止,局部应力应变法是一种比较好的疲劳寿命估算方法。


它克服了名义应力法的两个主要缺陷,但它亦有本身固有的缺陷:一是没有考虑缺口根部附近应力梯度和多轴应力的影响;二是疲劳寿命的计算结果对疲劳缺口系数K值非常敏感。


而在实际工作中,精确地确定结构的K值是非常困难的,这就影响了局部应力应变法估算疲劳寿命的精度。此外,局部应力应变法要用到材料的C-N曲线,而E-N曲线是在控制应变的条件下进行疲劳试验而得到的,试验数据资料比较少,不如S-N曲线容易得到,这也影响了该方法的使用。

03
能量法

基本假定:由相同的材料制成的构件(元件或结构细节),如果在疲劳危险区承受相同的局部应变能历程,则它们具有相同的疲劳裂纹形成寿命。


能量法的材料性能数据主要是材料的循环应力一应变曲线和循环能耗一寿命曲线。虽然在现有的能量法中均假设各循环的能耗是线性可加的,而事实上由于循环加载过程中材料内部的损伤界面不断扩大,因此能耗总量与循环数之间的关系是非线性的。这一关键问题导致了能量法难于运用于工程实际。因此能量法可能不是一种十分合理和有前途的方法。

04
场强法

基本假设:由相同的材料制成的构件(元件或结构细节),如果在疲劳失效区域承受相同应力场强度历程,则具有相同疲劳寿命。此法的控制参数是应力场强度。用场强法预测结构的疲劳裂纹的形成寿命时,需要循环应力一应变曲线和S-Nf曲线(或£-Nf曲线),分析计算较复杂。

由上述四种疲劳寿命预测方法各自的特点可知,不同的已知条件需采用不同的预测方法:如对于具有大量的疲劳性能数据的材料制成的连接件或结构件可采用名义应力法;对于具有复杂的几何外形且承受复杂载荷作用下的一些结构件可采用局部应力一应变法,尤其是瞬态的循环;一曲线和£-Nf曲线相结合的方法;应力场强法可以用于与局部应力一应变法相同的材料疲劳性能数据,即循环a一曲线和S-N或£-Nf曲线。


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