机械疲劳（精选8篇）
机械疲劳 篇1
1 引言
疲劳是材料在循环荷载重复作用下的性能劣化现象, 是材料、构件、结构的主要破坏形式之一。港口机械承担着港口的主要工作, 由于其使用环境恶劣、循环荷载极重、随机影响因素复杂, 疲劳破坏现象层出不穷。尤其是在全球经济一体化进程不断加快的背景下, 经济建设和国际贸易得到了迅速发展, 大量物资尤其是国际贸易货物都通过港口流通, 使得港口运输荷载不断加大, 进一步加大了港口机械的工作荷载, 如何提高港口机械的性能和使用安全性, 保证港口机械的正常使用, 成为保证港口正常运行和加快货物流通的关键, 因此对港口机械构件进行疲劳强度分析变得极为重要。下面, 本文针对港口机械的工作特点和构件特点, 就港口机械构件疲劳强度分析进行简要的探讨。
2 港口机械疲劳受损特点
2.1 港口机械工作特点
据统计, 目前国际贸易95%的货物都是通过港口运输来承担的, 其中占35%左右的货物采用集装箱形式运输, 其余为散货和液体燃料等。集装箱运输拥有比传统运输方式高的运载量, 且装卸效率高、耗损率低、营运成本低, 因此被各大船运公司所青睐, 在港口运输中被广泛使用。集装箱运输模式的发展, 对港口机械也提出了新的要求, 包括哪起重机大车行走速度、装卸机械外伸距、吊具高度、吊具起升速度、小车运行速度等, 港口机械不断向大型化、连续化、高速化、自动化发展, 设备结构越来越复杂, 工作可靠性要求越来越高, 这使得港口机械的运动部件和运动行式都发生了新的变化。港口机械有起重机械、输送机械、装卸搬运机械、专用机械四大类, 其中以起重机械疲劳受损现象最为严重, 这类机械呈现出短暂、重复、周期性循环的工作特点, 各机械构件在工作中作往复周期性运动。
2.2 港口机械构件特点
港口机械金属结构通常采用型钢和钢板作为基本构年, 用焊接、铆接等方法连接起来承受荷载, 其主要作用是承受机械传动构件自重荷载和外部荷载, 由轴心受力构件、受弯构件、压弯构件等组成, 有格构式、实腹式、混合式等多种结构形式。港口机械工作荷载极为繁重, 且复杂多变, 存在动态性质, 其构件需要满足工作幅度、跨度、伸距、起升高度的要求, 保证水平移动的尺寸要求, 满足构件间关系协调不互相碰撞的要求。为了达到足够的使用性能和动态性能, 构件必须具有足够的静态刚性以及动态刚性。
2.3 港口机械构件疲劳受损现象
港口机械疲劳受损现象主要有构件折断、焊缝开裂、销轴磨损、结构变形过大等。如起重机臂架、拉杆、支承、主梁、象鼻梁等常表现为折断受损现象;机械金属构件转折位置以及连接焊缝常表现为开裂受损现象;构件连接销轴常表现为剪断或拉断现象。造成港口机械疲劳受损结构失效的原因很多, 除了循环荷载大, 工作环境恶劣外, 还有设计、制造、维护等方面的原因。如设计时结构力流阻碍、筋板设计不合理、筋板刚度稳定性差、杆件布置不合理、局部应力集中、受压板宽厚比过大、截面应力分布不理想、构件尺寸刚度偏小;焊缝布置不当、焊接质量不高、安装精度未达设计要求、制造技术条件不足;设备保养检查不足、械械超负荷工作、设备发生碰撞、安全装置失灵、构件损伤未及时修复等, 这些问题都极容易加大港口机械构件的疲劳受损。
3 港口机械构件疲劳强度检测
疲劳强度检测是及时发现和防止构件失效发生事故的重要手段, 通常采用目测和检验两种。目测属于一般性检测, 是不借助测试仪器直接用眼睛观测, 主要应用于构件铰接点、连接部位、焊缝、构件变形等检测中, 需要注意构件工作过程是否平稳、是否有异响、润滑情况、磨损情况、心轴工作情况、连接点有无松动、焊缝是否开裂、构件是否存在弯折损伤等。检验性检验需要借助仪器设备, 所检查的内容包括强度、刚度等, 需要进行微观、定量检测, 以对构件疲劳强度作出科学分析, 一般需要进行的检测包括静应力测试、动应力测试和刚度测试。静应力测试主要检测构件在静荷载作用下其承载能力是否满足相关标准和设计要求;动应力测试主要检测构件在动荷载情况下其承载能力是否满足相关标准和设计要求;刚度测试主要检测构件在外荷载作用下变位是否满足相关标准和设计要求。
