疲勞強度設計的案例
疲勞強度設計資料 ￥5
疲勞強度設計資料
焊接結構抗疲勞設計過程中的認識誤區
在使用名義應力法時，該標準寫明要以材料的S-N曲線為基礎，然而焊接結構的疲勞試驗數據已經表明：焊接接頭母材的S-N曲線數據不能代替焊接接頭的S-N曲線數據，其原因也是它們具有不同的力學破壞機理。
在評估疲勞壽命時，該標準使用的是考慮應力比R的“修正Goodman圖”，即認為疲勞強度隨不同的R值變化。后來鐵道部又頒布《200km/h及以上速度級鐵道車輛強度設計及試驗鑒定暫行規定》，然而在這個新的規定中依然將用于金屬材料疲勞的理論與方法用于焊接結構。事實上，英國焊接研究所的疲勞試驗數據早已證明，修正的Goodman圖用來處理焊接結構的疲勞問題是不恰當的，理由是由于焊接殘余應力的存在，平均應力對焊接接頭壽命的影響基本看不到，而金屬材料的疲勞則不是這樣。
正是由于理論認識上的誤導，國內軌道車輛制造工廠的有些設計人員或者決策部門在力圖提高焊接結構的抗疲勞能力時，常傾向于選用屈服強度高的母材，他們誤認為提高屈服強度母材的焊接接頭的抗疲勞能力也必然高。對于金屬疲勞問題，這個觀點是成立的，例如文獻《抗疲勞設計——方法與數據》中曾用試驗數據證明了“材料的疲勞強度與材料的抗拉強度之間有著較好的相關性”，甚至給出了一個近似估算公式。然而對于焊接結構來說，該觀點是不成立的。英國標準BS76081993《鋼結構疲勞設計與評估實用標注》已經用數據明確證明，標準中所提供的S-N曲線數據對屈服強度低于700MPa,例如屈服強度為345MPa的Q345鋼與屈服強度為435MPa的Q435鋼，它們的S-N曲線數據是沒有區別的。關于這一點，國際焊接學會在2008年的標準中，甚至將這個屈服強度范圍提高到960MPa。
展開 疲勞分析基本概念介紹
一種是機械設計的方法，主要有優化或改善缺口形狀，改進加工工藝工程和質量等手段將危險點的峰值應力降下來；另一種是材料冶金的方法，即用熱處理手段將危險點局部區域的疲勞強度提高，或者是提高冶金質量來減少金屬基體中的非金屬夾雜等材料缺陷等局部薄弱區域。在解決實際工程問題時，往往需要結合運用以上兩種方法進行疲勞強度設計和研究。合理地利用各種提高疲勞強度的手段，可以有效地提高構件的疲勞強度或延長其疲勞壽命，并起到輕量化的作用。
關于疲勞問題的研究，基本上可分為疲勞裂紋的形成和擴展機理、規律方面的基礎性研究和疲勞強度設計以及提高疲勞強度的有效途徑等應用性研究。應用性研究雖然借鑒了基礎性研究的成果，但因為它需要考慮更多的實際影響因素，所以它的研究更為復雜和困難。因此相比之下關于疲勞壽命的預測和疲勞強度設計等應用性研究要少得多，遠遠落后于實際工程的需求。過去，疲勞強度設計和壽命預測的研究主要是以試驗為基礎進行的。隨著計算機應用技術和有限元數值計算理論及其應用的迅速發展，現在又興起了基于大量試驗數據的疲勞強度設計和壽命計算的有限元數值計算方法，有力地推動著零部件疲勞強度設計的研究及應用的發展。
當前，業已發展形成了專用的疲勞分析軟件，如MSC/FATIGUE等。此外許多著名的有限元分析軟件也嵌套有功能較為齊全的疲勞強度計算模塊，如MARC，ANSYS，以及I-Deas中的CAE等。這些軟件疲勞強度計算模塊的細節雖然不盡相同，但是其基本思路與算法大都相似。
