《疲劳分析简介》PPT课件.ppt
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1、PAT318A,Section 1,October 2012PAT318A,Section 1,October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationCopyright 2012 MSC.Software CorporationS1-S1-11耐久性和疲劳分析概述耐久性和疲劳分析概述PAT318A,Section 1,October 2012PAT318A,Section 1,October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationCopyright 2012 MSC.Software Corpora
2、tionS1-S1-22什么是耐久性什么是耐久性?耐久性是耐久性是“保证其经久耐用的能力保证其经久耐用的能力!”可靠性是可靠性是“在规定的条件下、在规定的时间内完成规定的功能的机在规定的条件下、在规定的时间内完成规定的功能的机会会!”PAT318A,Section 1,October 2012PAT318A,Section 1,October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationCopyright 2012 MSC.Software CorporationS1-S1-33从实践角度,疲劳是:从实践角度,疲劳是:在不断变化下的负载作用下导致失效的
3、过程,并且实际应力值低于屈服强度在不断变化下的负载作用下导致失效的过程,并且实际应力值低于屈服强度;由裂纹萌生和随后的裂纹扩展组成,裂纹萌生和裂纹扩展是塑性变形不断循环由裂纹萌生和随后的裂纹扩展组成,裂纹萌生和裂纹扩展是塑性变形不断循环的结果。的结果。疲劳定义疲劳定义参照BS 7608:“疲劳是指反复应力作用下裂纹或裂纹群的产生和逐步扩展所导致的结构部件破坏的现象”PAT318A,Section 1,October 2012PAT318A,Section 1,October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationCopyright 2012 MS
4、C.Software CorporationS1-S1-44疲劳的物理基础疲劳的物理基础疲劳失效通常开始于样品或部件的表面疲劳失效通常开始于样品或部件的表面疲劳失效开始于小的微观裂纹,因此对微小的应力增加都非常敏感疲劳失效开始于小的微观裂纹,因此对微小的应力增加都非常敏感疲劳的过程包含从持续的滑移带上微小裂纹的生成到持续弹塑性变形下疲劳的过程包含从持续的滑移带上微小裂纹的生成到持续弹塑性变形下长裂纹的扩展整个过程长裂纹的扩展整个过程PAT318A,Section 1,October 2012PAT318A,Section 1,October 2012Copyright 2012 MSC.Sof
5、tware CorporationCopyright 2012 MSC.Software CorporationS1-S1-55小裂纹产生的原因很多小裂纹产生的原因很多:第二相粒子的裂变或界面脱离第二相粒子的裂变或界面脱离(cracking or debonding of second phase particles);表面上的自然划痕和加工痕表面上的自然划痕和加工痕;腐蚀坑或晶间腐蚀腐蚀坑或晶间腐蚀;铸造气孔铸造气孔;锻造成型留下的圈痕锻造成型留下的圈痕;脆面层脆面层疲劳的物理基础疲劳的物理基础(续续)PAT318A,Section 1,October 2012PAT318A,Section
6、 1,October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationCopyright 2012 MSC.Software CorporationS1-S1-66裂纹的产生和扩展裂纹的产生和扩展:STAGE I AND IIPAT318A,Section 1,October 2012PAT318A,Section 1,October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationCopyright 2012 MSC.Software CorporationS1-S1-77Persistent SlipBand Fo
7、rmationStage ICrack GrowthStage IICrack Growth1mm裂纹的产生和扩展裂纹的产生和扩展:STAGE I AND II(续续)PAT318A,Section 1,October 2012PAT318A,Section 1,October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationCopyright 2012 MSC.Software CorporationS1-S1-88疲劳寿命计算方法概述疲劳寿命计算方法概述PAT318A,Section 1,October 2012PAT318A,Section 1,Oc
8、tober 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationCopyright 2012 MSC.Software CorporationS1-S1-99疲劳寿命方法疲劳寿命方法S-N(Stress-Life方法方法)名义或局部弹性应力与总寿命的关系名义或局部弹性应力与总寿命的关系E-N(Strain-Life方法方法)局部应变与裂纹萌生寿命的关系局部应变与裂纹萌生寿命的关系LEFM(裂纹扩展方法裂纹扩展方法)应力强度与裂纹扩展速率的关系应力强度与裂纹扩展速率的关系所有的方法均都基于相似性原理所有的方法均都基于相似性原理PAT318A,Section 1,