4 港口机械疲劳强度分析
当前对港口机械进行疲劳强度分析的方法有名义应力分析法、局部应力应变法、可靠性分析法、损伤容限法等, 其中以损伤容限法应用较多。损伤容限法是应用断裂力学原理进行疲劳分析的方法, 是港口机械疲劳强茺最为直接有效的分析方法。从断裂力学来看, 任何材料都有缺陷, 产生裂纹但并不代表破坏, 而需要达到临界裂纹才会产生出现破坏现象。在断裂力学上裂纹分为张开型、滑移型和撕裂型三种, 其中以张开型最为危险, 港口机械疲劳强度分析主要针对张开型裂纹进行。
目前港口机械裂纹状态多以人工监视为主, 初始裂纹通常定在5mm左右, 这种裂纹是在人工监测下能够被发现的最小裂纹, 临界裂纹则是构件破坏的标准, 在构件疲劳强度分年中, 需要计算构件从初始裂纹到临界裂纹的循环荷载次数, 通常采用帕里斯经验公式计算, 根据裂纹扩展速率与应力强度因子的关系得出结果。裂纹的发展有裂纹形成阶段、稳定扩展阶段、不稳定扩展阶段三个阶段。在分析时, 需要考虑界限应力问题, 界限应力是构件不会产生裂纹的最大应力, 确定界限应力可以将疲劳强度分析集中于超了界限应力的部位以提高检测效率, 减少检测工作量, 具体应用时需要根据材料、荷载、构件尺寸、应力状态、缺陷等进行考虑。
参考文献
[1]袁熙, 李舜酩.疲劳寿命预测方法的研究现状与发展[J].航空制造技术, 2005 (12) .[1]袁熙, 李舜酩.疲劳寿命预测方法的研究现状与发展[J].航空制造技术, 2005 (12) .
[2]路世青, 陶德馨, 肖汉斌.港口起重机金属结构疲劳寿命分析与评价[J].物流工程三十年技术创机关报发展之道, 2010.[2]路世青, 陶德馨, 肖汉斌.港口起重机金属结构疲劳寿命分析与评价[J].物流工程三十年技术创机关报发展之道, 2010.
[3]郑战光, 蔡敢为, 李兆军.一种新的疲劳损伤深化模型[J].工程力学, 2010 (02) .[3]郑战光, 蔡敢为, 李兆军.一种新的疲劳损伤深化模型[J].工程力学, 2010 (02) .
[4]赵利军.港口取料机钢结构检测与疲劳分析[J].机电信息, 2011 (15) .[4]赵利军.港口取料机钢结构检测与疲劳分析[J].机电信息, 2011 (15) .
机械疲劳 篇2
关键词：起重机械；疲劳断裂；可靠性；新进展
引言
起重机械的工作环境多变且复杂，在其使用期限内要承受数百万次以上的交变应力的循环作用。因此，疲劳断裂往往会成为一种常见的破坏形式。用理论的理想工作环境进行疲劳分析，能确定零部件和工程构件的使用寿命，而起重机械的复杂工作环境导致的不确定因素增加，使得理论上的疲劳寿命的准确性大打折扣。因此，需要结合疲劳学可靠性理论，综合统计和概率进行起重机械断裂疲劳可靠性分析具有重要的意义。
1.疲劳断裂理论
材料或结构失效的主要原因与形式包括变形、断裂、腐蚀，磨损、变性，其中断裂最为常见，危害性也最大，在很多情况下可能造成灾难性事故。在断裂事故中又以疲劳断裂为多为害，且多属性低应力脆性断裂，易失察失防。
工程中有许多金属零部件和工程构件，例如传动轴、滚动轴承、齿轮、弹簧、叶片等都是在变动载荷下工作的。按照不同的变动载荷作用方式，金属零件承受的应力可分为循环应力和交变应力两种。金属零部件在交变应力作用下，虽然所承受的应力小于材料的抗拉强度甚至小于材料的屈服强度，但经过较长时间的工作后会产生裂纹，甚至会突然发生完全断裂，这种现象称为金属的疲劳断裂。引起疲劳断裂的原因，一般认为是由于零部件的结构形状设计制造不合理，即在零件中的最薄弱的部位存在转角、孔、槽、螺纹等形状的突变而造成过大的应力集中，或者材料本身强度较低的部位，例如原有裂纹、软点、脱碳、夹杂、刀痕等缺陷处，在交变或循环应力的反复下产生了疲劳断裂，并随着应力的循环周次的增加，疲劳裂纹不断扩展，使零件承受载荷的有效面积不断减小，最后当减小到不能承受外加载荷的作用时，零件即发生突然断裂。
