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疲劳分析介绍
石国强
内容提要


-N曲线



-疲劳失效危害
19世纪30-40年代,英国铁路车辆轮轴在轴肩处多次发生破坏;
1954年, 英国慧星号喷气客机坠入地中海(机身舱门拐角处开裂);
1967年,美国西弗吉尼亚的Point Pleasant桥倒塌,46人死亡;
1980年,英国北海Kielland 号钻井平台倾复,38人死亡;
1996年,2379次货物列车,轮轴颈卸荷槽处断裂后脱轨;
2002年,中华航空611号班机飞往香港途中高空解体坠毁,225人死亡。
-疲劳失效危害
在汽车上,大约有90%以上的断裂可归结为零件的疲劳失效。
疲劳失效是汽车零件常见及危害性最大的一种失效方式。
疲劳损坏多发生在承受交变载荷的车架、钢板弹簧、螺旋弹簧、轴和杆类零件。
“断轴门”
凯美瑞、锐志、F6、雅阁
F6前轮球轴断裂
双横臂式前悬挂:广本雅阁、一汽马6、北奔-戴克克莱斯勒300C
雅阁、F6,其球头方向是向上的,属下挂式,承受车重,过度疲劳。
马6、奔驰等采用是下压式。
-疲劳的定义
零件或构件由于交变载荷的反复作用,在它所承受的交变应力尚未达到静强度设计的许用应力情况下就会在零件或构件的局部位置产生疲劳裂纹并扩展、最后突然断裂。这种现象称为疲劳破坏
The process of progressive localized permanent structural change occurring in a material subjected to conditions which produce fluctuating stresses and strains at some point or points and which may culminate in crack plete fracture after a sufficient number of fluctuations. ——ASTM E206-72
在某点或某些点承受扰动应力,且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程,称为疲劳
-疲劳的特征及疲劳研究的主要内容
扰动应力(交变应力)
只有在扰动应力作用下,疲劳才会发生
高应力局部
破坏起源于高应力、高应变局部
裂纹
疲劳损伤的结果是形成裂纹
发展过程
疲劳是从开始使用到最后破坏的发展过程
载荷谱的描述与简化
应力集中细节处的应力应变
疲劳裂纹萌生和扩展的机理和规律(基础性研究)
疲劳寿命预测与抗疲劳设计方法(应用性研究)
-疲劳破坏与传统静力破坏的本质区别
-疲劳破坏的机理和发展过程
电镜照片-铝合金疲劳辉纹图
交变应力引起金属原子晶格的位错运动
→位错运动聚集,形成分散的微裂纹
→微裂纹沿结晶学方向扩展(大致沿最大剪应力方向形成滑移带)、贯通形成宏观裂纹
→宏观裂纹沿垂直于最大拉应力方向扩展,宏观裂纹的两个侧面在交变载荷作用下,反复挤压、分开,形成断口的光滑区
→突然断裂,形成断口的颗粒状粗糙区。
疲劳辉纹是疲劳断口形态的电子金相的最重要特征,
可以把疲劳条带视为判断疲劳破坏的主要依据。
-疲劳研究发展简史
19世纪40年代,铁路机车车轴的疲劳破坏问题。,把疲劳和应力联系起来,提出疲劳极限的概念,奠定了常规疲劳分析的基础。
二战中及战后,逐渐形成了现代的常规疲劳强度分析,无限寿命设计计算精度提高,并可以按给定的有限寿命设计零件。有限寿命设计的理论基础是线性损伤积累理论(美,,1945)。
断裂力学的发展,疲劳裂纹扩展理论(美,,1953),疲劳裂纹扩展速率半经验公式(美,,1957),考虑平均应力影响的修正公式(美,,1967)。计算带裂纹零件的剩余寿命,损伤容限设计。
20世纪20年代用概率统计方法处理疲劳试验数据,60年代后期可靠性理论应用到疲劳强度设计中。
缺口件名义应力-应变与局部应力-应变的关系—诺伊贝尔公式(德,,1961),—局部应力-应变法。
-交变应力的定义
交变应力:构件内随时间作周期性变化的应力