9、October 2012PAT318A,Section 1,October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationCopyright 2012 MSC.Software CorporationS1-S1-1010也称为应力也称为应力-寿命和全寿命方法寿命和全寿命方法评估产生严重失效的总疲劳寿命评估产生严重失效的总疲劳寿命疲劳寿命由对数应力疲劳寿命由对数应力-循环循环(S-N)曲线计算曲线计算该方法适合于长寿命疲劳失效问题,因为该方法是基于名义弹性应力,即使有该方法适合于长寿命疲劳失效问题,因为该方法是基于名义弹性应力,即使有小的塑性发生。小的塑性
10、发生。疲劳寿命评估与失效概率相关,因为疲劳寿命评估与失效概率相关,因为S-N曲线上有一定的分散性。曲线上有一定的分散性。S-N 方法方法PAT318A,Section 1,October 2012PAT318A,Section 1,October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationCopyright 2012 MSC.Software CorporationS1-S1-1111snomnomsNotched ShaftUnnotched ShaftStress AmplitudeLife in CyclesS-N 方法方法 相似理论相似理论T
11、he life of this.is the same as the life of this.if both are subject to the same nominal stressPAT318A,Section 1,October 2012PAT318A,Section 1,October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationCopyright 2012 MSC.Software CorporationS1-S1-1212也称作局部应变方法,裂纹萌生方法,和应变也称作局部应变方法,裂纹萌生方法,和应变-寿命方法。寿命方法。E-N方法是汽
12、车行业里评估寿命方法中最常用的一个。方法是汽车行业里评估寿命方法中最常用的一个。实际上,裂纹萌生意味着已经有实际上,裂纹萌生意味着已经有1-2mm的裂纹发生。这往往在部件寿命中占的裂纹发生。这往往在部件寿命中占较高比例。较高比例。许多汽车部件的设计允许使用中出现大的塑性变形许多汽车部件的设计允许使用中出现大的塑性变形(特别是在试车场特别是在试车场)。这种情。这种情况下况下 E-N方法比基于忽略塑性变形的方法比基于忽略塑性变形的S-N方法更好。方法更好。E-N 方法方法PAT318A,Section 1,October 2012PAT318A,Section 1,October 2012Copy
13、right 2012 MSC.Software CorporationCopyright 2012 MSC.Software CorporationS1-S1-1313The crack initiation life here.is the same as it is here.if both experience the same local strainseeE-N方法方法-相似理论相似理论PAT318A,Section 1,October 2012PAT318A,Section 1,October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationC
14、opyright 2012 MSC.Software CorporationS1-S1-1414 也称作“低周期疲劳”或“局部应变方法”局部应变可以是弹性或塑性,因此它适于低周期疲劳。应变应变-寿命寿命(E-N)曲线曲线PAT318A,Section 1,October 2012PAT318A,Section 1,October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationCopyright 2012 MSC.Software CorporationS1-S1-1515e/sN1000 CyclesLow CycleRegion(EN Method)H
15、igh CycleRegion(SN or EN Method)Infinite Life107 CyclesE-N CurveS-N CurveS-N&E-N 曲线在高周期区域重合因为名义应力是线弹性的E-N 也能用到低周期区域。S-N不能,因为该区域不存在线性应力-应变关系S-N和和E-N疲劳曲线比较疲劳曲线比较PAT318A,Section 1,October 2012PAT318A,Section 1,October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationCopyright 2012 MSC.Software CorporationS1-
16、S1-1616裂纹扩展裂纹扩展(LEFM)方法方法裂纹萌生后剩余的寿命是多少裂纹萌生后剩余的寿命是多少?一个已经或即将发生裂纹的部件其安全寿命或相应监测计划是怎样的一个已经或即将发生裂纹的部件其安全寿命或相应监测计划是怎样的?裂纹扩展方法是以线弹性断裂力学裂纹扩展方法是以线弹性断裂力学(LEFM)为基础的为基础的它将应力强度因子和裂纹扩展速率联系起来它将应力强度因子和裂纹扩展速率联系起来采用逐个循环计算来预测寿命采用逐个循环计算来预测寿命它被广泛应用在航空,船舶和能源领域它被广泛应用在航空,船舶和能源领域PAT318A,Section 1,October 2012PAT318A,Section
17、 1,October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationCopyright 2012 MSC.Software CorporationS1-S1-1717This crack.grows at the same rate as this oneif both experience the same stress intensity factors裂纹扩展方法裂纹扩展方法-相似理论相似理论PAT318A,Section 1,October 2012PAT318A,Section 1,October 2012Copyright 2012 MSC.