展開 【材料課堂】疲勞強度的影響因素
但是實際零部件的形狀、尺寸、表面狀態、工作環境和工作載荷的特點都可能大不相同，而這些因素都對零部件的疲勞強度產生很大的影響。疲勞強度的影響因素可分為力學、冶金學和環境三個方面。這些因素互相聯系影響，使得在疲勞強度設計和疲勞壽命預測時，綜合評價這些因素影響變得復雜。
三類因素中，力學因素從根本上講可歸結為應力集中和平均應力的影響；冶金學因素可歸納為冶金質量即材料的純凈度和材料的強度；而環境因素主要有腐蝕介質和高溫的影響。對于鐵路車輛零部件大多數的情況是在大氣和常溫環境下工作的，所以一般情況下應主要考慮力學和冶金學兩類因素。它們包括缺口形狀的影響、尺寸的影響、表面狀態的影響和平均應力的影響等。關于這些因素對疲勞極限影響的具體數據相關的經驗公式，可查閱有關手冊和資料。這里主要討論疲勞強度設計和疲勞壽命預測時需要了解的一些比較重要的影響規律或現象，以及必須或應該考慮到的注意事項。
一、缺口形狀效應
零件或構件常常帶有如軸肩類的臺階、螺栓孔和油孔、鍵槽等所謂的缺口，它們的共同特點是零件的橫截面積在缺口處發生了突變，而在這些缺口根部應力會急劇升高，這種現象叫做應力集中。
缺口處的應力集中是造成零部件疲勞強度大幅度下降的最主要的因素。應力集中使得缺口根部的實際應力遠大于名義應力，使該處產生疲勞裂紋，最終導致零件失效或破壞。應力集中的程度用應力集中系數（又稱理論應力集中系數）Kt來描述，表達式如下。
這里，σmax為最大應力，σ0為載荷除以缺口處凈截面積所的得平均應力，又稱名義應力。
在一定范圍內，缺口根部的曲率半徑ρ越小，應力集中程度越大，疲勞強度降低的程度也就越大。但是，對于低中碳鋼等塑性材料，當缺口根部的曲率半徑進一步減小甚至小于零點幾個毫米時，疲勞強度的降低程度會變的越來越小甚至不再降低。
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疲勞分析基本概念介紹
隨著計算機應用技術和有限元數值計算理論及其應用的迅速發展，現在又興起了基于大量試驗數據的疲勞強度設計和壽命計算的有限元數值計算方法，有力地推動著零部件疲勞強度設計的研究及應用的發展。
當前，業已發展形成了專用的疲勞分析軟件，如FE-SAFE等。此外許多著名的有限元分析軟件也嵌套有功能較為齊全的疲勞強度計算模塊，如MARC，ANSYS，以及I-Deas中的CAE等。這些軟件疲勞強度計算模塊的細節雖然不盡相同，但是其基本思路與算法大都相似。
疲勞分析中常見概念介紹.pdf
機械零件疲勞強度計算
1.疲勞強度的基本概念
機械零件在工作時，往往受到力的作用。若強度不足，則可能引起零件斷裂或過度塑性變形等失效。因此，強度條件是設計機械零件時必須滿足的設計準則。通用機械零件的強度計算分為靜應力強度和變應力強度兩個范疇。應力按其隨時間變化的特性不同，可分為靜應力和變應力，應力的大小和方向不隨時間變化或變化緩慢的應力稱為靜應力；隨時間變化較為明顯的稱為變應力。在靜應力作用下的零件，可以根據材料力學的知識進行靜強度條件設計；在變應力作用下的零件，應按疲勞強度條件設計。
1.1.應力循環特性
