疲劳理论在结构设计中的应用,结构工程论文.docx

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1、疲劳理论在结构设计中的应用,结构工程论文构件断裂和疲惫是造成工程构造物出现工程事故的主要原因，在进行构造设计时应该充分考虑到构造物的疲惫设计。 在进行构造设计时一般已考虑构件的疲惫因素，但是在实际的构造中仍然会出现由于疲惫失效造成的构造物垮塌或者断裂等工程事故和质量问题，造成很大的经济损失和社会影响1. 2 构造疲惫寿命分析 疲惫理论和疲惫试验对于设计各类承受循环载荷的机械和构造，成为重要的研究内容。疲惫有限寿命设计中进行寿命估算，必须了解材料的疲惫性能，以此作为理论计算的根据。由于疲惫寿命的长短取决于所承受的循环载荷大小，为此还必须编制出供理论分析和全尺寸疲惫试验用的载荷谱，再根据与各种疲惫

2、相适应的损伤模型估算出疲惫寿命2. 2.1 对构件中金属材料应力应变特性试验 实验目的：了解金属材料的瞬态响应。了解金属材料在弹性变形和塑性变形两个不同阶段的应力-应变滞后环形状。 实验原理：当承受的外载荷超过材料的比例极限时，就构成了迟滞回线，亦即滞后环，而产生塑性耗散。当材料所遭到的外载荷处于材料的弹性范围内时，宏观上以为材料不产生塑性。图 1、图 2 分别为应力-应变处于弹性范围和应力-应变处于塑性范围。【1】 图 3 稳态循环 -ε 曲线主要反响材料的稳态循环应力-应变曲线描绘叙述了当材料的瞬态行为到达了相对稳定状态时的应力-应变关系。【2】 第一次循环的 -&epsi

3、lon; 曲线称为骨架曲线。如此图 4 用委屈服从强度增量来表示直线段的变化，则第 i 次循环的委屈服从强度可表示为：在 R=-1 时，钢棒材的疲惫极限时 279.3MPa.在工程设计中，以材料的抗拉强度达 600MPa,委屈服从强度 355MPa 来设计。实际工程材料由于其瞬态特性不同，它们的循环应力-应变曲线的形状是不同的。 2.2 理论计算 承受外压载荷的壳体，当外压载荷增大到某一值时，壳体会忽然失去原来的形状，被压扁或出现波纹；载荷卸去后，壳体不能恢复原状，这种现象称为外压壳体的屈曲或失稳。【3】 1受轴向压力的管件受均布轴向压缩载荷圆筒的临界压力为：【4】 假如圆筒计算的有效长度小于

4、临界长度L Lcr，即属短管件，短管件失稳后的波形数为大于 2 的整数，临界压力值与t/D 及 L/D 都有关系，当 L Lcr时，属长管件。式中，t 为壁厚；D0为外径；L 为工作段长度。 1长管件【5】 2.3 疲惫断定 构造疲惫毁坏的表现是：钢构件在晶体缺陷处产生细微裂纹，细微裂纹发展成断口并造成构件毁坏。疲惫毁坏原因是：动荷载反复作用。容易发生疲惫毁坏的部位：构件存在缺陷处、构造造成应力集中处、材料缺陷处、动荷载集中作可用之处等，主要就是引起应力集中处。 3 疲惫理论在构造设计中的应用 疲惫理论的工程应用，经历了从无限寿命设计到有限寿命设计，有限寿命设计尚处于完善阶段。 3.1 构件尺

5、寸对疲惫极限的影响 弯曲与扭转试验表示清楚，疲惫极限随试件横截面尺寸增大而减小。引起这一现象的原因，可用 2 根直径不同的试件来讲明，在最大弯曲正应力一样的条件下，大试件处于高应力区的材料多于小试件。这样，大试件出现裂纹的可能性要大于小试件，疲惫极限就要低于小试件。尺寸对疲惫极限的影响程度用尺寸系数来描绘叙述。 3.2 无限寿命设计与有限寿命设计 有限寿命设计方式方法只保证设计构件在一定的使用期限内安全使用。因而，它允许构件的工作应力超过疲惫极限，是当下很多构造设计方式方法产品的主导设计思想。根据疲惫极限进行疲惫强度设计，称为无限寿命设计；若根据条件疲惫极限进行疲惫强度设计，称为有限寿命设计。