18、Software CorporationCopyright 2012 MSC.Software CorporationS1-S1-1818Total Life =Crack Initiation +Crack GrowthS-N Local Strain LEFMNf=Ni+Np方法总结方法总结This is an interesting view of the 3 methods but is practically flawed because in reality the S-N and E-N approaches are just slightly different version
19、s of the same type of approach.PAT318A,Section 1,October 2012PAT318A,Section 1,October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationCopyright 2012 MSC.Software CorporationS1-S1-1919应力寿命应力寿命(S-N)方法方法PAT318A,Section 1,October 2012PAT318A,Section 1,October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationCopyr
20、ight 2012 MSC.Software CorporationS1-S1-2020应力寿命应力寿命(S-N)理论理论S-N 方法评估全寿命,而没有清楚区分初始裂纹和裂纹扩展方法评估全寿命,而没有清楚区分初始裂纹和裂纹扩展它通常要求涉及到几何模型的试验数据是结构它通常要求涉及到几何模型的试验数据是结构S-N曲线曲线材料材料S-N曲线从光滑样件试验中获得,随后可以修改成为反映缺口,表面处曲线从光滑样件试验中获得,随后可以修改成为反映缺口,表面处理等影响的实际结构的曲线理等影响的实际结构的曲线PAT318A,Section 1,October 2012PAT318A,Section 1,Oct
21、ober 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationCopyright 2012 MSC.Software CorporationS1-S1-2121假设和定义假设和定义变形可以被分成弹性(可完全回复的)和塑性(永久变形的)部分应力范围是一个循环中的最大、最小应力的代数差应力幅值是应力范围的一半PAT318A,Section 1,October 2012PAT318A,Section 1,October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationCopyright 2012 MSC.Software Cor
22、porationS1-S1-2222S-N曲线曲线PAT318A,Section 1,October 2012PAT318A,Section 1,October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationCopyright 2012 MSC.Software CorporationS1-S1-2323Wohler的铁路部件试验设备的铁路部件试验设备(1852 to 1870)早期疲劳试验早期疲劳试验PAT318A,Section 1,October 2012PAT318A,Section 1,October 2012Copyright 2012 MS
23、C.Software CorporationCopyright 2012 MSC.Software CorporationS1-S1-2424Stress AmplitudeNotched ShaftUnnotched ShaftLog(fatigue life)Wohler的一些旋转弯曲试验数据的一些旋转弯曲试验数据早期早期S-N曲线曲线PAT318A,Section 1,October 2012PAT318A,Section 1,October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationCopyright 2012 MSC.Software Co
24、rporationS1-S1-2525S-N 方法方法S-N 方法用名义应力范围作为疲劳载荷的度量方法用名义应力范围作为疲劳载荷的度量在试验中记录失效寿命在试验中记录失效寿命(两段两段)试验在表征试验在表征S-N曲线的应力范围的几个级别上进行曲线的应力范围的几个级别上进行这样的曲线可以来自光滑试件这样的曲线可以来自光滑试件,独立部件独立部件,子装配或者完整结构子装配或者完整结构PAT318A,Section 1,October 2012PAT318A,Section 1,October 2012Copyright 2012 MSC.Software CorporationCopyright 2
25、012 MSC.Software CorporationS1-S1-2626S-N 方法的应用方法的应用S-N 方法的应用包括方法的应用包括:为设计目的建立一个较好定义的疲劳曲线为设计目的建立一个较好定义的疲劳曲线 确定一个给定寿命的疲劳强度确定一个给定寿命的疲劳强度展示一个提高疲劳寿命的来自材料或者表面处理的影响展示一个提高疲劳寿命的来自材料或者表面处理的影响为制造挑选材料为制造挑选材料解答使用中失效的问题解答使用中失效的问题PAT318A,Section 1,October 2012PAT318A,Section 1,October 2012Copyright 2012 MSC.Softw
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