具有周期性的變應力稱為循環變應力，否則稱為隨機變應力。循環變應力分為穩定循環變應力和規律性不穩定循環變應力兩種。穩定循環變應力又有三種基本類型：對稱循環變應力、脈動循環變應力和一般循環變應力。
變應力特性可用最大應力σmax、最小應力σmin、平均應力σm、應力幅σa和應力比r（應力循環特性系數）5個基本參數來描述。
其中，σmax和σmin分別表示最大和最小應力（正應力）。
1）對于對稱循環變應力，σm=0，σmax=σa=-σmin，r=-1；
2）對于脈動循環變應力，σm=σa，σmin=0，r=0；
3）對于靜應力，σa=0，σmax=σmin=σm，r=1。
在這些循環變應力中，對稱循環變應力對機械零件的破壞力最大。
1.2.材料的疲勞特性
在變應力作用下，機械零件的主要失效形式是疲勞斷裂。疲勞斷裂是與應力循環次數有關的斷裂。
疲勞失效往往是在沒有明顯預兆的情況下突然發生的，因此常常造成嚴重的事故。據統計，飛機、車輛和機器中發生的事故有很大比例是疲勞失效造成的。因此，對于在變應力作用下的零件進行疲勞強度計算是非常必要的。
展開 疲勞強度設計快速入門 ￥2.5
本文拿疲勞作例。對于那些要馬上使用疲勞知識解決問題的朋友來說，這屬于迫切知識，需要掌握什么就必須掌握什么，沒有商量余地。但對于其他結構分析人員，他們需要分析結構的力學性能，又不需要考察結構的疲勞性能，可是他們對疲勞充滿著好奇，并且以后可能需要使用這方面知識，這就屬于非迫切以后可能需要的知識，此時應該這樣學習疲勞?。?！
高強度螺栓疲勞壽命分析與設計改進
螺栓疲勞 S-N 曲線與疲勞壽命計算
計算結果表明, 該風扇座環連接螺栓的疲勞可定性為低周疲勞。
目前, 在進行零部件低周疲勞分析時, 常用的是基于應變的疲勞分析方法。同時, 螺栓為高預緊力的受力狀態, 在采用應變方法進行計算分析時, 需計入平均應力修正的影響。
3.1 螺栓疲勞 S-N 曲線
3.1.1 ASME 標準螺栓疲勞 S-N 曲線.
針對高強度螺栓的疲勞分析, ASME 規范中規定了相關的 S-N 參數。
在 ASME標準中, 基于光軸試件的疲勞曲線設計是基于多項式函數的方式給定, 涉及低合金碳素鋼、鎳鉻合金鋼、銅鎳合金、鎳鉻鉬合金鋼以及高強度螺栓等材料, 其計算公式為,
式中, Sa 指應力幅值, N 為設計的循環次數。式中 Ci 數值均可從標準中查得。
3.1.2 基于應變疲勞的S-N曲線.
基于應變疲勞的 S-N曲線計算公式為,
式中, Δε/2=εu為全應變幅值, Δεe/2=Δσ/2E=σa/E為彈性應變幅值, Δεp/2=Δε/2-Δεe/2為彈性應變幅值, ε'f為疲勞持久系數, c為疲勞持久指數, σ'f為疲勞強度系數, b為疲勞強度因子, E為彈性模量, Δσ/2=σa為應力幅值。
文獻對于上述公式給出了近似的方法,
式中, Δε/2=εu全應變幅值, εf=ln (A0/Af) =ln[100/ (100-%RA) ], 真實的斷裂應變或延展性, %RA=100 (A0/Af) /A0) , 斷面收縮率百分比, Su=Pmax/A0極限拉伸強度。應變疲勞中的平均應力修正為,
3.1.3 兩種方法的疲勞 S-N 曲線對比.
