清华大学材料力学范钦珊主讲---专题第十一章-材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计.ppt
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清华大学材料力学范钦珊主讲---专题第十一章-材料的疲劳行为与构件的疲劳寿命设计.ppt
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引言,影响疲劳寿命的因素,有限寿命设计与无限寿命设计,结论与讨论,线性累积损伤理论,疲劳强度可靠性概述,引言,引言,疲劳失效概述疲劳失效特征疲劳失效原因分析疲劳极限与应力寿命曲线,疲劳失效概述,引言,疲劳失效概述,交变应力一点的应力若随时间而变化,这种应力称为交变应力(alternativestress),疲劳失效材料与构件在交变应力作用下的失效,称为疲劳失效(fatiguefailure),简称疲劳(fatigue)。
引言,疲劳失效概述,疲劳失效实例,引言,疲劳失效概述,疲劳失效实例,引言,疲劳失效概述,疲劳失效实例,引言,疲劳失效概述,疲劳失效实例,引言,疲劳失效概述,疲劳失效实例,引言,疲劳引起的破坏,疲劳失效概述,疲劳失效实例,引言,疲劳失效概述,规则交变应力与不规则交变应力,t,t,t,引言,疲劳失效概述,规则交变应力与不规则交变应力,t,t,t,引言,疲劳失效概述,规则交变应力与不规则交变应力,引言,疲劳失效概述,交变应力的若干名词和术语,应力比应力循环中最大应力与最小应力之比,引言,疲劳失效概述,应力比应力循环中最大应力与最小应力之比,交变应力的若干名词和术语,应力循环应力变化的一个周期,引言,疲劳失效概述,应力比应力循环中最大应力与最小应力之比,交变应力的若干名词和术语,引言,疲劳失效概述,交变应力的若干名词和术语,对称循环应力比r=-1的应力循环,引言,疲劳失效概述,交变应力的若干名词和术语,脉冲循环应力比r=0的应力循环,引言,疲劳失效特征,引言,疲劳失效特征,破坏时,名义应力值远低于材料的静载强度极限;,破坏前没有明显的塑性变形,即使韧性很好的材料,也会呈现脆性断裂;,交变应力作用下的疲劳破坏需要经过一定数量的应力循环;,同一疲劳断口,一般都有明显的光滑区域和颗粒状区域。
引言,疲劳失效特征,同一疲劳断口,一般都有明显的光滑区域和颗粒状区域。
引言,疲劳失效原因分析,引言,疲劳失效原因分析,晶粒,引言,疲劳失效原因分析,引言,疲劳失效原因分析,初始缺陷,滑移,滑移带,初始裂纹(微裂纹),宏观裂纹,脆性断裂,引言,疲劳极限与应力寿命曲线,引言,疲劳极限与应力寿命曲线,疲劳强度设计的依据疲劳极限,疲劳极限经过无穷多次应力循环而不发生疲劳失效时的最大应力值。
又称为持久极限(endurancelimit).,疲劳极限由疲劳实验确定,引言,疲劳极限与应力寿命曲线,疲劳试样,引言,疲劳极限与应力寿命曲线,疲劳试验装置,引言,疲劳极限与应力寿命曲线,疲劳试验装置,引言,疲劳极限与应力寿命曲线,应力寿命曲线,引言,疲劳极限与应力寿命曲线,两种试验的应力寿命曲线,每一应力水平只有一个试样的数据,O,引言,疲劳极限与应力寿命曲线,两种试验的应力寿命曲线,每一应力水平有一组试样的数据,O,引言,疲劳极限与应力寿命曲线,两种试验的应力寿命曲线,O,O,每一应力水平有一组试样的数据,每一应力水平只有一个试样的数据,引言,疲劳极限与应力寿命曲线,条件疲劳极限,对于有渐近线的SN曲线,规定经历107次应力循环而不发生疲劳破坏,即认为可以承受无穷多次应力循环。
对于没有渐近线的SN曲线,规定经历2107次应力循环而不发生疲劳破坏,即认为可以承受无穷多次应力循环。
引言,影响疲劳寿命的因素,影响疲劳寿命的因素,应力集中的影响;零件尺寸的影响;表面加工质量的影响;零件的疲劳极限。
