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    常用的機械疲勞分析方法總結
    更新時間:2024-01-11 點擊次數:121次

    常用的機械疲勞分析方法包括七種:名義應力法、局部應力應變法、能量法、場強法、斷裂力學方法、可靠性設計方法、概率斷裂力學。

    圖片


    01
    名義應力法

    名義應力法是以結構的名義應力為試驗和壽命估算的基礎,采用雨流法取出一個個相互獨立、互不相關的應力循環,結合材料的S-N曲線,按線性累積損傷理論估算結構疲勞壽命的一種方法。


    基本假定:對任一構件(或結構細節或元件),只要應力集中系數KT相同,載荷譜相同,它們的壽命則相同。此法中名義應力為控制參數。該方法考慮到了載荷順序和殘余應力的影響,簡單易行。


    但該種方法有兩個主要的不足之處:一是因其在彈性范圍內研究疲勞問題,沒有考慮缺口根部的局部塑性變形的影響,在計算有應力集中存在的結構疲勞壽命時,計算誤差較大。二是標準試樣和結構之間的等效關系的確定十分困難,這是由于這種關系與結構的幾何形狀、加載方式和結構的大小、材料等因素有關。


    正是因為上述缺陷,使名義應力法預測疲勞裂紋的形成能力較低,且該種方法需求得在不同的應力比R和不同的應力集中因子KT下的S-N曲線,而獲得這些材料數據需要大量的經費。因而,名義應力法只適用于計算應力水平較低的高周疲勞和無缺口結構的疲勞壽命。近年來,名義應力法也在不斷的發展中,相繼出現了應力嚴重系數法 (S.ST)、有效應力法、額定系數法(DRF) 等。


    02
    局部應力應變法

    局部應力應變法的基本思想是根據結構的名義應力歷程,借助于局部應力應變法分析缺口處的局部應力。再根據缺口處的局部應力,結合構件的S-N曲線、材料的循環。一曲線、E -N曲線及線性累積損傷理論,估算結構的疲勞壽命。


    基本假定:若一個構件的危險部位(點)的應力一應變歷程與一個光滑小試件的應力一應變歷程相同,則壽命相同。此法中局部應力一應變是控制參數。


    局部應力應變法主要用于解決高應變的低周疲勞和帶缺口結構的疲勞壽命問題。該方法的特點是可以通過一定的分析、計算,將結構上的名義應力轉化為缺口處的局部應力和應變。它可以細致地分析缺口處的局部應力和應變的非線性關系,可以考慮載荷順序和殘余應力對疲勞壽命的影響。因此,到目前為止,局部應力應變法是一種比較好的疲勞壽命估算方法。


    它克服了名義應力法的兩個主要缺陷,但它亦有本身固有的缺陷:一是沒有考慮缺口根部附近應力梯度和多軸應力的影響;二是疲勞壽命的計算結果對疲勞缺口系數K值非常敏感。


    而在實際工作中,精確地確定結構的K值是非常困難的,這就影響了局部應力應變法估算疲勞壽命的精度。此外,局部應力應變法要用到材料的C-N曲線,而E-N曲線是在控制應變的條件下進行疲勞試驗而得到的,試驗數據資料比較少,不如S-N曲線容易得到,這也影響了該方法的使用。

    03
    能量法

    基本假定:由相同的材料制成的構件(元件或結構細節),如果在疲勞危險區承受相同的局部應變能歷程,則它們具有相同的疲勞裂紋形成壽命。


    能量法的材料性能數據主要是材料的循環應力一應變曲線和循環能耗一壽命曲線。雖然在現有的能量法中均假設各循環的能耗是線性可加的,而事實上由于循環加載過程中材料內部的損傷界面不斷擴大,因此能耗總量與循環數之間的關系是非線性的。這一關鍵問題導致了能量法難于運用于工程實際。因此能量法可能不是一種十分合理和有前途的方法。

    04
    場強法

    基本假設:由相同的材料制成的構件(元件或結構細節),如果在疲勞失效區域承受相同應力場強度歷程,則具有相同疲勞壽命。此法的控制參數是應力場強度。用場強法預測結構的疲勞裂紋的形成壽命時,需要循環應力一應變曲線和S-Nf曲線(或£-Nf曲線),分析計算較復雜。

    由上述四種疲勞壽命預測方法各自的特點可知,不同的已知條件需采用不同的預測方法:如對于具有大量的疲勞性能數據的材料制成的連接件或結構件可采用名義應力法;對于具有復雜的幾何外形且承受復雜載荷作用下的一些結構件可采用局部應力一應變法,尤其是瞬態的循環;一曲線和£-Nf曲線相結合的方法;應力場強法可以用于與局部應力一應變法相同的材料疲勞性能數據,即循環a一曲線和S-N或£-Nf曲線。


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