2.起重机械整车结构疲劳的数据样本采集与载荷谱编制
疲劳载荷包括周期载荷和非周期载荷，在多数情况下，作用在起重机械零部件和工程构件上的载荷是随变的，基于随机载荷的不确定性，需要用统计的方法对其进行处理，处理后的载荷-时间-历程被称为载荷谱。载荷谱能反映零部件的载荷变化情况，反映真实的工作状态。应用疲劳载荷谱，可以提高零部件和工程构件的抗疲劳强度，在零部件寿命预测上也大有帮助。通过在各种工况下的实际测验，收集起重机械的运行数据样本，经过统计分析可以获得起重机械的疲劳载荷谱。在编制疲劳载荷谱的过程中，要合理恰当地处理机械零部件承受的随机疲劳载荷，遵循遵守损伤等效原则。
运用人工智能进行疲劳载荷谱编制，能完整表达载荷历程的损伤特性。利用此方法，搜索各个顺序效应箱，遵循雨流技术和统计学原则，把循环逐级插入载荷序列中。处理载荷历程，需要对载荷循环进行提取，对载荷历程的载荷顺序效应要有明确表明。要满足原历程与载荷循环的等同性、载荷顺序效应的一致性，通常可采用分段处理装箱的方法。
3.运用随机有限元法进行随机结构分析
近二十年来，随机有限元法逐渐发展为一种新的工程数值计算方法。它的优点在于综合考虑随机参数的影响，因此在动力问题、符合材料力学、计算结构件的可靠度和非线性问题等领域得到了广泛的应用，在机械疲劳断裂可靠性分析方面也有显著的作用。起重机工况的复杂多变，使得许多不确定性因素影响起重机械的零部件和工程构件性能，作用在零部件局部的应力应变随机而变，这些随机变量恰好符合随机有限元法的研究范畴。
运用随机有限元法可以计算金属结构的可靠度，结合随机有限元法与可靠性分析可以得到疲劳裂纹扩展的规律。对疲劳断裂可靠性的分析，可以基于神经网络、基于支持向量机、基于混合遗传算法。神经网络函数适用于解决隐式极限状态方程，具有更高的逼近能力和普遍适应性；使得编程更加容易，同时也提高了计算精度。支持向量机是一种机器学习算法，它基于统计学习理论，小样本学习能力是它的突出优点，适用于结构可靠性分析。起重机械疲劳试验受限于试验时间和试验经费，因而用于疲劳试验的试件通常较少，而统计学要求大量的试验样本数据，故而起重机械小样本疲劳实验不能予以满足。基于支持向量机的疲劳断裂可靠性分析方法可以解决起重机械小样本试验数据问题，它能以较高的精度逼近真实的功能函数，减少隐式功能函数分析的次数，具有较高的工程实用性。混合遗传算法在起重机疲劳断裂可靠性分析中已经得到初步运用，它不受目标函数是否连续、线性、可微调等条件的限制，同时也弥补了遗传算法的一些不足。混合遗传算法优化结果较好，能减少迭代的次数，提高搜索效率。
4.起重机械疲劳断裂可靠性分析
起重机械的疲劳断裂过程为：局部出现高塑性区、萌生断断裂纹、短短裂纹扩散、长短裂纹扩散、零部件和机械构件功能失效。机械结构收外界应变影响，为平衡外载而引起外形的变化。局部应变评价通常用于服役起重机械的强度评估，随着随机有限元法在起重机械疲劳断裂分析领域的广泛应用，局部应变法得以推广。
二十世纪六十年代以来，传统疲劳断裂可靠性分析一步一步开拓发展，但是随着起重机械的快速发展，传统疲劳断裂可靠性分析的方法体现出了越来越严重的缺点，渐渐无法满足起重机械安全性的要求。二十世纪九十年代，应变疲劳法应运而生；应变疲劳法在起初的开拓探索阶段尚不成熟，二十一世纪出现的广义极大似然疲劳试验法，能以较少的试样数据获取概率应变疲劳性能数据，它不同于经典极大似然法，受限于在参考载荷水平之外单试样和单项幂指数疲劳关系的要求。新的广义极大似然疲劳试验法以及随机应变载荷疲劳可靠性模型的提出，形成了起重机械疲劳断裂可靠性分析的新方法和新理论。
参考文献：
[1]陈卫国.试论起重机械疲劳断裂可靠性的心进展.科技风，2012（21）
[2]郑严，程文明，程跃.起重机械疲劳断裂可靠性分析的新进展.起重运输机械，2009（10）
机械疲劳 篇3
1 传统的机械设计方式