影响疲劳寿命的因素,应力集中的影响,截面突变处的应力集中现象,影响疲劳寿命的因素,应力集中的影响用有效应力集中因数Kf度量,光滑试样的疲劳极限;,有应力集中试样的疲劳极限。
应力集中的影响,影响疲劳寿命的因素,有效应力集中因数,Kt理论应力集中因数,可查表确定;q材料对应力集中的敏感系数,与材料有关。
应力集中的影响,影响疲劳寿命的因素,Kt理论应力集中因数,可查表确定,应力集中的影响,影响疲劳寿命的因素,q材料对应力集中的敏感系数,与材料有关,应力集中的影响,影响疲劳寿命的因素,影响疲劳寿命的因素,零件尺寸的影响用尺寸因数度量,零件的疲劳极限;,光滑小试样的疲劳极限。
影响疲劳寿命的因素,零件尺寸的影响用尺寸因数度量,影响疲劳寿命的因素,表面加工质量的影响用表面加工质量因数度量,其它加工时的疲劳极限;,磨削加工时的疲劳极限。
影响疲劳寿命的因素,表面加工质量的影响用表面加工质量因数度量,影响疲劳寿命的因素,零件的疲劳极限,综合考虑各种因素的影响,零件的疲劳极限为,对于对称正应力循环,对于对称切应力循环,有限寿命设计与无限寿命设计,有限寿命设计与无限寿命设计,两种不同的疲劳设计方法,无限寿命设计方法中,等幅对称应力循环下的疲劳强度设计,等幅交变应力循环下的疲劳寿命估算,有限寿命设计与无限寿命设计,两种不同的疲劳设计方法,有限寿命设计与无限寿命设计,无限寿命设计方法中,等幅对称应力循环下的疲劳强度设计,安全因数法与设计准则,n零件的工作安全因数;,n规定的安全因数。
有限寿命设计与无限寿命设计,无限寿命设计方法中,等幅对称应力循环下的疲劳强度设计,等幅对称应力循环下零件的工作安全因数,对于对称正应力循环,对于对称切应力循环,有限寿命设计与无限寿命设计,根据光滑小试样的应力寿命曲线估算疲劳寿命,有限寿命设计与无限寿命设计,根据零件试验所得到的应力寿命曲线估算疲劳寿命,线性累积损伤理论,线性累积损伤理论,基本概念,周期变幅交变应力时的疲劳寿命估算,线性累积损伤理论,线性累积损伤理论,变幅交变应力,规则的变幅交变应力,不规则的变幅交变应力,线性累积损伤理论,无限寿命设计的不合理性,线性累积损伤理论,损伤的概念,周期变幅交变应力时的疲劳强度设计,允许构件上危险点应力循环中的最大应力值超过疲劳极限。
当最大应力值超过疲劳极限时,构件内部就会产生一定数量的损伤(damage)。
这种损伤是可以累积的,当损伤累积到一定数量时,便发生疲劳破坏。
这种损伤称为累积损伤(cumulativedamage),线性累积损伤理论,构件寿命的消耗过程,应力由高到低,在S1下消耗的寿命n1,占总寿命N1的比:
n1/N1,在S2下消耗的寿命n2,占总寿命N2的比:
n2/N2,线性累积损伤理论,构件寿命的消耗过程,应力由低到高,在S1下消耗的寿命n1,占总寿命N1的比:
n1/N1,在S2下消耗的寿命n2,占总寿命N2的比:
n2/N2,线性累积损伤理论,线性累积损伤理论,在确定的应力水平下,经过一次应力循环,产生等量的损伤。
在一个应力水平下所消耗的寿命与这一应力水平下的总寿命之比,等于在任何不同应力水平下消耗的寿命与那一应力水平下的总寿命之比。
损伤累积到一定程度,寿命终结,发生疲劳破坏,线性累积损伤理论,对于两次变幅:
对于多次变幅:
?
线性累积损伤理论,Miner准则,不同应力水平下发生损伤时,材料吸收的净功:
S1,W1,S2,W2,Sk,Wk,发生疲劳破坏时,材料吸收的总净功W,与应力水平无关。
线性累积损伤理论,Miner准则,损伤与净功之间的关系:
对于多次变幅循环,最后发生疲劳破坏:
W1W2WkW,线性累积损伤理论,Miner准则,W1W2WkW,线性累积损伤理论,Miner准则,损伤率,线性累积损伤理论,变幅交变应力时,如果有若干应力循环中的最大应力超过疲劳极限,如何确定零件的总寿命?
