疲勞強(qiáng)五PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1 疲勞強(qiáng)五疲勞強(qiáng)五 對(duì)于等幅交變應(yīng)力，可用材料的 SN 曲線(如圖 23)或 am SS曲線(如圖 211)以表示在不同應(yīng)力水平下到達(dá)破壞所需 要的循環(huán)次數(shù)。 同樣，對(duì)于典型的構(gòu)件（如接頭）或組合件，也可以通過(guò)試 驗(yàn)，得出這樣的曲線，以表示其疲勞性能。例如，圖 61 就是 一個(gè)用一種不繡鋼制造的飛機(jī)零件的SN曲線。 第1頁(yè)/共44頁(yè) 第2頁(yè)/共44頁(yè) 第3頁(yè)/共44頁(yè) 第4頁(yè)/共44頁(yè) 例如，零件在兩個(gè)不同應(yīng)力水平 1 S和 2 S下循環(huán)加載， 且知道每一小時(shí)中， 1 S循環(huán) 1 N次， 2 S循環(huán) 2 N次。 用SN曲 線，我們可以確定，僅在 1 S作用下，至破壞時(shí)的循環(huán)數(shù)為 1 N

2、；僅在 2 S作用下，至破壞時(shí)的循環(huán)數(shù)為 2 N。可是我們 無(wú)法直接知道，同時(shí)作用 1 S和 2 S時(shí)（ 1 S和 2 S的組合可以 是各種各樣的） ，零件的壽命到底是多少小時(shí)。 第5頁(yè)/共44頁(yè) 第6頁(yè)/共44頁(yè) 5一一2 線性累積損傷理論及其應(yīng)用線性累積損傷理論及其應(yīng)用 直到目前，工程上仍被廣泛采用的累積損傷理論是首 先由德國(guó)人帕爾姆格林（Palmgram）于 1924 年，和美國(guó) 人邁納 （Miner） 于 1945 年所提出的線性累積損傷理論 （這 種累積損傷理論在國(guó)外文獻(xiàn)中常稱(chēng)為PalmgramMiner理 論，或簡(jiǎn)稱(chēng)為 Miner 理論） 。 第7頁(yè)/共44頁(yè) 5一一2 線性累積損

3、傷理論及其應(yīng)用線性累積損傷理論及其應(yīng)用 基本假設(shè)基本假設(shè)： (1)各級(jí)交變應(yīng)力引起的疲勞損傷可以分別計(jì)算， 然后再線 性疊加起來(lái)。 (2)而某級(jí)應(yīng)力水平 i S造成的疲勞損傷與該應(yīng)力水平所施 加的循環(huán)數(shù) i n和在同一應(yīng)力水平下直至發(fā)生破壞時(shí)所需的循 環(huán)數(shù) i N的比值成正比，即與比值/ ii nN成正比例，比值/ ii nN一 般稱(chēng)為“循環(huán)比” ，或“損傷比” 。 第8頁(yè)/共44頁(yè) 312 123 1 i i nnnn NNNN 第9頁(yè)/共44頁(yè) 5一一2 線性累積損傷理論及其應(yīng)用線性累積損傷理論及其應(yīng)用 上式是多級(jí)循環(huán)加載下的破壞條件，也是線性累積損傷理 論的計(jì)算公式。 有了這個(gè)公式，再加

4、上所需的SN曲線，就可以進(jìn)行疲勞 壽命估算了。 第10頁(yè)/共44頁(yè) 5一一2 線性累積損傷理論及其應(yīng)用線性累積損傷理論及其應(yīng)用 例 1：一個(gè)飛機(jī)零件用一種不銹鋼板制造，理論應(yīng)力集中 系數(shù) t K為 4.0，用試驗(yàn)得到的SN曲線如圖所示。根據(jù)實(shí)測(cè)統(tǒng) 計(jì)，每次飛行遭遇的應(yīng)力歷程如下： 0 一 42 公斤毫米 2 1 次; 0 一 35 公斤毫米 2 10 次 0 一 2l 公斤毫米 2 200 次; 0 一 14 公斤毫米 2 1000 次 求：零件破壞前可以飛行的次數(shù)。 第11頁(yè)/共44頁(yè) 5一一2 線性累積損傷理論及其應(yīng)用線性累積損傷理論及其應(yīng)用 解：由圖查得 0 一 42 公斤毫米 2 應(yīng)力