21世纪以来, 我国国民经济和科学技术的不断发展, 各种新技术的出现已成为机械设计工作中最为关键的一部分, 也是工作中精确度、准确性的关键要求, 其在目前设计工作中设计方法中还存在着各种问题和结构隐患, 这也是目前机械制造设计工作中需要研究和该总结的工作重点。由于目前工程实例中, 绝大多数的零件在承受应力分析中存在着一定的欠缺, 使得这些零件的失效统计问题也较为全面和众多的一项。在目前的社会发展中, 我们逐渐认识到一个零件精确度的重要性。在目前的零件制造和设计工作中, 因为机械在使用的过程中疲劳问题也是促使其出现断裂的主要因素, 更是目前工作中最为关注的一部分和工作重点。
目前的设计工作中, 我们通常都是零件使用过程中需要以承受应力变化高低为基础进行分析和总结的。通过多年的实践工作总结得出, 在诸多的失效零件的检查与探索中, 其中大约有七成以上都是由零件的机械疲劳能力不足而导致断裂失效的。因此在目前的设计工作中, 提高设计抗疲劳能力对于增高零件的整体性和完善性十分关键和重要。在目前的机械零件设计过程中, 需要我们在工作中以综合性的工作流程进行分析与总结, 并对设计中常见的各项问题都需要进行研究和探索, 使得各种状态都能够达到支架的工作标准。同时, 在这种应力状态下, 也容易受到其他应力的影响而呈现出扭曲形状, 这就造成了零件抗扭曲能力不足和抗疲劳能力不够的现象。这种问题和现象的存在一方面给我们的工作和生活造成了一定的影响, 同时也给零件的使用寿命造成了一定的影响。
2 影响疲劳强度指标的微观因素
在目前的零件疲劳强度指标的勘察工作中, 随便选任意一批相同牌号的材料进行分析, 由于在生产的过程中各种化学成分在一定程度上出现变动而容易造成整个工作理念之中出现一定的质量缺陷和隐患, 同时也极容易形成材料内部出现性能的变化。由于目前各种零件结构都是由相关的晶体内部的浓度构成的, 由于晶体内部浓度是一种起伏变化的工作流程和工作模式, 其晶界与晶粒之间必然存在着一定的性能差异。而金属期间在构成中内部各种宏观、微观缺陷, 这就使得其就算是相同工艺、相同成分、相同的热处理模式上也存在着一定的性能差异, 这种性能差异不是材料、工艺和技术上的差异, 而是一种器件与生俱来的差异模式。在目前的机械生产工作中, 这种差异主要表现在抗疲劳能力上。
经过多年的工作实践和工作经验表明, 在目前的疲劳破坏和静力破坏中我们进行了深入系统的研究和总结, 对于重大不同之处的静力荷载和破坏现象都进行了全面系统的总结与研究, 从而使得其塑性变形能力得到了一定的控制, 而在交变载荷作用下, 疲劳裂纹集中发生在个别晶粒。如果试件外部有缺口, 表面粗糙, 或内部有各种缺陷 (气孔, 裂纹, 夹渣, 缩孔等) , 此处必定引起应力高峰, 成为疲劳裂纹的发源地。由于疲劳破坏的局限性, 一个零件的疲劳抗力取决于零件最弱部分的强度或宏观微观缺陷引起的应力集中。因此, 材料内部微观组织缺陷对疲劳破坏的影响已得到材料界的共识。
基于此点, 疲劳极限是一个极易受外界条件和内部组织影响的参数。归纳起来, 影响疲劳抗力的因素有四大类:
(一) 零件本身外形因素:几何形状、尺寸和表面状态等;
(二) 制造工艺因素:铸、锻、焊、切削加工、热处理、表面处理等;
(三) 使用条件:应力类型及大小、频率范围、环境条件、使用介质等;
(四) 材料本质:化学成分、组织结构、晶粒大小、纤维方向、夹杂物、偏析等。
在机械设计中, 对于前三种影响因素已做了相应考虑, 而材料本质方面的影响考虑甚少。但实际零件在服役过程中由于材料内部的各种微观缺陷 (比如淬火裂纹、焊接裂纹、偏析、熔渣、各种铸造缺陷等) 造成突然疲劳断裂的事故屡见不鲜。但由于材料内部组织的复杂多变, 不易控制, 对疲劳抗力的影响无规律可循, 给我们的设计研究带来很大的不便。寻求一种既极有较广的适应性, 又能充分考虑设计者的设计环境, 而且便于操作的设计方法, 非常必要。
3 现有设计资料中疲劳强度指标的可靠性
