疲劳分析简介.

PAT318A,Section1,October2012Copyright©2012MSC.SoftwareCorporationS1-1耐久性和疲劳分析概述PAT318A,Section1,October2012Copyright©2012MSC.SoftwareCorporationS1-2什么是耐久性?•耐久性是…“保证其经久耐用的能力!”•可靠性是…“在规定的条件下、在规定的时间内完成规定的功能的机会!”PAT318A,Section1,October2012Copyright©2012MSC.SoftwareCorporationS1-3•从实践角度，疲劳是：–在不断变化下的负载作用下导致失效的过程，并且实际应力值低于屈服强度;–由裂纹萌生和随后的裂纹扩展组成，裂纹萌生和裂纹扩展是塑性变形不断循环的结果。疲劳定义参照BS7608:“疲劳是指反复应力作用下裂纹或裂纹群的产生和逐步扩展所导致的结构部件破坏的现象”PAT318A,Section1,October2012Copyright©2012MSC.SoftwareCorporationS1-4疲劳的物理基础•疲劳失效通常开始于样品或部件的表面•疲劳失效开始于小的微观裂纹，因此对微小的应力增加都非常敏感•疲劳的过程包含从持续的滑移带上微小裂纹的生成到持续弹塑性变形下长裂纹的扩展整个过程PAT318A,Section1,October2012Copyright©2012MSC.SoftwareCorporationS1-5小裂纹产生的原因很多:–第二相粒子的裂变或界面脱离(crackingordebondingofsecondphaseparticles);–表面上的自然划痕和加工痕;–腐蚀坑或晶间腐蚀;–铸造气孔;–锻造成型留下的圈痕;–脆面层疲劳的物理基础(续)PAT318A,Section1,October2012Copyright©2012MSC.SoftwareCorporationS1-6裂纹的产生和扩展:STAGEIANDIIPAT318A,Section1,October2012Copyright©2012MSC.SoftwareCorporationS1-7PersistentSlipBandFormationStageICrackGrowthStageIICrackGrowth~1mm裂纹的产生和扩展:STAGEIANDII(续)PAT318A,Section1,October2012Copyright©2012MSC.SoftwareCorporationS1-8疲劳寿命计算方法概述PAT318A,Section1,October2012Copyright©2012MSC.SoftwareCorporationS1-9疲劳寿命方法•S-N(Stress-Life方法)名义或局部弹性应力与总寿命的关系•E-N(Strain-Life方法)局部应变与裂纹萌生寿命的关系•LEFM(裂纹扩展方法)–应力强度与裂纹扩展速率的关系所有的方法均都基于相似性原理PAT318A,Section1,October2012Copyright©2012MSC.SoftwareCorporationS1-10•也称为应力-寿命和全寿命方法•评估产生严重失效的总疲劳寿命•疲劳寿命由对数应力-循环(S-N)曲线计算•该方法适合于长寿命疲劳失效问题，因为该方法是基于名义弹性应力，即使有小的塑性发生。•疲劳寿命评估与失效概率相关，因为S-N曲线上有一定的分散性。S-N方法PAT318A,Section1,October2012Copyright©2012MSC.SoftwareCorporationS1-11snomnomsNotchedShaftUnnotchedShaftStressAmplitudeLifeinCyclesS-N方法–相似理论Thelifeofthis................isthesameasthelifeofthis.....ifbotharesubjecttothesamenominalstressPAT318A,Section1,October2012Copyright©2012MSC.SoftwareCorporationS1-12•也称作局部应变方法，裂纹萌生方法，和应变-寿命方法。•E-N方法是汽车行业里评估寿命方法中最常用的一个。•实际上，裂纹萌生意味着已经有1-2mm的裂纹发生。这往往在部件寿命中占较高比例。•许多汽车部件的设计允许使用中出现大的塑性变形(特别是在试车场)。这种情况下E-N方法比基于忽略塑性变形的S-N方法更好。E-N方法PAT318A,Section1,October2012Copyright©2012MSC.SoftwareCorporationS1-13Thecrackinitiationlifehere.....isthesameasitishere.....ifbothexperiencethesamelocalstrainseeE-N方法-相似理论PAT318A,Section1,October2012Copyright©2012MSC.SoftwareCorporationS1-14●也称作“低周期疲劳”或“局部应变方法”●局部应变可以是弹性或塑性，因此它适于低周期疲劳。NPlastic(LowCycleFatigueLine)Elastic(HighCycleFatigueLine)应变-寿命(E-N)曲线PAT318A,Section1,October2012Copyright©2012MSC.SoftwareCorporationS1-15/sN1000CyclesLowCycleRegion(ENMethod)HighCycleRegion(SNorENMethod)'InfiniteLife'107CyclesE-NCurveS-NCurveS-N&E-N曲线在高周期区域重合因为名义应力是线弹性的E-N也能用到低周期区域。