5、作用下破壞時(shí)的循環(huán)數(shù) 1 N3.5103 0 一 35 公斤毫米 2 應(yīng)力作用下破壞時(shí)的循環(huán)數(shù) 2 N1.2104 0 一 21 公斤毫米 2 應(yīng)力作用下破壞時(shí)的循環(huán)數(shù) 3 N1.7105 0 一 14 公斤毫米 2 應(yīng)力作用下破壞時(shí)的循環(huán)數(shù) 4 N108 現(xiàn)列表計(jì)算如下： 第12頁(yè)/共44頁(yè) 5一一2 線性累積損傷理論及其應(yīng)用線性累積損傷理論及其應(yīng)用 由上表可見(jiàn)，每次飛行的總損傷為 3 2.295 10 i i n N 若零件破壞前能飛L次，則由 3 2.295 101L 可得 3 1 436 2.295 10 L (次) 顯然， 計(jì)算得到的是該零件壞破前可能進(jìn)行的飛行次數(shù)的平均 值。實(shí)際應(yīng)

6、用中，該零件破壞前可能進(jìn)行的飛行次數(shù)將在 436 次上、下波動(dòng)。 第13頁(yè)/共44頁(yè) 5一一2 線性累積損傷理論及其應(yīng)用線性累積損傷理論及其應(yīng)用 通過(guò)上例，可見(jiàn)只要有了所需的SN曲線，線性累積損 傷理論為疲勞壽命估算及載荷譜的簡(jiǎn)化折算等提供了一個(gè)簡(jiǎn) 便的方法。 第14頁(yè)/共44頁(yè) 5一一2 線性累積損傷理論及其應(yīng)用線性累積損傷理論及其應(yīng)用 第15頁(yè)/共44頁(yè) 5一一2 線性累積損傷理論及其應(yīng)用線性累積損傷理論及其應(yīng)用 由于線性累積損傷理論存在上述種種問(wèn)題， 就必然導(dǎo)致理 論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際壽命間常有不同程度的差別。 因此，用這種累積損傷理論計(jì)算的疲勞壽命只稱(chēng)為“估 算” 。 以往為了使估算的壽命

7、更符合實(shí)際情況， 國(guó)內(nèi)外曾對(duì)破壞 條件中的系數(shù)值作過(guò)不少研究推敲。 第16頁(yè)/共44頁(yè) 5一一2 線性累積損傷理論及其應(yīng)用線性累積損傷理論及其應(yīng)用 1956 年科汀-多倫提出修正線性累積損傷理論，即把線性 累積損傷的破壞條件用公式： i i n K N 來(lái)表示，而對(duì)系數(shù)K再規(guī)定合理的數(shù)值。 例如在飛機(jī)設(shè)計(jì)中，有人根據(jù)機(jī)其結(jié)構(gòu)全尺寸疲勞試驗(yàn) 結(jié)果，建議對(duì)于典型的飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件（如機(jī)翼等）K值取 1.5。 而對(duì)元件仍用K1。也有人為了安全，建議K值改用 0.5 或 更低的值。 第17頁(yè)/共44頁(yè) 5一一3 名義應(yīng)力無(wú)限壽命設(shè)計(jì)方法名義應(yīng)力無(wú)限壽命設(shè)計(jì)方法 以名義應(yīng)力為基本設(shè)計(jì)參數(shù)的抗疲勞設(shè)計(jì)方法稱(chēng)