如前所述, 疲劳实验数据具有极大的分散性, 在相同应力下其应力循环周次常常在几倍甚至十倍、百倍的幅度内变化。从零件的使用寿命也可以看出, 据统计, 同一批生产的滚动轴承使用寿命最高与最低的比值竟高达8~40。因此, 必须采取统计处理方法来获取数据, 才能得到接近可靠的疲劳强度指标。徐灏主编的《现代机械设计师手册》一书中已经提供了疲劳强度指标的统计数据。
4 结论
机械疲劳 篇4
会议邀请了机械疲劳耐久性技术知名专家、HBM-nCode英国有限公司技术专家林晓斌博士, 系统讲授了疲劳耐久性理论知识及工程机械疲劳耐久性设计解决方案。上海市机械制造工艺研究所有限公司总工程师任颂赞, 结合大量塔机事故分析案例, 介绍了工程机械早期疲劳失效的分析及案例解析, 探讨了影响可靠性的主要因素;总装备部第二工程研究所任焱高级工程师介绍了道路模拟实验技术国内外情况、实验机台架组成、工程机械虚拟仿真分析等关键技术。
中国质量协会工程机械分会夏学涛副秘书长主持会议并在开幕式上讲话。他说:随着用户对工程机械产品质量要求的提高, 在市场竞争日益激烈的形势下, 产品设计开发的要求和难度越来越高, 在满足用户日益提高的可靠性要求的同时还要做到节约成本。疲劳耐久性设计是我们工程机械产品开发面临的新的重要课题之一。产品进入国际市场尤其是发达国家市场, 疲劳设计和耐久性试验是重要条件之一。在国际先进企业, 疲劳设计和耐久性试验在工程机械产品开发中占有重要的地位, 利用虚拟分析和仿真技术等手段, 在零部件的早期设计阶段进行寿命的分析、比较和优化, 通过耐久性试验找出薄弱环节, 以便减少实物样机试验次数, 缩短开发周期, 降低产品开发成本。疲劳耐久性技术是当今提高产品质量、提高产品竞争力的一个重要手段。
中国质量协会工程机械分会组织本次交流学习活动, 目的是为了促进我们工程机械行业产品质量提高。夏学涛副秘书长最后说:今天在此搭建这个交流学习平台, 对于我们工程机械技术人员是一次很好的学习机会, 了解国际先进的机械疲劳与可靠性技术, 掌握相关问题的系统性解决方法, 希望各位代表都能有所收获, 对企业的设计开发水平和产品可靠性的提高有所帮助。我们协会愿为促进行业的技术进步, 推动我国工程机械整体质量水平的不断提高做出贡献。
林晓斌博士系统讲解了金属疲劳及金属材料的疲劳寿命预测方法, 从国外先进的疲劳耐久性、可靠性设计理念以及产品开发体系, 到疲劳试验方法中的有关现场数据采集、数据分析处理、模拟仿真分析、产品开发案例、疲劳耐久性试验计划制定、实施等关键技术, 对疲劳耐久性工程的技术理论做了系统全面的阐述。
林博士近年针对国内汽车、航空等行业已经做了近百场培训, 在工程机械行业尚属首次。林晓斌博士介绍, 现代一体化抗疲劳设计技术已经被世界上的一些知名企业采用。实践证明:一体化抗疲劳设计技术能够帮助企业加快产品开发、降低成本、提高质量, 抗疲劳寿命设计有助于提高工程机械产品的设计水平及在国际市场上的竞争力。在工程机械行业, 卡特彼勒、约翰迪尔、小松等都开展较早, 并做了大量工作。国内的徐工、柳工、中联重科、三一重工等一些大型企业, 也已经在建设国家重点实验室和工程技术研究中心基础上, 开始着手工程机械疲劳耐久性技术研究。济南东测试验机技术有限公司董事长王旭东介绍了该公司的动态试验机系列产品及主要特点。
来自山推股份、柳工、厦工、抚挖重工、中国重汽、中联重科、三一重机、济南建机等工程机械企业的工程技术人员参加了这次会议。通过培训, 与会工程技术人员系统了解了疲劳耐久性研究理论及产品开发的主要过程, 大家对本次活动反应良好。山推工程机械研究院伊长春所长向《建筑机械化》记者表示:疲劳耐久性研究对中国的整个工程机械行业来说, 还处于起始阶段, 各企业还未能有一个比较像样的结果出来, 这方面的人才也很缺乏, 但不管怎么样, 在有能力的情况下疲劳耐久性研究将是国内一些大型的工程机械企业的一个投资热点。本次的培训非常好, 它在帮助工程机械企业了解疲劳耐久性研究现状、方法以及人才培养方面非常及时。厦工机械股份公司何晓艳说, 这次交流与培训内容丰富, 收获颇丰, 为我们疲劳耐久性的基础研究和疲劳试验平台建设奠定了良好的基础。有了高水平的认识和人才, 才能真正建设和利用好疲劳试验平台, 促使疲劳耐久性研究走向良性快速发展的道路。
