应力疲劳S-N曲线.ppt

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1、 船舶与海洋工程学院船舶与海洋工程学院 第二章第二章 应力疲劳应力疲劳按照作用循环应力的大小，疲劳可分成为按照作用循环应力的大小，疲劳可分成为应力疲劳应力疲劳(Stress Fatigue)和和应变疲劳应变疲劳(Strain Fatigue)。船舶与海洋工程学院船舶与海洋工程学院 第二章第二章 应力疲劳应力疲劳载荷谱特征描述载荷谱特征描述Stress RangeMean StressStress Ratio What are the important parameters to characterize a given cyclic loading history?Stress amplit

2、ude 船舶与海洋工程学院船舶与海洋工程学院 第二章第二章 应力疲劳应力疲劳特例特例载荷谱特征描述载荷谱特征描述恒幅循环载恒幅循环载：R=-1Sa=Smax=SS-NS-N曲线曲线是材料的是材料的基本疲劳性能曲线基本疲劳性能曲线寿命寿命N定义为到定义为到破坏破坏的循环次数的循环次数 船舶与海洋工程学院船舶与海洋工程学院 第二章第二章 应力疲劳应力疲劳S-N曲线的一般形状及若干特性值曲线的一般形状及若干特性值寿命为N循环的疲劳强度疲劳极限Sf(R=-1)或或S-1基本基本S-N曲线曲线(R=-1)船舶与海洋工程学院船舶与海洋工程学院 第二章第二章 应力疲劳应力疲劳S-N曲线的一般形状及若干特性值

3、曲线的一般形状及若干特性值基本基本S-N曲线曲线(R=-1)船舶与海洋工程学院船舶与海洋工程学院 第二章第二章 应力疲劳应力疲劳幂函数Sm N=CLgS=A+BLgNA=LgC/m双对数双对数lgSlgN指数式ems N=C S=A+BLgNA=LgC/mLge单对数单对数SlgN三参数式(S-Sf)m N=CB=-1/mB=-1/mLge lgSlgNS-N曲线的数学表达式曲线的数学表达式基本基本S-N曲线曲线(R=-1)张亚军，张亚军，S-N疲劳曲线的数学表达式处理方法探讨，理化检验疲劳曲线的数学表达式处理方法探讨，理化检验-物理分册，物理分册，2007年年43卷卷11期，期，563-56

4、5S=C Nn 船舶与海洋工程学院船舶与海洋工程学院 第二章第二章 应力疲劳应力疲劳讨论讨论应力比应力比R的影响，实际上是讨论的影响，实际上是讨论平均应力平均应力Sm的影响。的影响。R=-1，对称循环时的，对称循环时的S-N曲线，是曲线，是基本基本S-NS-N曲线曲线R-1？平均应力的影响平均应力的影响(R-1)证明上式证明上式 船舶与海洋工程学院船舶与海洋工程学院 第二章第二章 应力疲劳应力疲劳R=-1R-1基本基本S-NS-N曲线曲线在实践中，用喷丸、冷挤压和预应变等方法，在高应力细节处引入在实践中，用喷丸、冷挤压和预应变等方法，在高应力细节处引入压缩压缩残残余压应力，是提高疲劳寿命的有效

5、措施。余压应力，是提高疲劳寿命的有效措施。平均应力的影响平均应力的影响(R-1)船舶与海洋工程学院船舶与海洋工程学院 第二章第二章 应力疲劳应力疲劳R=-1Sa=0(1-R)Sm=(1+R)Sa R=1Sm=0 Sa可调整可调整静载荷静载荷平均应力的影响平均应力的影响(R-1)船舶与海洋工程学院船舶与海洋工程学院 第二章第二章 应力疲劳应力疲劳平均应力的影响平均应力的影响(R-1)根据三角形相似根据三角形相似Goodman公式公式Goodman formula present the relationship between the R-1 with R=-1.船舶与海洋工程学院船舶与海洋工程

6、学院 第二章第二章 应力疲劳应力疲劳 11Goodman linearGerber parabolic Marin quadratic/ellipticBagciKececioglu,Chester and Dodge平均应力的影响平均应力的影响(R-1)船舶与海洋工程学院船舶与海洋工程学院 第二章第二章 应力疲劳应力疲劳 解答解答 步骤步骤1平均应力的影响平均应力的影响(R-1)构件受拉压循环应力作用构件受拉压循环应力作用。已知已知(1)Smax=800 MPa,Smin=80 MPa。(2)材料的极限强度为材料的极限强度为 Su=1200 MPa。(3)基本基本S-N曲线可用幂函数式曲线可

7、用幂函数式 Sm N=C 表达表达，其中其中C=1.536 1025；m=7.314。试估算其疲劳寿命。试估算其疲劳寿命。例题例题注意注意S-N曲线主要针对曲线主要针对R=-1得到的，对于应力比不等于得到的，对于应力比不等于1的应力循环，当我们计算的应力循环，当我们计算其疲劳寿命时，需要采用其疲劳寿命时，需要采用Goodman 公式进行转换公式进行转换 船舶与海洋工程学院船舶与海洋工程学院 第二章第二章 应力疲劳应力疲劳步骤2Goodman linear equation平均应力的影响平均应力的影响(R-1)步骤3(次次)船舶与海洋工程学院船舶与海洋工程学院 第二章第二章 应力疲劳应力疲劳Ex

