强度理论应力寿命法精选PPT.ppt

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1、强度理论应力寿命法第1页，此课件共32页哦高周疲劳高周疲劳S-NS-N曲线曲线疲劳极限疲劳极限影响疲劳强度的因素影响疲劳强度的因素永久疲劳寿命设计方法永久疲劳寿命设计方法第2页，此课件共32页哦1.S-N1.S-N曲线曲线循环载荷引起失效循环载荷引起失效(例如车轴例如车轴)WohlerWohler开始合金旋转弯曲测试并提出开始合金旋转弯曲测试并提出S-NS-N曲线曲线S-NS-N曲线曲线经验设计方法经验设计方法应力寿命法应力寿命法第3页，此课件共32页哦循环加载下典型的应力历史描述如下：第4页，此课件共32页哦影响因素影响因素频率：频率：v 或或 f 单位单位Hz。如。如3000rpm的旋转机

2、的旋转机械，械，f 50Hz。通常如果存在环境效应，如。通常如果存在环境效应，如潮湿或升温则影响疲劳。潮湿或升温则影响疲劳。波形：应力历史是正弦波、方波或者别的波波形：应力历史是正弦波、方波或者别的波形吗？同频率一样，通常如果有环境效应则形吗？同频率一样，通常如果有环境效应则影响疲劳。影响疲劳。第5页，此课件共32页哦R=-1 (SR=-1 (Sa a=S=Smax)条件下得到的条件下得到的条件下得到的条件下得到的S-NS-N曲线。曲线。曲线。曲线。基本基本S-N曲线：曲线：1.1.一般形状及特性值一般形状及特性值用一组标准试件，在用一组标准试件，在R=-1下，下，施加不同的施加不同的Sa，进

3、行疲劳试验，进行疲劳试验，可得到可得到S-N曲线。曲线。S-N曲线上对应于寿命曲线上对应于寿命N的应力，称为的应力，称为寿命为寿命为寿命为寿命为N N循环的循环的循环的循环的疲劳强度疲劳强度疲劳强度疲劳强度。S103104105106107NfS SN N疲劳强度疲劳强度疲劳强度疲劳强度(fatigue strength)S(fatigue strength)SN N：第6页，此课件共32页哦 “无穷大无穷大”一般被定义为：一般被定义为：钢材，钢材，107 7次循环；次循环；焊接件，焊接件，2106 6次循环；次循环；有色金属，有色金属，108 8次循环。次循环。S10310410510610

4、7NfS SN NS Sf f疲劳极限疲劳极限(endurance limit)Sf：寿命寿命寿命寿命N N N N趋于无穷大时所对趋于无穷大时所对趋于无穷大时所对趋于无穷大时所对应的应力应的应力应的应力应的应力S S S S的极限值的极限值的极限值的极限值 Sf。特别地，对称循环下的疲劳极限特别地，对称循环下的疲劳极限特别地，对称循环下的疲劳极限特别地，对称循环下的疲劳极限S Sf(R=-1)f(R=-1)，简记为，简记为，简记为，简记为S S-1.-1.满足满足满足满足S SS Sf f的设计，即无限寿命设计。的设计，即无限寿命设计。的设计，即无限寿命设计。的设计，即无限寿命设计。第7页，

5、此课件共32页哦2.S-N2.S-N曲线的数学表达曲线的数学表达曲线的数学表达曲线的数学表达1)幂函数式幂函数式 Sm.N=Cm与与C是与材料、应力比、加载方式等有关的是与材料、应力比、加载方式等有关的参数。参数。二边取对数，有二边取对数，有:lg S=A+B lgN S-N间有间有对数线性对数线性关系；关系；参数参数 A=LgC/m,B=-1/m。Lg S34567LgNLgNS Sf f第8页，此课件共32页哦第9页，此课件共32页哦考虑疲劳极限考虑疲劳极限S Sf f，且当，且当S S趋近于趋近于S Sf f时，时，N N。2)指数式指数式 ：em sm s.N=C二边取对数后成为：二边