展開 干貨 | 飛機結構疲勞強度的影響因素及改進（附設計手冊下載）
打止裂孔
當構件上已出現疲勞裂紋之后，為了減緩裂紋尖端的局部應力，較有效的辦法是打止裂孔。由疲勞破壞的特征可知，疲勞破壞有一個過程，也就是說，在達到破壞之前，裂紋是緩慢擴展的。打止裂孔的目的就是制止裂紋緩慢擴展。
打止裂孔之所以能減緩裂紋尖端的局部應力制止裂紋緩慢擴展，主要是因為孔增大了裂紋尖端的曲率半徑，降低了應力集中程度。
(二)、提高表面質量
由于表面粗糙是引起應力集中的因素，因此提高構件表面光潔度，也是提高構件疲勞強度的重要措施。
1. 消除構件上由于加工而殘留的刀痕
削除的方法是：用銼刀、砂布進行打磨，但嚴禁用砂輪打磨，并注意打磨方向，防止造成新的周向刀痕。打磨處的光潔度不應低于▽6，并應均勻光滑過渡。
證明，這個措施對于預防承力構件裂紋有明顯作用。
2. 在使用中，應盡力防止構件表面人為地造成傷痕
過去有不少人認為，碰傷、劃傷一點，只能觸及飛機結構的一點毛皮，不會影響飛機壽命。這種認識是片面的。
3. 提高表面材料強度，能使抗疲勞能力增加
常用的方法是滲碳、滲氮、氰化、高頻電表面淬火、滾壓、噴丸和擠壓強化等。這些方法使材料表面組織變化，強度增加，因而疲勞強度增加。
4. 對承受交變載荷的連接件，在裝配時施加短梁的預應力，也可以提高連接件的疲勞強度。
六、《下一代飛機設計》手冊
受到二氧化碳減排需求的推動，電氣化已經成為飛機制造行業的主要發展趨勢。未來飛機設計（例如電力推進型飛機和氫動力飛機）需要創新型技術和流程。
展開 金屬材料疲勞強度的8大主要影響因素 附疲勞強度徐灝下載
材料的疲勞強度對各種外在因素和內在因素都極為敏感。外在因素包括零件的形狀和尺寸、表面光潔度及使用條件等，內在因素包括材料本身的成分、組織狀態、純凈度和殘余應力等。這些因素的細微變化，均會造成材料疲勞性能的波動甚至大幅度變化。
各種因素對疲勞強度的影響是疲勞研究的重要方面，這種研究將為零件合理的結構設計、以及正確選擇材料和合理制定各種冷熱加工工藝提供依據，以保證零件具有高的疲勞性能。今天就分享8個影響疲勞強度的因素。
1. 應力集中的影響
常規所講的疲勞強度，都是用精心加工的光滑試樣測得的，然而，實際機械零件都不可避免地存在著不同形式的缺口，如臺階、鍵槽、螺紋和油孔等。這些缺口的存在造成應力集中，使缺口根部的最大實際應力遠大于零件所承受的名義應力，零件的疲勞破壞往往從這里開始。
有效應力集中系數不僅受構件尺寸和形狀的影響，而且受材料的物理性質、加工、熱處理等多種因素的影響。有效應力集中系數隨著缺口尖銳程度的增加而增加，但通常小于理論應力集中系數。
疲勞缺口敏感度系數q：疲勞缺口敏感度系數表示材料對疲勞缺口的敏感程度，由下式計算。
式中：
Kf為有效應力集中系數；
Kt為理論應力集中系數。
q的數據范圍是0~1，q值越小，表征材料對缺口越不敏感。試驗表明，
q并非純粹是材料常數，它仍然和缺口尺寸有關，只有當缺口半徑大于一定值后，
q值才基本與缺口無關，而且對于不同材料或處理狀態，此半徑值也不同。
2. 尺寸因素的影響
由于材料本身組織的不均勻性以及內部缺陷的存在，尺寸增加造成材料破壞概率的增加，從而降低材料的疲勞極限。
展開 航空航天領域的飛行器氣動設計、結構強度與疲勞、燃燒與傳熱、電磁散射（隱身）、軌道動力學 算法特點，及圖形工作站硬件配置推薦
飛行器氣動設計、結構強度與疲勞、燃燒與傳熱、電磁散射（隱身）、軌道動力學直接觸及了航空航天領域仿真的技術核心。作為UltraLAB圖形工作站的廠商，精準把握這些算法的計算特性，是為客戶提供最優硬件解決方案的關鍵。
我將為您逐一解析這五大航空航天仿真領域。
核心結論速覽表
仿真領域核心算法/方法計算特點主要計算平臺備注飛行器氣動設計
計算流體力學 (CFD)
求解大型稀疏矩陣、高內存帶寬、網格規模巨大
CPU多核 ≈ GPU
GPU加速已成主流，尤其在RANS和LES中。CPU用于復雜前處理。
結構強度與疲勞
隱式有限元法
求解大型線性方程組、對內存和CPU頻率敏感
CPU多核為主，CPU單核為輔
CPU是絕對主力，GPU加速正在興起，但成熟度不如CFD。