近年来, 我国工程机械行业发展迅速, 技术水平显著提高, 国际竞争力进一步提升, 部分产品市场占有率跃居世界前列。但自主创新能力薄弱、制造水平落后等问题依然突出。应该看到, 金融危机加快了世界产业格局的调整, 为我国提供了参与产业再分工的机遇。我国目前正处于扩大内需、加快基础设施建设和产业转型升级的关键时期, 对先进装备有着巨大的市场需求。我们应该采取有效措施, 抓住机遇, 加强技术创新, 提高产品质量, 促进工程机械行业持续稳定发展。
疲劳耐久性设计是工程机械行业面临的新的重要课题之一。一体化抗疲劳设计管理技术能够帮助企业加快产品开发、降低成本、提高质量, 抗疲劳寿命设计有助于提高工程机械产品的设计水平及在国际市场上的竞争力。
疲劳技术是古老而前沿的技术
1839年, Poncelet首先使用“疲劳”一词;
1849年, 英国机械工程学会 (IMechE) 辩论结晶理论;
1864年, Fairbairn用交变载荷对船链进行了实验;
1871年, Wohler首先对铁路车轴进行了系统的疲劳研究。发展了旋转弯曲疲劳试验, S-N曲线及疲劳极限概念;1886年, Bauschinger首先确证了应力-应变滞回线;
1903年, Ewing和Humphrey证明结晶理论是不正确的, 指出疲劳是由于塑性变形所引起;
1910年, Bairstow调查了应变循环中的应力-应变响应, 提出了循环硬化和循环软化概念;
1920年, Griffith研究了玻璃中的裂纹, 由此诞生了断裂力学;
1955年, Manson和Coffin研究了应变条件控制下的疲劳, 热循环、低周疲劳及塑性应变问题;
1959年, Paris首先提出了一种用断裂力学参数处理裂纹扩展的方法;
1961年, Neuber建议了一种方法, 估计应力集中处的弹塑性应力应变;
1968年, Matsuishi和Endo提出了雨流循环计数方法;
1981年, 能够进行合理疲劳计算的计算机得到了发展;
1982年, nCode国际有限公司成立, 开发和销售疲劳寿命预测软件, 提供疲劳咨询服务;
机械式抗侧滚扭杆疲劳试验机 篇5
空气弹簧在轨道车辆悬挂系统中得到了大量应用,但它在使车辆获得很好垂向性能的同时,增大了车辆在通过弯道或道岔等车辆横向位移较大情况下车体的侧倾,影响到车辆的安全,这时需要有一个抗侧滚扭杆这样的弹簧来增加车辆抗侧滚的刚度。
从1998年开始,株洲时代新材料科技股份有限公司已陆续开发出10多种扭杆系统产品提供给国内外客户使用,广泛地运用在高速或快速干线轨道车辆、城市地铁、轻轨车辆及城市电车上。
扭杆疲劳实验是评判扭杆组件寿命非常重要的实验。由于扭杆疲劳实验次数高达1000多万次,用电液伺服疲劳试验机进行试验,运行成本较高,实验周期长。因此,我公司于2007年研制了一台机械式抗侧滚扭杆疲劳试验机。
2 抗侧滚扭杆疲劳试验机机构模型
抗侧滚扭杆疲劳试验机机构模型如图1所示,采用铰接四杆机构中最常用的曲柄摇杆机构+杠杆机构。图中AB为曲柄,BC1为连杆,C1D为摇杆,C1C2为杠杆(C1D=C2D),AD为机架杆。如果图1所示初始位置C1D⊥C1A,AC1=BC1,且AB<
根据抗侧滚扭杆最大侧滚角为2.2°,选择曲柄AB长度0~100mm可调。
根据扭杆组件最大安装中心距为2600mm,选择杠杆C1C2长度为2600mm。
取连杆BC1长为600mm。
得机架杆AD=1432mm
满足铰接四杆机构曲柄存在条件。
由上可知,该机构模型简单、实用、传动效率高,完全可以模拟抗侧滚扭杆产品工作时的运动状态。
3 抗侧滚扭杆疲劳试验机技术参数
抗侧滚扭杆疲劳试验机主要技术参数如表1所示,从表1中可以看出,试验机基本技术参数均可调整,其调整范围满足时代新材公司已开发的所有抗侧滚扭杆产品疲劳试验要求。