6、取对数后成为：S=A+B lg N （半对数线性关系）（半对数线性关系）最常用的是幂函数式。最常用的是幂函数式。高周应力疲劳，适合于高周应力疲劳，适合于 N104-107。S34567LgNLgNS Sf f3)三参数式三参数式 (S-Sf)m.N=C第10页，此课件共32页哦3.S-N曲线的近似估计曲线的近似估计 斜线斜线OA+水平线水平线ABR=-1R=-1，旋转弯曲时有：，旋转弯曲时有：，旋转弯曲时有：，旋转弯曲时有：Sf(bending)=0.5Su (Su u 1400MPa)1400MPa)1400MPa)1)疲劳极限疲劳极限Sf f与极限强度与极限强度与极限强度与极限强度S Su

7、 u之关系之关系之关系之关系500500100015002008000 0AB旋旋转转弯弯曲曲疲疲劳劳极极限限S MPaf f 材料极限强度材料极限强度S MPauS/S=0.5S/S=0.5fuS=700S=700f f常用金属材料数据图常用金属材料数据图第11页，此课件共32页哦轴向拉压载荷作用下的疲劳极限轴向拉压载荷作用下的疲劳极限可估计为：可估计为：Sf(tension)=0.7Sf(benting)=0.35Su 实验在实验在(0.3-0.45)Su u之间之间 高强脆性材料，极限强度高强脆性材料，极限强度高强脆性材料，极限强度高强脆性材料，极限强度S Su u取为取为取为取为 b

8、；延性材料延性材料延性材料延性材料,S,Su u取为取为取为取为 ysys。扭转载荷作用下的疲劳极限扭转载荷作用下的疲劳极限可估计为：可估计为：Sf(torsion)=0.577Sf(benting)=0.29Su 实验在实验在实验在实验在(0.25-0.3)S(0.25-0.3)Su u之间之间之间之间 注意，注意，不同载荷形式下的不同载荷形式下的Sf和和S-N曲线是不同的曲线是不同的。第12页，此课件共32页哦故由故由故由故由S-NS-N曲线有：曲线有：曲线有：曲线有：(0.9Su)(0.9Su)m10103 3=(kSu)=(kSu)mm106 6=C=C 参数为：参数为：m=3/lg(

9、0.9/k)(0.9/k)；C=(0.9S C=(0.9Su u)mm10103假定假定假定假定1 1：寿命：寿命：寿命：寿命 N=10 N=103 3时，有：时，有：时，有：时，有：S S10103 3=0.9S=0.9Su u；高周疲劳：高周疲劳：N103。已知已知已知已知S Sf f 和和和和 S Su u,S-NS-N曲线用曲线用曲线用曲线用 Sm.N=C 表达。表达。假定假定假定假定2 2：寿命：寿命：寿命：寿命N=10N=106 6时，时，时，时，S S10106 6=S=Sf f=kSu,如弯曲时，如弯曲时，如弯曲时，如弯曲时，k=0.5k=0.5。2)无实验数据时无实验数据时S

10、-N曲线的估计曲线的估计(供初步设计参考供初步设计参考)Lg S34567LgNLgN120S Su uS Sf f第13页，此课件共32页哦 裂纹萌生寿命，裂纹萌生寿命，“破坏破坏”定义为：定义为：1.1.标准小尺寸试件断裂。标准小尺寸试件断裂。2.2.出现可见小裂纹出现可见小裂纹,或可测的应变降。或可测的应变降。第14页，此课件共32页哦S-N曲线测试方法曲线测试方法 试样：取样，试样尺寸，试样表面状态试样：取样，试样尺寸，试样表面状态加载：试验设备，加载方式，加载频率，试验加载：试验设备，加载方式，加载频率，试验环境：温度，湿度等环境：温度，湿度等单点法测试：单点法测试：7-87-8个试

11、样个试样成组法测试：成组法测试：4-54-5组，每组组，每组4-54-5个试样个试样数数据据处处理理方方法法：按按给给定定应应力力下下的的寿寿命命分分布布规规律进行律进行 第15页，此课件共32页哦第16页，此课件共32页哦疲劳极限测试方法疲劳极限测试方法 疲劳寿命很大时的疲劳强度定义为疲劳极限疲劳寿命很大时的疲劳强度定义为疲劳极限钢和钛合金有疲劳极限，有色金属无钢和钛合金有疲劳极限，有色金属无获得方法获得方法单点法测试：单点法测试：7-87-8个试样个试样升降法：升降法：4-54-5极载荷，需极载荷，需1515左右试样左右试样数据处理方法：按给定寿命下的应力分布规律进行数据处理方法：按给定寿