8、ample:A 4340 steel bar is subjected to a fluctuating axial load that varies from a maximum of 330kN tension to a minimum of 110kN compression the mechanical properties of the steel are:Determine the bar diameter to give infinite fatigue life based on a safety factor of 2.5 Cylindrical cross section

9、of the bar=A,the variation of stress will be 船舶与海洋工程学院船舶与海洋工程学院 第二章第二章 应力疲劳应力疲劳试估算其疲劳寿命。试估算其疲劳寿命。平均应力的影响平均应力的影响(R-1)船舶与海洋工程学院船舶与海洋工程学院 第二章第二章 应力疲劳应力疲劳平均应力的影响平均应力的影响(R-1)一般而言，构件在应力水平一般而言，构件在应力水平Si下作用下作用ni次循环下的损伤为次循环下的损伤为其中其中：ni 是在是在Si作用下的循环次数，由作用下的循环次数，由载荷谱载荷谱给出。给出。Ni 是在是在Si作用下的循环到破坏的寿命作用下的循环到破坏的寿命，由

10、由S-N曲线确定。曲线确定。船舶与海洋工程学院船舶与海洋工程学院 第二章第二章 应力疲劳应力疲劳Miner线性累计损伤理论线性累计损伤理论若在若在k个应力水平个应力水平Si作用下，各经受作用下，各经受ni次循环，则可定义其次循环，则可定义其总损伤为总损伤为破坏准则为破坏准则为这就是最简单、最著名、使用最广的这就是最简单、最著名、使用最广的Miner线性累积损伤理论。线性累积损伤理论。Miner累计损伤，是与载荷累计损伤，是与载荷Si的作用先后次序无关的。的作用先后次序无关的。船舶与海洋工程学院船舶与海洋工程学院 第二章第二章 应力疲劳应力疲劳1)已知设计寿命期间的应力谱型，确定应力水平。已知设

11、计寿命期间的应力谱型，确定应力水平。2)已知一典型周期内的应力块谱，估算使用寿命。已知一典型周期内的应力块谱，估算使用寿命。对于承受变幅疲劳载荷的构件，应用对于承受变幅疲劳载荷的构件，应用Miner累积损伤理论，可解决下述累积损伤理论，可解决下述二类问题，即：二类问题，即：Miner线性累计损伤理论线性累计损伤理论 船舶与海洋工程学院船舶与海洋工程学院 第二章第二章 应力疲劳应力疲劳PnMiner线性累计损伤理论线性累计损伤理论 船舶与海洋工程学院船舶与海洋工程学院 第二章第二章 应力疲劳应力疲劳Miner线性累计损伤理论线性累计损伤理论 船舶与海洋工程学院船舶与海洋工程学院 第二章第二章 应

12、力疲劳应力疲劳S0.8S0.6S0.4S2.5 104/S22.5 104/0.64S22.5 104/0.36S22.5 104/0.16S2S2/2.5 104 0.05S2/2.5 104 0.1 0.64S2/2.5 104 0.5 0.36S2/2.5 104 5.0 0.16S2/2.5 104(0.05+0.1 0.64+0.5 0.36+5.0 0.16)=1.0S=151(MPa)Miner线性累计损伤理论线性累计损伤理论 船舶与海洋工程学院船舶与海洋工程学院 第二章第二章 应力疲劳应力疲劳(2)已知一典型周期内的应力块谱，估算使用寿命。Miner线性累计损伤理论线性累计损伤

13、理论(a)列表计算典型应力块列表计算典型应力块(如一年如一年)内的损伤和内的损伤和一般分析步骤一般分析步骤(b)假定使用寿命为假定使用寿命为 个典型周期个典型周期(年，万公里，起落年，万公里，起落)年，则年，则 船舶与海洋工程学院船舶与海洋工程学院 第二章第二章 应力疲劳应力疲劳线弹性断裂力学 船舶与海洋工程学院船舶与海洋工程学院 第二章第二章 应力疲劳应力疲劳 船舶与海洋工程学院船舶与海洋工程学院 第二章第二章 应力疲劳应力疲劳 船舶与海洋工程学院船舶与海洋工程学院 第二章第二章 应力疲劳应力疲劳 船舶与海洋工程学院船舶与海洋工程学院 第二章第二章 应力疲劳应力疲劳 船舶与海洋工程学院船舶与

14、海洋工程学院 第二章第二章 应力疲劳应力疲劳 船舶与海洋工程学院船舶与海洋工程学院 第二章第二章 应力疲劳应力疲劳 船舶与海洋工程学院船舶与海洋工程学院 第二章第二章 应力疲劳应力疲劳 船舶与海洋工程学院船舶与海洋工程学院 第二章第二章 应力疲劳应力疲劳 CH6疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展 :Paris公式的应用公式的应用 船舶与海洋工程学院船舶与海洋工程学院 第二章第二章 应力疲劳应力疲劳Paris公式的应用公式的应用解答 船舶与海洋工程学院船舶与海洋工程学院 第二章第二章 应力疲劳应力疲劳Paris公式的应用公式的应用 船舶与海洋工程学院船舶与海洋工程学院 第二章第二章 应力疲劳应力疲劳1.应力比R2.频率3.环境