6、通过 S-N 计算揣测出这种材料或者产品的永久寿命载荷以及分布情况，即各个疲惫破损率的疲惫曲线3. 3.3 构造设计中疲惫理论应用实例 以 45 号型钢材料为设计样板材料，在进行构造设计时应该充分考虑 45 号型钢疲惫强度计算、无限寿命疲惫计算及有限寿命疲惫计算。 3.3.1 疲惫强度计算常规疲惫强度计算假设构件没有初始裂纹，应用标准试样实验得到的材料疲惫极限或 S-N 曲线为根据，再考虑构件由于外表状态、尺寸及几何形状引起的应力集中等因素。图 5所示以最大应力 max为纵坐标，疲惫寿命 N 为横坐标，根据试验数据得到的 S-N 曲线。 图 5S-N 曲线图钢材的 S-N 曲线的右侧是一条水平

7、渐近线，水平线起始点对应的应力值称为疲惫极限。疲惫极限表示清楚，只要最大应力小于疲惫极限，应力循环次数能够无限大而不发生毁坏。水平线起始点的横坐标 Ne,N Ne的区域称为无限寿命区。根据 S-N 曲线水平线段进行的疲惫强度计算称为无限寿命计算。 疲惫曲线的左侧是一条近似斜线，在斜线段 N Ne,称为有限寿命区，根据这段斜线所作的疲惫强度计算称为有限寿命计算。 3.3.2 疲惫强度计算准则假如构件的应力循环次数 N Ne对应的循环数，一般当构件受静强度条件控制时，不需作疲惫强度计算。假如构件的应力循环次数 N Ne,Ne称为应力循环基数。根据构件对应的疲惫强度 ，对构件进行有限寿命疲惫计算。假

8、如构件的应力循环次数 N Ne,根据疲惫极限 ，对构件进行无限寿命疲惫计算4. 3.3.3 无限寿命疲惫计算当构件应力循环数 N 大于循环基数 Ne,应进行无限寿命疲惫计算。这一设计准则要求构件或构造在无限长的使用时期内，不发生疲惫毁坏。S-N 曲线的水平段讲明，只要将构件部件或构造的工作应力限制在它们的疲惫极限下面，就能够使构件或构造的寿命无限长。无限寿命设计是最老的设计准则，根据这种准则设计的构件或部件，一般尺寸较大，比拟保守。 疲惫强度计算一般在静强度计算之后进行，采用许用应力法或安全系数法。 3.3.4 有限寿命疲惫计算有限寿命疲惫计算的基本思想是，在确保零部件或构造规定寿命的条件下，

9、根据零件 S-N 曲线左段斜线部分，采用大于疲惫极限的设计应力进行疲惫强度计算。这样能使材料的承载能力充分利用，零件或构造的自重得以减轻，而减轻质量通常是提高产品性能水平的关键之一。对减轻质量有较高要求的机械产品，都使用有限疲惫计算。 4 结束语 在进行工程构造设计时应充分考虑断裂和疲惫对构件的影响，在进行设计时应该对构件材料进行疲惫强度计算、无限寿命疲惫计算、有限寿命疲惫计算，只要进行过验算的设计构件材料，才能够在实际的设计中采用。疲惫理论在设计中的应用对构造的安全性的保证是很重要的，在构造设计理论的基础上，充分考虑构件的疲惫性是构造物安全性能保障的关键点5. 【以下为参考文献】 【1】王清远，王中光，李守新。高速铁路关键材料超长寿命疲惫断裂性能J.机车电传动，2003S1：45-56. 【2】姚卫星。实验误差对材料参数实验结果影响的估计方式方法及其指标J.航空学报，19906：112-118. 【3】郭盛杰。金属材料超高周疲惫寿命分布和元件高可靠性研究D.南京：南京航空航天大学，2006. 【4】徐国彬。网架构造疲惫及其覆劳寿命计算D.北京：北京交通大学，1990. 【5】管德清。焊接钢构造疲惫强度与寿命预测理论的研究D.长沙：湖南大学，2003.