結(jié)構(gòu)工程師考試：疲勞壽命理論及應(yīng)用

　　疲勞壽命理論及應(yīng)用

　　(1)疲勞損傷發(fā)生在受交變應(yīng)力(或應(yīng)變)作用的零件和構(gòu)件，如起重機(jī)的橋架和其他結(jié)構(gòu)件、壓力容器、機(jī)器的軸和齒輪等，它導(dǎo)致零件或構(gòu)件的過大變形或斷裂。零件和構(gòu)件在低于材料屈服極限的交變應(yīng)力(或應(yīng)變)的反復(fù)作用下，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)以后，在應(yīng)力集中部位萌生裂紋。裂紋在一定條件下擴(kuò)展，最終突然斷裂，這一失效過程稱為疲勞破壞。材料在疲勞破壞前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)數(shù)稱為疲勞壽命。

　　(2)常規(guī)疲勞強(qiáng)度計(jì)算是以名義應(yīng)力為基礎(chǔ)的，可分為無限壽命計(jì)算和有限壽命計(jì)算。零件的疲勞壽命與零件的應(yīng)力、應(yīng)變水平有關(guān)，它們之間的關(guān)系可以用應(yīng)力一壽命曲線(e-N曲線)和應(yīng)變一壽命曲線(δ-N曲線)表示。應(yīng)力一壽命曲線和應(yīng)變一壽命曲線統(tǒng)稱為S-N曲線。根據(jù)試驗(yàn)可得其數(shù)學(xué)表達(dá)式。在疲勞試驗(yàn)中，實(shí)際零件尺寸和表面狀態(tài)與試樣有差異，常存在由圓角、鏈槽等引起的應(yīng)力集中，所以，在使用時(shí)必須引入應(yīng)力集中系數(shù)K、尺寸系數(shù)ε和表面系數(shù)β。

　　(3)循環(huán)應(yīng)力的特性用最小應(yīng)力e min與最大應(yīng)力e max的比值r=e min/e max表示，r稱為循環(huán)特征。對(duì)應(yīng)于不同循環(huán)特征，有不同的S-N曲線、疲勞極限和條件疲勞極限。對(duì)不同方向的應(yīng)力，可用正負(fù)值加以區(qū)別，如拉應(yīng)力為正值，壓應(yīng)力為負(fù)值。當(dāng)r=-1，即e min=e max時(shí)，稱為對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力;當(dāng)r=0，即e min=0時(shí)，稱為脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力;當(dāng)r=+1，即e min=e max時(shí)，應(yīng)力不隨時(shí)間變化，稱為靜應(yīng)力;當(dāng)+1>r>-1時(shí)，統(tǒng)稱為不對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力。對(duì)應(yīng)于不同循環(huán)特征，有不同的S-N曲線、疲勞極限和有限壽命的條件疲勞極限。

　　材料疲勞極限可從有關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)、材料手冊(cè)中查出。缺乏疲勞極限數(shù)據(jù)時(shí)，可用經(jīng)驗(yàn)的方法根據(jù)材料的屈服極限es，和斷裂極限eb計(jì)算。

　　零件的疲勞極限erk和τrk是根據(jù)所使用材料的疲勞極限，考慮零件的應(yīng)力循環(huán)特性、尺寸效應(yīng)、表面狀態(tài)應(yīng)力集中等因素確定。

　　(4)疲勞損傷積累理論認(rèn)為：當(dāng)零件所受應(yīng)力高于疲勞極限時(shí)，每一次載荷循環(huán)都對(duì)零件造成一定量的損傷，并且這種損傷是可以積累的;當(dāng)損傷積累到臨界值時(shí)，零件將發(fā)生疲勞破壞。較重要的疲勞損傷積累理論有線性疲勞損傷積累理論和非線性疲勞損傷積累理論。線性疲勞損傷積累理論認(rèn)為，每一次循環(huán)載荷所產(chǎn)生的疲勞損傷是相互獨(dú)立的，總損傷是每一次疲勞損傷的線性累加，它最具代表性的理論是帕姆格倫一邁因納定理。

　　(5)邁因納(Palmgren-Miner)定理

　　設(shè)在載荷譜中，有應(yīng)力幅為e1, e2…ei…,等各級(jí)應(yīng)力，其循環(huán)數(shù)分別為n1、n2…ni…從材料的S-N曲線，可以查到對(duì)應(yīng)于各級(jí)應(yīng)力的達(dá)到疲勞破壞的循環(huán)數(shù)N1、N2…Ni…根據(jù)疲勞損傷積累為線性關(guān)系的理論，比值ni/Ni為材料受到應(yīng)力ei的損傷率。