S-N不能,因为该区域不存在线性应力-应变关系S-N和E-N疲劳曲线比较PAT318A,Section1,October2012Copyright©2012MSC.SoftwareCorporationS1-16裂纹扩展(LEFM)方法•裂纹萌生后剩余的寿命是多少?•一个已经或即将发生裂纹的部件其安全寿命或相应监测计划是怎样的?•裂纹扩展方法是以线弹性断裂力学(LEFM)为基础的•它将应力强度因子和裂纹扩展速率联系起来•采用逐个循环计算来预测寿命•它被广泛应用在航空，船舶和能源领域PAT318A,Section1,October2012Copyright©2012MSC.SoftwareCorporationS1-17Thiscrack.......growsatthesamerateasthisoneifbothexperiencethesamestressintensityfactors裂纹扩展方法-相似理论PAT318A,Section1,October2012Copyright©2012MSC.SoftwareCorporationS1-18TotalLife=CrackInitiation+CrackGrowthS-NLocalStrainLEFMNf=Ni+Np方法总结•Thisisaninterestingviewofthe3methodsbutispracticallyflawedbecauseinrealitytheS-NandE-Napproachesarejustslightlydifferentversionsofthesametypeofapproach.PAT318A,Section1,October2012Copyright©2012MSC.SoftwareCorporationS1-19应力寿命(S-N)方法PAT318A,Section1,October2012Copyright©2012MSC.SoftwareCorporationS1-20应力寿命(S-N)理论•S-N方法评估全寿命，而没有清楚区分初始裂纹和裂纹扩展•它通常要求涉及到几何模型的试验数据是结构S-N曲线•材料S-N曲线从光滑样件试验中获得，随后可以修改成为反映缺口，表面处理等影响的实际结构的曲线PAT318A,Section1,October2012Copyright©2012MSC.SoftwareCorporationS1-21假设和定义●变形可以被分成弹性(可完全回复的)和塑性(永久变形的)部分●应力范围是一个循环中的最大、最小应力的代数差●应力幅值是应力范围的一半PAT318A,Section1,October2012Copyright©2012MSC.SoftwareCorporationS1-22S-N曲线PAT318A,Section1,October2012Copyright©2012MSC.SoftwareCorporationS1-23Wohler的铁路部件试验设备(1852to1870)早期疲劳试验PAT318A,Section1,October2012Copyright©2012MSC.SoftwareCorporationS1-24StressAmplitudeNotchedShaftUnnotchedShaftLog(fatiguelife)Wohler的一些旋转弯曲试验数据早期S-N曲线PAT318A,Section1,October2012Copyright©2012MSC.SoftwareCorporationS1-25S-N方法•S-N方法用名义应力范围作为疲劳载荷的度量•在试验中记录失效寿命(两段)•试验在表征S-N曲线的应力范围的几个级别上进行•这样的曲线可以来自光滑试件,独立部件,子装配或者完整结构PAT318A,Section1,October2012Copyright©2012MSC.SoftwareCorporationS1-26S-N方法的应用•S-N方法的应用包括:–为设计目的建立一个较好定义的疲劳曲线–确定一个给定寿命的疲劳强度–展示一个提高疲劳寿命的来自材料或者表面处理的影响–为制造挑选材料–解答使用中失效的问题PAT318A,Section1,October2012Copyright©2012MSC.SoftwareCorporationS1-27疲劳极限•恒幅加载的钢材展示一个疲劳极限-低于这个应力没有明显的疲劳损伤发生.•疲劳极限与裂纹通过第一晶界的难度、或者占主导地位的微观障碍有关。它可以在几个大载荷或腐蚀性环境里被减少或消除•铝合金似乎没有疲劳极限PAT318A,Section1,October2012Copyright©2012MSC.SoftwareCorporationS1-28材料S-N曲线Log(Stress)Log(Life)SteelorTiAlalloyorsteelinseawaterPAT318A,Section1,October2012Copyright©2012MSC.SoftwareCorporationS1-29S-N曲线发散性由于试验的统计学特征,任何给的的S-N曲线关联一定的失效概率更多的关于S-N的关系的认知可以从描述发散带宽(比如+/-3标准偏差)以及平均曲线(50%生存率)获得。PAT318,Section16,September2008Copyright2008MSC.SoftwareCorporationS16-30解析的S-N曲线静力极限1m2Stressrange(s)logscale耐久数N(cycles)-log刻度107(s)1115*108S-N曲线可以用幂定律表达:N*Sm=const在对数坐标中就是一条直线，一般有2段m1m2=0表示应力Se为疲劳极限应力Ifm20,一个惯例表达的疲劳极限可以设定在:N=5*E8PAT31