8、為常規(guī)疲勞設(shè)計(jì)，也稱(chēng)為名義應(yīng)力法，是最早使用的 抗疲勞設(shè)計(jì)方法。 包括：無(wú)限壽命設(shè)計(jì) 有限壽命設(shè)計(jì) 第18頁(yè)/共44頁(yè) 5一一3 名義應(yīng)力無(wú)限壽命設(shè)計(jì)方法名義應(yīng)力無(wú)限壽命設(shè)計(jì)方法 1. 無(wú)限壽命設(shè)計(jì) 無(wú)限壽命設(shè)計(jì)法由 CepeHceH C. A. （謝聯(lián)先）于 40 年 代提出，是最早使用的抗疲勞設(shè)計(jì)方法，現(xiàn)在仍在廣泛使用。 無(wú)限壽命設(shè)計(jì)法的出發(fā)點(diǎn)是，零件在設(shè)計(jì)應(yīng)力下能夠長(zhǎng) 期安全使用。 第19頁(yè)/共44頁(yè) 5一一3 名義應(yīng)力無(wú)限壽命設(shè)計(jì)方法名義應(yīng)力無(wú)限壽命設(shè)計(jì)方法 第20頁(yè)/共44頁(yè) 5一一3 名義應(yīng)力無(wú)限壽命設(shè)計(jì)方法名義應(yīng)力無(wú)限壽命設(shè)計(jì)方法 對(duì)于很多安裝在地面上不常搬動(dòng)的民用機(jī)械，對(duì)它們的

9、主要要 求是使用可靠和壽命長(zhǎng)，而對(duì)機(jī)器的自重常常沒(méi)有嚴(yán)格限制。對(duì)于 這些機(jī)器往往使用無(wú)限壽命設(shè)計(jì)法。 這時(shí)，機(jī)器的重量雖然比使用有限壽命設(shè)計(jì)法為重，但由于使 用壽命比有限壽命設(shè)計(jì)法大大增加，從經(jīng)濟(jì)上看還是比用有限壽命 設(shè)計(jì)法合算。 特別是那些只生產(chǎn)一臺(tái)或幾臺(tái)的重型機(jī)械，機(jī)器成本很高，不 允許造備品，而一臺(tái)出了事故，就要長(zhǎng)時(shí)間停產(chǎn)，造成的損失很大。 對(duì)于這些機(jī)器，為了確保能夠長(zhǎng)期安全使用，更加應(yīng)當(dāng)使用無(wú)限壽 命設(shè)計(jì)法。 第21頁(yè)/共44頁(yè) 5一一4 名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)方法名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)方法 2. 有限壽命設(shè)計(jì) 有限壽命設(shè)計(jì)法只保證機(jī)器在一定的使用期限內(nèi)安全使 用。 因此， 它允許零件的工

10、作應(yīng)力超過(guò)疲勞極限， 機(jī)器的重量 比無(wú)限壽命設(shè)計(jì)法為輕，是當(dāng)前許多機(jī)械產(chǎn)品的主導(dǎo)設(shè)計(jì)思 想。如飛機(jī)、汽車(chē)等對(duì)自重有較高要求的產(chǎn)品，都使用這種設(shè) 計(jì)方法進(jìn)行抗疲勞設(shè)計(jì)。 第22頁(yè)/共44頁(yè) 5一一4 名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)方法名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)方法 名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)法是一種使用較早的有限壽命設(shè) 計(jì)法，已經(jīng)使用多年，使用經(jīng)驗(yàn)比較豐富。這種設(shè)計(jì)法常稱(chēng)為 安全壽命設(shè)計(jì)， 它是無(wú)限壽命設(shè)計(jì)法的直接發(fā)展， 二者的基本 設(shè)計(jì)參數(shù)都是名義應(yīng)力。 第23頁(yè)/共44頁(yè) 5一一4 名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)方法名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)方法 第24頁(yè)/共44頁(yè) 5一一4 名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)方法名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)方法 無(wú)

11、限壽命設(shè)計(jì)與有限壽命設(shè)計(jì)的區(qū)別： （1）無(wú)限壽命設(shè)計(jì)法使用的是SN曲線的右段水平部分，亦 即疲勞極限；而有限壽命設(shè)計(jì)法使用的是SN曲線的左段斜 線部分，亦即有限壽命部分。 第25頁(yè)/共44頁(yè) 第26頁(yè)/共44頁(yè) 5一一4 名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)方法名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)方法 1等幅應(yīng)力 （1）對(duì)稱(chēng)循環(huán) 零件SN曲線是名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)法的基礎(chǔ)。當(dāng)然， 用全尺寸零件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)是得出零件SN曲線的最好方 法。但是，在設(shè)計(jì)階段零件還沒(méi)有設(shè)計(jì)制造出來(lái)，往往沒(méi)有條 件這樣做。這時(shí)，常用的方法是利用材料SN曲線估算出零 件SN曲線。使用這種方法進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)的步驟如下： 第27頁(yè)/共44頁(yè) 5一一4 名義應(yīng)

