疲劳与断裂力学 第3章 金属材料的变幅疲劳行为.ppt

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1、第三章第三章 金属材料的变幅疲劳行为金属材料的变幅疲劳行为第一节第一节第一节第一节 疲劳累积损伤理论疲劳累积损伤理论疲劳累积损伤理论疲劳累积损伤理论一、疲劳损伤的概念一、疲劳损伤的概念材料力学性质的劣化现象称为损伤（材料力学性质的劣化现象称为损伤（Damage）材料在循环加载过程产生的损伤称为疲劳损伤（材料在循环加载过程产生的损伤称为疲劳损伤（Fatigue Damage）疲劳损伤疲劳损伤损损 伤伤包括空隙、孔洞和微裂纹的产生以及物理性能退化等包括空隙、孔洞和微裂纹的产生以及物理性能退化等疲劳损伤是可以累积的疲劳损伤是可以累积的二、线性疲劳损伤累积理论二、线性疲劳损伤累积理论损伤趋于一个临界值

2、的累积过程损伤趋于一个临界值的累积过程以疲劳损伤以疲劳损伤D的定义为基础，描述损伤演化规律的理论的定义为基础，描述损伤演化规律的理论疲劳损伤累积理论疲劳损伤累积理论疲劳过程疲劳过程必须回答必须回答三个问题三个问题1、一个循环的损伤是多少？、一个循环的损伤是多少？2、多个循环中损伤如何累积？、多个循环中损伤如何累积？3、失效时的临界损伤量是多少？、失效时的临界损伤量是多少？研究变幅疲劳的基础研究变幅疲劳的基础疲劳损伤疲劳损伤D线性地累积，各个应力水平之间相互独立。线性地累积，各个应力水平之间相互独立。线性疲劳损伤累积理论线性疲劳损伤累积理论1、变幅载荷谱、变幅载荷谱典型载荷块典型载荷块：“100

3、100起落起落”，“万公里万公里”，“年年”等。等。总谱是典型块的重复总谱是典型块的重复总谱是典型块的重复总谱是典型块的重复。SN(起落次数起落次数)100200某飞机主轮毂实测载荷谱某飞机主轮毂实测载荷谱滑行滑行滑行拐弯拐弯着陆着陆载荷谱分载荷谱分实测谱实测谱和和设计谱设计谱。设计寿命期内的设计寿命期内的载荷总谱载荷总谱。SS1n n3 3S2S3n n2 2n n1 10n设计载荷谱设计载荷谱2、Miner线性累积损伤理论线性累积损伤理论 若构件在某恒幅应力水平若构件在某恒幅应力水平S作用下，循环至破坏的寿命作用下，循环至破坏的寿命为为N，则循环至则循环至n次时的损伤定义为：次时的损伤定义

4、为：D=n/N若若n=0,则则D=0，构件未受损伤；构件未受损伤；D随循环数随循环数n线性增长线性增长：nD0n1D1N1若若n=N，则，则D=1，发生疲劳破坏。发生疲劳破坏。疲劳破坏判据为：疲劳破坏判据为：D=1Di=ni/NiMinerMiner累积损伤理论是线性的累积损伤理论是线性的累积损伤理论是线性的累积损伤理论是线性的；损伤损伤损伤损伤D D与载荷与载荷与载荷与载荷S Si i的作用次序无关。的作用次序无关。的作用次序无关。的作用次序无关。ni 是在是在 Si作用下的循环次数，由作用下的循环次数，由载荷谱给出载荷谱给出；Ni 是在是在 Si下循环到破坏的寿命，由下循环到破坏的寿命，由

5、 S-N曲线确定曲线确定。若构件在若构件在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，次循环，总损伤为：总损伤为：Miner线性累积损伤理论的破坏准则为：(i=1,2,.k)DDn Nikii=1Dn Nii=1A0 01 1D Dn nN N2 2N N1 1BD D1 1D D2 2n n1 1n n2 2线性累积损伤理论与载荷的作用次序无关。线性累积损伤理论与载荷的作用次序无关。Dn Nii=11 11 12 22 2NnNnD+=1=12 22 21 11 1NnNnD+=1=1A0 01 1D Dn nN N2 2N N1 1BD D1 1D D2 2n n1