4 抗侧滚扭杆疲劳试验机结构介绍
抗侧滚扭摆疲劳试验机整机结构如图2、图3所示,由机架、齿轮减速电机、带传动装置、曲柄摇杆装置、杠杆、工作台与电控部分等组成,扭杆组件安装在工作台与杠杆之间。
(1)机架
机架整体采用焊接箱形结构,分前、中、后3部分,前部安装工作台,中部安装曲柄摇杆装置与杠杆,后部安装减速电机。整个机架为一个力自平衡结构,不需地脚螺栓。
(2)齿轮减速电机
试验机动力部分采用带变频调速电机的硬齿面标准斜齿轮-伞齿轮减速机,其卧式安装在机架后部,电机额定功率为45k W。
(3)带传动装置
带传动装置采用速比为1的普通V带传动,其把齿轮减速电机的动力传给曲柄摇杆装置,带动曲柄匀速旋转。
(4)曲柄摇杆装置
曲柄长度调节是通过调整曲柄销相对曲柄盘中心的位置来进行的。曲柄盘端面垂直安装,其上嵌装有调节齿条,曲柄销安装在曲柄盘上,曲柄销下部的齿条与调节齿条啮合,曲柄销中心相对曲柄盘中心的距离即为曲柄长度。
(5)杠杆
杠杆一方面作为曲柄摇杆机构中的摇杆,实现上下往复摆动;另一方面作为杠杆机构实现扭杆两端同时加载。杠杆安装在机架中部前竖板上,下部开有T形槽,适合不同长度扭杆安装。
(6)工作台
扭杆组件安装在工作台上,工作台通过螺栓与机架前部连结;工作台上开有T型槽,适合不同长度扭转臂安装;工作台上面可增减垫铁,适合不同长度扭杆组件连杆安装。
(7)电控部分
电控部分采用PLC完成试验机计数、保护、操作等控制,采用变频器来无级调节试验机加载频率,人机对话通过触摸屏进行。
5 结语
该试验机为国内首台专用于抗侧滚扭杆疲劳试验的机械式扭转疲劳试验机,投入应用以来,已成功完成上海一号线地铁扭杆、ATM扭杆、花键扭杆等多种扭杆数千万次的疲劳试验,为时代新材料科技股份有限公司抗侧滚扭杆的研发与生产提供了可靠的保证。
摘要：介绍了机械式抗侧滚扭杆疲劳试验机的原理、性能、结构和应用。
机械疲劳 篇6
在工程实际中, 绝大多数零件承受变应力作用。根据各种零件的失效统计数字, 也说明了70%以上的零件是由于疲劳断裂失效的。因此在机械设计过程中, 疲劳断裂抗力是评定零件的重要指标之一。最常见的疲劳抗力指标是光滑试样在对称循环弯曲应力实验下得到的弯曲疲劳极限σ-1, 这是在一般技术资料和手册中都可以查到的。在其它应力状态下, 有扭转疲劳极限τ--1和拉压疲劳极限σ--1p等。当零件承受非对称循环应力时, 则根据对称循环应力下的疲劳极限σ-1、脉动循环应力下的疲劳极限σ0和静应力下的极限应力参数σB或σS, 绘制材料的极限应力图。根据循环特性r, 从极限应力图中获得非对称循环应力下的疲劳极限σr。设计过程中, 根据零件与试样的差异, 考虑应力集中、表面终加工方法和尺寸因素的影响, 引入相应的系数对σ-1进行修正。根据零件的服役要求不同, 可以进行有限寿命设计和无限寿命设计。
2 影响疲劳强度指标的微观因素
任意一批相同牌号的材料, 由于在冶炼过程中允许化学成分在一定幅度内变动, 加之各种各样的其它可变因素 (如成分偏析、冶炼条件及轧制温度的波动等) 的影响, 它的性能必定在一定的范围之内变化。由于材料晶体内部的浓度起伏, 晶界与晶粒性能的差异, 非金属夹杂物与金属界面的结合情况, 金属内部各种各样宏观、微观及超微观缺陷的存在等等, 造成了即使在相同加工工艺、相同化学成分、相同热处理状态下, 也存在着较大的性能差异。这种差异在室温静载荷作用下表现不明显, 而在动载荷和交变载荷作用下, 由于应力应变作用的高度局部化, 其性能不均匀性表现得非常突出。疲劳实验数据极为分散证明了这一点。
经研究表明, 疲劳破坏与静力破坏过程在滑移阶段有相同之处。重大不同之处在于在静载荷作用下, 塑性变形及强化是在材料比较大体积内分布的, 而在交变载荷作用下, 疲劳裂纹集中发生在个别晶粒。如果试件外部有缺口, 表面粗糙, 或内部有各种缺陷 (气孔, 裂纹, 夹渣, 缩孔等) , 此处必定引起应力高峰, 成为疲劳裂纹的发源地。由于疲劳破坏的局限性, 一个零件的疲劳抗力取决于零件最弱部分的强度或宏观微观缺陷引起的应力集中。因此, 材料内部微观组织缺陷对疲劳破坏的影响已得到材料界的共识。