问题,线性累积损伤理论,根据Miner准则,零件的总寿命为,据此可以确定零件的剩余寿命。
线性累积损伤理论,怎样根据寿命公式确定零件的剩余寿命?
Ni应力Si下的寿命,由Si和SN曲线确定;,线性累积损伤理论,对于规则变化的交变应力,线性累积损伤理论,niT一个周期内某个应力水平Si下的循环数;,NT一个周期内所有应力水平下的循环总数。
线性累积损伤理论,例题,已知:
低合金结构钢试样在不同应力水平下的疲劳寿命(试验数据);一材料相同的试样在承受下列应力水平和相应的应力循环次数仍未发生疲劳破坏:
i/MpaNi(寿命循环数),5501500510100504802080045050500410125000380275000,i/MpaNi(经历的循环数),51030004501200038080000,若所有应力循环均为周期性对称应力循环,这一试样再a=480Mpa承受对称应力循环,其剩余寿命还有多少?
线性累积损伤理论,周期变幅交变应力时的疲劳寿命估算,例题,i/MpaNi(寿命循环数),5501500510100504802080045050500410125000380275000,i/MpaNi(经历的循环数),51030004501200038080000,解:
还要经历n4次应力循环,发生疲劳破坏,根据Miner准则,有,线性累积损伤理论,周期变幅交变应力时的疲劳寿命估算,例题,i/MpaNi(寿命循环数),5501500510100504802080045050500410125000380275000,i/MpaNi(经历的循环数),51030004501200038080000,1=510MPa:
N1=10050,ni=3000;1=450MPa:
N1=50500,ni=12000;1=380MPa:
N1=275000,ni=80000;1=480MPa:
N1=20800,ni=?
n4=3598,疲劳强度可靠性概述,疲劳强度可靠性概述,疲劳试验结果的分散性,标准离差与可靠性的关系,考虑可靠性时零件的疲劳安全因数,疲劳强度可靠性概述,疲劳试验结果的分散性,疲劳强度可靠性概述,标准离差与可靠性的关系,标准离差在高斯概率分布规律下,试验点的应力值与平均曲线上对应的应力值相差8时称为一个标准离差(standarddeviation),疲劳强度可靠性概述,标准离差与可靠性的关系,可靠性与标准离差之间存在下列关系:
R可靠性;up标准离差。
疲劳强度可靠性概述,标准离差与可靠性的关系,up1,R84.13%up3,R99.9%,考虑可靠性时零件的疲劳安全因数,疲劳强度可靠性概述,对于等幅对称应力循环,考虑可靠性、应力集中、尺寸以及表面加工质量等因素后,零件的疲劳极限为:
零件的工作安全因数为:
结论与讨论,关于疲劳问题的判断,非对称应力循环疲劳问题的分析方法,结论与讨论,提高疲劳强度的办法,结论与讨论,判断应力是否随着时间的变化而变化,轴固定;轮子可在轴上转动。
请判断什么情形下轴将发生疲劳破坏?
结论与讨论,判断应力是否随着时间的变化而变化,轴与轮子固结成一体转动。
请判断什么情形下轴将不发生疲劳破坏?
结论与讨论,设计过程要尽量避免或减少产生应力集中的因素,结论与讨论,提高表面加工的质量,磨削、抛光、喷弹、等离子处理,?
结论与讨论,役前检测与在役检测,怎样制止裂纹继续扩展,延长轴的使用寿命,结论与讨论,非对称应力循环疲劳问题的难点在于不能通过试验确定疲劳强度。
结论与讨论,非对称应力循环疲劳问题的分析方法:
通过有限疲劳试验(不同应力比)结果绘制疲劳极限图线,并加以简化;,将非对称循环化为对称循环;,按对称循环进行疲劳强度计算。
结论与讨论,第一步:
由简化后的疲劳极限图线,得到等效对称循环疲劳极限,将非对称循环化为对称循环,其中A、M、A、A均由疲劳极限图线得到。
结论与讨论,第二步:
确定等效应力循环中的最大应力,将非对称循环化为对称循环,其中a、m、a、m均为应力循环中的数值。
结论与讨论,将非对称循环化为对称循环,第三步:
考虑各种影响因素,对最大应力加以修正(只影响应力变动部分,不影响应力不动部分),将非对称循环化为对称循环,结论与讨论,第四步:
确定工作安全因数,本章作业,113114115*116,谢谢大家,
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