6、1n n2 23、Miner理论的应用理论的应用变幅载荷下，应用变幅载荷下，应用Miner理论，可解决理论，可解决二类问题二类问题：已知设计寿命期间的应力谱型，确定应力水平。已知设计寿命期间的应力谱型，确定应力水平。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。利用利用利用利用MinerMiner理论进行疲劳分析的一般步骤为：理论进行疲劳分析的一般步骤为：理论进行疲劳分析的一般步骤为：理论进行疲劳分析的一般步骤为：确定载荷谱，选取拟用的应力水平；确定载荷谱，选取拟用的应力水平；选用适合构件使用的选用适合构件使用的S-N曲线；曲线；计算在应力水平计算在应力水

7、平Si下循环下循环ni次的损伤：次的损伤：Di=ni/Ni；计算总损伤计算总损伤 D=ni/Ni；若若D1，则应降低应力水平或缩短使用寿命。则应降低应力水平或缩短使用寿命。例例2 已知已知S-N曲线为曲线为S2N=2.51010；设计寿命期间载荷谱设计寿命期间载荷谱 如表。试估计最大可用应力水平如表。试估计最大可用应力水平S。解：解：假定载荷假定载荷P时的应力水平为时的应力水平为Si=200MPa。由由S-N曲线得到曲线得到Ni,计算损伤计算损伤Di，列入表中。列入表中。可知，若取可知，若取S=200MPa,D=1.751,发生疲劳破坏。发生疲劳破坏。再取再取S=150MPa,算得：算得：D=

8、0.981先高后低先高后低(ni/Ni)1 双线性损伤累积理论双线性损伤累积理论 非线性损伤累积理论非线性损伤累积理论损伤累积理论的新发展：损伤累积理论的新发展：双线性损伤累积双线性损伤累积非线性损伤累积非线性损伤累积恒幅载荷恒幅载荷随机载荷谱？随机载荷谱？变幅载荷变幅载荷Miner计数法计数法载荷载荷0t正变程正变程负变程负变程峰峰谷谷一、谱及若干定义一、谱及若干定义载载 荷荷：力、应力和位移等。力、应力和位移等。变变 程程：相邻峰、谷点载荷值：相邻峰、谷点载荷值 之差。有正、负变程之差。有正、负变程反向点反向点：峰或谷，即斜率改变：峰或谷，即斜率改变 符号之处。符号之处。第二节第二节第二节

9、第二节 随机谱与循环计数法随机谱与循环计数法随机谱与循环计数法随机谱与循环计数法循环计数循环计数：将不规则的、随机的载荷：将不规则的、随机的载荷-时间历程转化为一系列时间历程转化为一系列 变幅或恒幅循环事件的方法变幅或恒幅循环事件的方法St0典型谱段典型谱段适于以典型载荷谱段为基础的重复历程适于以典型载荷谱段为基础的重复历程适于以典型载荷谱段为基础的重复历程适于以典型载荷谱段为基础的重复历程二、二、简化雨流计数法简化雨流计数法（rainflow counting)雨流计数法雨流计数法：要求典型段从要求典型段从最大最大峰或谷处起止。峰或谷处起止。01122雨流计数典型段雨流计数典型段简化雨流计数

10、方法：简化雨流计数方法：简化雨流计数方法：简化雨流计数方法：ABCDEFGHIJA024-2-4S第一次雨流第一次雨流BCEFGHIJE024-2-4SB第二次雨流第二次雨流FGIJ024-2-4第三次雨流第三次雨流FI 谱转谱转90，雨滴下流。若无阻挡，则反向，流至端点。，雨滴下流。若无阻挡，则反向，流至端点。记下流过的最大峰、谷值，为一循环，读出记下流过的最大峰、谷值，为一循环，读出 S,Sm。删除雨滴流过部分，对剩余历程重复雨流计数。删除雨滴流过部分，对剩余历程重复雨流计数。简化雨流计数结果：简化雨流计数结果：ABCDEFGHIJA024-2-4S第一次雨流第一次雨流BCEFGHIJE0