12、命下的应力分布规律进行 第17页，此课件共32页哦StR=-1R=-1/3R=0SmR R ，S Sm ；且有：且有：且有：且有：S Smm=(1+R)S=(1+R)Sa a/(1-R)/(1-R)R的影响的影响S Smm的影响的影响S Smm0,0,对疲劳有不利的影响；对疲劳有不利的影响；对疲劳有不利的影响；对疲劳有不利的影响；S Smm0,0,压缩平均应力存在，对疲劳是有利的。压缩平均应力存在，对疲劳是有利的。压缩平均应力存在，对疲劳是有利的。压缩平均应力存在，对疲劳是有利的。喷丸、挤压和预应变喷丸、挤压和预应变残余压应力残余压应力残余压应力残余压应力提高寿命。提高寿命。提高寿命。提高寿命

13、。平均应力的影响平均应力的影响1)一般趋势一般趋势Sa不变不变，R or Sm；N ；N不变不变，R or Sm；SN ;SNSm0aR增大第18页，此课件共32页哦2）Sa-Sm关系关系SS-1aSuSmN=104N=107Sa/S-110 1 Sm/Su N=107 Haigh 图如图，在等寿命线上，如图，在等寿命线上，Sm，Sa；Sm Su。Haigh图图:(无量纲形式无量纲形式)N=107,当当Sm=0时，时，Sa=S-1；当当Sa=0时，时，Sm=Su。GerberGoodman对于其他给定的对于其他给定的对于其他给定的对于其他给定的N N，只需将，只需将，只需将，只需将S S-1-

14、1换成换成换成换成S Sa(R=-1)a(R=-1)即可。即可。即可。即可。利用上述关系，已知利用上述关系，已知Su u和基本和基本和基本和基本S-NS-N曲线，即可估计不曲线，即可估计不曲线，即可估计不曲线，即可估计不同同同同S Smm下的下的下的下的S Sa a 或或或或S SN N。GerberGerber：(S (Sa a/S-1-1)2 2+(S+(Sm/Su u)2 2=1 GoodmanGoodman：(S(Sa a/S/S-1-1)+(S)+(Sm/Su u)=1)=1第19页，此课件共32页哦解：解：解：解：1.1.工作循环应力幅和平均应力：工作循环应力幅和平均应力：工作循环

15、应力幅和平均应力：工作循环应力幅和平均应力：Sa=(S=(Smaxmax-S-Sminmin)/2=360 MPa)/2=360 MPa S Smm=(S=(Smaxmax+S+Sminmin)/2=440 MPa例例例例2.12.1:构件受拉压循环应力作用，构件受拉压循环应力作用，Smaxmax=800 MPa,=800 MPa,Smin=80 MPa。若已知材料的极限强度为若已知材料的极限强度为 S Su u=1200 MPa=1200 MPa，试估算其疲劳寿命。，试估算其疲劳寿命。，试估算其疲劳寿命。，试估算其疲劳寿命。2.估计对称循环下的基本估计对称循环下的基本估计对称循环下的基本估计

16、对称循环下的基本S-NS-N曲线曲线曲线曲线：Sf(tension)=0.35Su=420 MPa 若基本若基本S-N曲线用幂函数式曲线用幂函数式 SmN=C 表达，则表达，则 m=3/lg(0.9/k)=7.314；C=(0.9Su)m103=1.5361025第20页，此课件共32页哦 4.估计构件寿命估计构件寿命 对称循环对称循环(Sa=568.4,Sm=0)条件下的寿命，可条件下的寿命，可由基本由基本S-N曲线得到，即曲线得到，即 N=C/Sm=1.5361025/568.47.314=1.09105(次次)3.循环应力水平循环应力水平等寿命转换等寿命转换 利用基本利用基本S-N曲线估