燃燒與傳熱
CFD + 化學反應動力學
計算密度極高、多物理場強耦合、極大規模
CPU多核集群 >> GPU
傳統上依賴CPU集群，GPU加速是前沿方向，潛力巨大。
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基于S-N曲線疲勞分析的基本問題
某些不銹鋼和有色金屬的S-N中沒有水平直線部分，此時的疲勞極限都一般定義為108次應力循環下對應的應力幅水平。疲勞極限是材料抗疲勞能力的重要性能指標，也是進行疲勞強度的無限壽命設計的主要依據。
斜線部分給出了試樣承受的應力幅水平與發生疲勞破斷時所經歷的應力循環次數之間的關系，多用如冪函數的形式表示。
式中σ為應力幅或最大應力，N為達到疲勞破斷時的應力循環次數，m，C材料常數。
如果給定一個應力循環次數，便可由上式求出或由斜線量出材料在該條件下所能承受的最大應力幅水平。反之，也可以由一定的工作應力幅求出對應的疲勞壽命。因為此時試樣或材料所能承受的應力幅水平是與給定的應力循環次數相關聯的，所以稱之為條件疲勞極限，或稱為疲勞強度。斜線部分是零部件疲勞強度的有限壽命設計或疲勞壽命計算的主要依據。
材料或構件到發生疲勞破壞時所經歷的應力循環次數稱為材料或構件的疲勞壽命，通常它包括疲勞裂紋的萌生壽命與擴展壽命之和。疲勞裂紋萌生壽命為構件從開始使用到局部區域產生疲勞損傷累積、萌生裂紋時的壽命；裂紋擴展壽命為構件在裂紋萌生后繼續使用而導致裂紋擴展達到疲勞破壞時的壽命。在疲勞強度設計中，疲勞破壞可能被定義為疲勞破斷或規定的報廢限度。
S-N曲線又稱為應力-壽命曲線，主要用于構件的變形在彈性變形范圍內的情形。一般說來，這種應力狀態下的疲勞達到破壞時的循環次數比較高，往往達到108以上，所以這種疲勞又稱為高周疲勞。相對地，達到疲勞破壞的循環次數較低時的疲勞稱為低周疲勞，發生低周疲勞時構件在局部位置發生了塑性變形。近三十年來，對于低周疲勞，基于塑性應變幅εa的疲勞壽命曲線（εa-N）在工程中得到應用。
展開 飛機強度計算方法--疲勞強度計算
飛機強度計算方法--疲勞強度計算
機械疲勞與可靠性設計
書名：機械疲勞與可靠性設計
書號：ISBN 7-03-017831-9
單位：科學出版社
作者：李舜酩編著
分類：工業技術
單價：22 元
出版日期：2006-08-01
目 錄
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序
前言
第1章緒論
第2章材料的疲勞強度
第3章影響機械零件疲勞強度的因素
第4章無限壽命設計法
第5章名義應力有限壽命設計法
第6章局部應力應變分析法
第7章損傷容限設計
第8章疲勞強度的可靠性設計
第9章特殊載荷與環境下的疲勞強度
參考文獻
附錄
展開 【免費直播】無網格劃分軟件MeshFree軟件在現代疲勞設計中的應用
一、直播內容
基于MeshFree的電鍍銅薄膜疲勞試樣局部應力應變關系
MEMS微結構零部件的應用背景；
MEMS微結構零部件的試件制備；
MEMS微型結構件疲勞試驗；
試驗結果；
基于MeshFree有限元軟件求解電鍍銅薄膜局部應力應變及壽命驗證；
在線答疑。
二、直播時間
5月14日 19:30
三、適用人群
對機械結構強度疲勞設計方面感興趣的工程師
四、講師介紹
劉小冬，北京工業大學，講師。
主要研究方向：1. 結構件表面損傷修復與愈合技術；2. 復雜熱機載荷下損傷機理與壽命預測；3. 基于Triz方法的機構研究。參與多項國家自然科學基金重點項目、國家自然科學基金國際合作項目、國家自然就科學基金面上項目的研究，同時，承擔多項企事業單位的課題研究工作。 在International Journal of Fatigue, Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, International Journal of Damage Mechanics等雜志上發表論文多篇,申請并授權發明專利多項。
五、報名福利
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