11、24-2-4SB第二次雨流第二次雨流FGIJ024-2-4第三次雨流第三次雨流FI雨流计数结果雨流计数结果循环循环变程变程均值均值EHE70.5BCB4 1ADA90.5FGF3-0.5IJI2-1雨流计数是二参数计数，结果均为全循环。雨流计数是二参数计数，结果均为全循环。典型段计数后的重复，只需考虑重复次数即可。典型段计数后的重复，只需考虑重复次数即可。若转换时应力比若转换时应力比 R不变，不变，N1、N2可用相同的可用相同的S-N曲线曲线 SmN=C 表示时，表示时，等损伤转换条件等损伤转换条件为：为：n2=n1(N2/N1)=n1(S1/S2)m.三、不同载荷间的转换三、不同载荷间的转换

12、计数后的多级载荷，如何简化到有限的载荷级？计数后的多级载荷，如何简化到有限的载荷级？不同载荷间转换的原则不同载荷间转换的原则:损伤等效损伤等效损伤等效损伤等效。将将S1下循环下循环n1次的载荷，转换成次的载荷，转换成S2下循环下循环n2次，次，等损伤转等损伤转换条件换条件为：为：n1/N1=n2/N2 或或 n2=n1(N2/N1)N1、N2分别为在分别为在(S1,R1)和和(S2,R2)下的寿命。下的寿命。例例5 某结构钢基本某结构钢基本S-N曲线为曲线为 S2N=2.51010,谱中有谱中有R=-1,Sa1=90MPa作用作用n1=106次的载荷；材料极限强度次的载荷；材料极限强度Su=3

13、00MPa。若须转换成若须转换成Sa2=100MPa，R=0的载荷，试的载荷，试 估计循环数估计循环数n2。解：解：解：解：已知结构的工作载荷为：已知结构的工作载荷为：已知结构的工作载荷为：已知结构的工作载荷为：S Sa1a1=90,R=-1,S=90,R=-1,Sm1m1=0,n=0,n1 1=10=106 6。转换后的载荷为：转换后的载荷为：转换后的载荷为：转换后的载荷为：S Sa2a2=100,R=0,S=100,R=0,Sm2m2=100,n=100,n2 2 待定。待定。待定。待定。转换需用转换需用转换需用转换需用S-NS-N曲线。本题中，曲线。本题中，曲线。本题中，曲线。本题中，R

14、=0R=0的的的的S-NS-N曲线未知。曲线未知。曲线未知。曲线未知。因此，需先将因此，需先将因此，需先将因此，需先将R=0,SR=0,Sa2a2=100,S=100,Sm2m2=100,n=100,n2 2待定的载荷待定的载荷待定的载荷待定的载荷等寿命地转换等寿命地转换等寿命地转换等寿命地转换为为为为 R=-1R=-1时的载荷时的载荷时的载荷时的载荷 S Smm=0,S=0,Sa a(待求待求待求待求),n),n2 2。等寿命转换可等寿命转换可等寿命转换可等寿命转换可利用利用利用利用GoodmanGoodman方程进行，有：方程进行，有：方程进行，有：方程进行，有：(S(Sa2a2/S/Sa

15、 a)+(S)+(Sm2m2/S/Su u)=1 )=1 求得：求得：求得：求得：S Sa a=150MPa=150MPa。因为上述转换是等寿命的，故若二者作用次数同为因为上述转换是等寿命的，故若二者作用次数同为因为上述转换是等寿命的，故若二者作用次数同为因为上述转换是等寿命的，故若二者作用次数同为n n2 2，则则则则也是等损伤的。也是等损伤的。也是等损伤的。也是等损伤的。于是，问题成为：于是，问题成为：于是，问题成为：于是，问题成为：工作载荷条件：工作载荷条件：工作载荷条件：工作载荷条件：R=-1R=-1，S Sa1a1=90,S=90,Sm1m1=0,n=0,n1 1=10=106 6