17、计疲劳寿命，需将实际工作曲线估计疲劳寿命，需将实际工作循环应力水平循环应力水平,等寿命等寿命地地地地转换转换为对称循环下的应力水为对称循环下的应力水平平Sa(R=-1)，由，由Goodman方程有：方程有：(Sa/Sa(R=-1)+(Sm/Su)=1 可解出：可解出：Sa(R=-1)=568.4 MPa第21页，此课件共32页哦影响疲劳性能的若干因素影响疲劳性能的若干因素1.1.1.1.载荷形式的影响载荷形式的影响载荷形式的影响载荷形式的影响S S S Sf f f f（弯）（弯）（弯）（弯）S S S Sf f（拉）（拉）（拉）（拉）拉压循环高应力区体积大，存在缺陷并引发裂纹萌生拉压循环高应

18、力区体积大，存在缺陷并引发裂纹萌生拉压循环高应力区体积大，存在缺陷并引发裂纹萌生拉压循环高应力区体积大，存在缺陷并引发裂纹萌生的可能大、机会多。所以，同样应力水平作用下，拉压循的可能大、机会多。所以，同样应力水平作用下，拉压循的可能大、机会多。所以，同样应力水平作用下，拉压循的可能大、机会多。所以，同样应力水平作用下，拉压循环载荷时寿命比弯曲短；或者说，同样寿命下，拉压循环环载荷时寿命比弯曲短；或者说，同样寿命下，拉压循环环载荷时寿命比弯曲短；或者说，同样寿命下，拉压循环环载荷时寿命比弯曲短；或者说，同样寿命下，拉压循环时的疲劳强度比弯曲情况低。时的疲劳强度比弯曲情况低。时的疲劳强度比弯曲情况

19、低。时的疲劳强度比弯曲情况低。疲劳破坏主要取决于疲劳破坏主要取决于作用应力的大小和材料抵作用应力的大小和材料抵抗疲劳破坏的能力。抗疲劳破坏的能力。第22页，此课件共32页哦 同样可用高应力区体积的不同来解释。同样可用高应力区体积的不同来解释。同样可用高应力区体积的不同来解释。同样可用高应力区体积的不同来解释。应力水平相同时，试件尺寸越大，高应力区域应力水平相同时，试件尺寸越大，高应力区域应力水平相同时，试件尺寸越大，高应力区域应力水平相同时，试件尺寸越大，高应力区域体积越大。体积越大。体积越大。体积越大。疲劳发生在高应力区材料最薄弱处，体积越大，疲劳发生在高应力区材料最薄弱处，体积越大，疲劳发

20、生在高应力区材料最薄弱处，体积越大，疲劳发生在高应力区材料最薄弱处，体积越大，存在缺陷或薄弱处的可能越大。存在缺陷或薄弱处的可能越大。存在缺陷或薄弱处的可能越大。存在缺陷或薄弱处的可能越大。2.尺寸效应尺寸效应尺寸效应可以用一个修正因子尺寸效应可以用一个修正因子尺寸效应可以用一个修正因子尺寸效应可以用一个修正因子C Csize表达为：表达为：C Csizesize=1.189d=1.189d-0.097-0.097 8mm 8mm d d 250mm 250mm 当直径当直径当直径当直径d8mmd 缺口件缺口件 裂纹扩展寿命裂纹扩展寿命第30页，此课件共32页哦 给定应力水平下，寿命小于给定应

21、力水平下，寿命小于N的概率的概率pf？存活率为存活率为ps（如（如99%）的疲劳寿命？）的疲劳寿命？问题问题:疲劳寿命常用对数正态分布、威布尔分布描述。疲劳寿命常用对数正态分布、威布尔分布描述。第31页，此课件共32页哦 疲劳试验疲劳试验 R R、S S给定给定 样本数据样本数据 n个个N 排序排序i给定破坏概率下给定破坏概率下给定破坏概率下给定破坏概率下的的疲劳寿命？疲劳寿命？寿命寿命寿命寿命N N对应对应对应对应的的的的p pf f？疲劳寿命统计估计的分析计算框图疲劳寿命统计估计的分析计算框图:破坏率破坏率 F(Ni)=i/(n+1)散点图散点图分布类型分布类型 对数正态分布对数正态分布 Yi=xi=lgNi,Xi=ui=F F-1 (Fi)威布尔分布威布尔分布Yi=lglg(1-Fi)-1;Xi=lg(Ni-N0);0N0N1;回归分析回归分析 Y=A+Bx相关系相关系数检验数检验图解法图解法解析法解析法是否线性？是否线性？估计分布参数估计分布参数 第32页，此课件共32页哦