12、力有限壽命設(shè)計(jì)方法名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)方法 第28頁(yè)/共44頁(yè) 1）、作出對(duì)稱(chēng)循環(huán)下的材料 曲線，可以使用以下三種方法： 從手冊(cè)或文獻(xiàn)上查出所用材料的 曲線。 對(duì)所用材料進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，得出其材料 曲線。 在沒(méi)有現(xiàn)成的 曲線可利用，也沒(méi)有條件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，可使用簡(jiǎn)化方法。 SN SN SN SN 第29頁(yè)/共44頁(yè) 5一一4 名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)方法名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)方法 第30頁(yè)/共44頁(yè) 5一一4 名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)方法名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)方法 第31頁(yè)/共44頁(yè) 5一一4 名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)方法名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)方法 第32頁(yè)/共44頁(yè) 5一一4 名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)方法名義應(yīng)力

13、有限壽命設(shè)計(jì)方法 第33頁(yè)/共44頁(yè) 5一一4 名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)方法名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)方法 第34頁(yè)/共44頁(yè) 5一一4 名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)方法名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)方法 第35頁(yè)/共44頁(yè) 5一一4 名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)方法名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)方法 第36頁(yè)/共44頁(yè) 5一一4 名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)方法名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)方法 （2）非對(duì)稱(chēng)循環(huán) 在非對(duì)稱(chēng)循環(huán)下，不但需要零件SN曲線還需要零件 的 Goodman 圖。下面敘述利用零件的SN曲線和 Goodman 圖進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)的步驟： 1） 、作出材料的 Goodlman 圖。在 am 坐標(biāo)上，將縱軸上的 1N 與橫軸上的 b 相連，即

14、可得出疲勞壽命為 N時(shí)的材料 Goodman 圖。 2） 、作出零件的 Goodman 圖。將材料SN曲線中 1N 的換 為 1DN 即可得出零件 Goodman 圖。 第37頁(yè)/共44頁(yè) 5一一4 名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)方法名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)方法 3） 、疲勞壽命估算。如圖所 示，先將工作應(yīng)力 a 和 m 乘 以許用安全系數(shù)n，得出計(jì) 算 應(yīng) 力 ag 和 mg ， 將 點(diǎn) (,) mgag Q與 靜 載 破 壞 點(diǎn) (,0) b B直線相連， 并將其延 長(zhǎng)交縱軸于 1 (0,) DN C ，則 BC 即為等壽命線， 其壽命可 根據(jù) 1DN 從零件SN曲線 上查出。 第38頁(yè)/共44頁(yè) 5一

15、一4 名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)方法名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)方法 第39頁(yè)/共44頁(yè) 5一一4 名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)方法名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)方法 第40頁(yè)/共44頁(yè) 5一一4 名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)方法名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)方法 （1）分析確定零件的載荷譜 對(duì)承受隨機(jī)載荷的零件進(jìn)行壽命估算時(shí)，必須先進(jìn)行載 荷譜分析。對(duì)于正在設(shè)計(jì)中的機(jī)器，雖然不能確切知道它將 來(lái)如何使用，但可以根據(jù)過(guò)去對(duì)這類(lèi)機(jī)器載荷情況的調(diào)查， 再加上對(duì)新的使用條件的估計(jì)，制訂出其設(shè)計(jì)載荷譜。 如果不考慮循環(huán)過(guò)程中的強(qiáng)化和弱化作用，也不考慮過(guò) 載效應(yīng)等，認(rèn)為疲勞損傷與加載次序無(wú)關(guān)，也不考慮每次循 環(huán)的路徑和持續(xù)時(shí)間的不同，只認(rèn)為峰值和谷值起作用，這 樣就可以用上一章中的雨流法對(duì)載荷譜進(jìn)行簡(jiǎn)化。 第41頁(yè)/共44頁(yè)