16、等损伤转换为：等损伤转换为：等损伤转换为：等损伤转换为：R=-1R=-1，S Sa a=150,S=150,Smm=0,n=0,n2 2？由等损伤转换条件有：由等损伤转换条件有：由等损伤转换条件有：由等损伤转换条件有：n n2 2=n=n1 1(S(S1 1/S/S2 2)mm=10=106 6(90/150)(90/150)2 2=0.3610=0.36106 6故转换后的载荷为：故转换后的载荷为：故转换后的载荷为：故转换后的载荷为：S Sa2a2=100,R=0=100,R=0，S Sm2m2=100,n=100,n2 2=0.3610=0.36106 6。应当指出，载荷间的转换，必然造成

17、与真实情应当指出，载荷间的转换，必然造成与真实情应当指出，载荷间的转换，必然造成与真实情应当指出，载荷间的转换，必然造成与真实情况的差别，越少越好。一般只用于计数后的载况的差别，越少越好。一般只用于计数后的载况的差别，越少越好。一般只用于计数后的载况的差别，越少越好。一般只用于计数后的载荷归并或少数试验载荷施加受限的情况。荷归并或少数试验载荷施加受限的情况。荷归并或少数试验载荷施加受限的情况。荷归并或少数试验载荷施加受限的情况。恒幅疲劳恒幅疲劳恒幅疲劳恒幅疲劳应力比应力比应力比应力比 R R应力幅应力幅应力幅应力幅 S Sa a已已已已知知知知材材材材料料料料的的的的基基基基本本本本S-NS-

18、N曲线曲线曲线曲线R=R=-1 1YesYesS Sa aSS-1 1S Smm=(1+R)/(1-R)S=(1+R)/(1-R)Sa aNoNoN Nf fYesYesNoNo求寿命求寿命求寿命求寿命N Nf f=C/S=C/Sa a由由由由GoodmanGoodman直线：直线：直线：直线：(S(Sa a/S/S-1 1)+(S)+(Smm/S/Su u)=1)=1求求求求S Sa a(R=-1)(R=-1)疲劳裂纹萌生寿命分析：疲劳裂纹萌生寿命分析：疲劳裂纹萌生寿命分析：疲劳裂纹萌生寿命分析：随机载荷随机载荷随机载荷随机载荷计数法计数法计数法计数法MinerMiner 理论理论理论理论D

19、 Dn nN Ni ii i=1 1变幅载荷变幅载荷变幅载荷变幅载荷小小 结结1)应力疲劳是弹性应力控制下的长寿命疲劳。应力疲劳是弹性应力控制下的长寿命疲劳。（SmaxSy,Nf104次）次）2)S-N曲线描述材料的疲劳性能。曲线描述材料的疲劳性能。R=-1时的时的S-N曲线是基本曲线是基本S-N曲线。曲线。S-N曲线：曲线：SmN=C3)Goodman直线反映平均应力或应力比的影响直线反映平均应力或应力比的影响 (Sa/Sa(R=-1)+(Sm/Su)=1 (等寿命直线等寿命直线)拉伸平均应力有害。拉伸平均应力有害。喷丸、冷挤压引入残余压应力可改善疲劳性能。喷丸、冷挤压引入残余压应力可改善疲劳性能。7)随机谱可用计数法计数。转换成变幅块谱。随机谱可用计数法计数。转换成变幅块谱。雨流法是典型谱二参数全循环计数法。雨流法是典型谱二参数全循环计数法。6)Miner理论可用于变幅载荷下的寿命估算，理论可用于变幅载荷下的寿命估算，Miner 理论：理论：D=Di=(ni/Ni)=15)缺口应力集中使疲劳强度降低，寿命缩短。缺口应力集中使疲劳强度降低，寿命缩短。高强材料，尖缺口，影响更大。高强材料，尖缺口，影响更大。4)由疲劳极限控制无限寿命设计，由疲劳极限控制无限寿命设计，即：即：Sa 或或 SmaxSf 。