基于此点, 疲劳极限是一个极易受外界条件和内部组织影响的参数。归纳起来, 影响疲劳抗力的因素有四大类:
2.1 零件本身外形因素:几何形状、尺寸和表面状态等;
2.2 制造工艺因素:铸、锻、焊、切削加工、
热处理、表面处理等;
2.3 使用条件:应力类型及大小、频率范围、环境条件、使用介质等;
2.4 材料本质:化学成分、组织结构、晶粒大小、纤维方向、夹杂物、偏析等。
在机械设计中, 对于前三种影响因素已做了相应考虑, 而材料本质方面的影响考虑甚少。但实际零件在服役过程中由于材料内部的各种微观缺陷 (比如淬火裂纹、焊接裂纹、偏析、熔渣、各种铸造缺陷等) 造成突然疲劳断裂的事故屡见不鲜。但由于材料内部组织的复杂多变, 不易控制, 对疲劳抗力的影响无规律可循, 给我们的设计研究带来很大的不便。寻求一种极有较广的适应性, 又能充分考虑设计者的设计环境, 而且便于操作的设计方法, 非常必要。
在测定疲劳极限过程中, 对于疲劳试验原始数据, 应尽可能详尽地提供给设计者, 比如疲劳试样的毛坯类型、终加工方法、形状尺寸、取样部位、晶粒大小、组织状态、材质质量等。对于小锻件或压轧材料, 应了解试样与压轧方向是平行还是垂直 (对于拉压疲劳极限测定尤为重要) 。对于大锻件, 应知道取样部位是钢锭的上端还是下端。对于铸件, 应了解是单独铸造还是取自铸件, 若是后者, 应知道取自铸件的何种部位。因为从铸件中不同部位切割的试样, 其机械性能悬殊很大。至于切割试样的方法, 使用气割或电弧切割, 都不可避免的使试样再次加热, 可能会影响到试样的微观组织乃至性能。而冷切割时, 是否避开了过度冷变形而导致的脆性转变温度范围。进行规定的热处理之后的组织状态如何等等。设计者只有充分了解了疲劳试样的制备过程和微观组织情况, 才能根据所设计零件的服役条件、重要程度、零件的组织情况等, 对手册中查得的数据进行综合恰当的处理, 使得设计过程与疲劳试验过程更贴切地吻合, 减少设计过程的盲目性, 提高疲劳设计的可信度。
3 现有设计资料中疲劳强度指标的可靠性
如前所述, 疲劳实验数据具有极大的分散性, 在相同应力下其应力循环周次常常在几倍甚至十倍、百倍的幅度内变化。从零件的使用寿命也可以看出, 据统计, 同一批生产的滚动轴承使用寿命最高与最低的比值竟高达8~40。因此, 必须采取统计处理方法来获取数据, 才能得到接近可靠的疲劳强度指标。徐灏主编的《现代机械设计师手册》一书中已经提供了疲劳强度指标的统计数据。现在迅速发展起来的可靠性设计方法也充分考虑到疲劳设计过程的统计特性。但可靠性设计方法现在并没有广泛的应用于机械设计中, 大多数设计手册中的疲劳强度指标提供的仍然只是疲劳试样的牌号、热处理状态和单一实验数据, 不免让人怀疑其数据的准确性和可靠性。而材料性能指标的准确性不足, 将增大设计过程中的盲目性, 为日后的事故埋下隐患。美国在建Mount Hope和Ambassador两座大悬桥时, 以少数静载荷实验数据为依据, 用热处理高炭钢丝代替一贯成功使用的高炭冷拉钢丝, 结果造成两座大桥在建造过程中就发现钢丝大量折断, 造成惨重的损失。事后进行多年大量试验才发现, 钢丝折断的原因是热镀锌在钢丝表面缺陷处形成脆性的高锌铁合金而导致断裂。
4 结论
4.1 由于疲劳破坏的突然性、高度局限性
及对各种内在和外在因素影响的敏感性, 疲劳抗力指标不仅极易受各种因素影响, 疲劳实验数据非常分散, 而且一旦发生疲劳失效, 常常造成灾难性事故。在设计过程中, 仅靠目前大多数手册中材质不明、试验条件不清、单一的疲劳强度指标进行设计, 使设计结果具有很大的盲目性和偶然性。提高疲劳抗力指标的准确性和可靠性, 是正确进行疲劳设计的前提。由于疲劳抗力指标的上述特点, 数据全面更新工作, 需要投入大量的人力物力, 做大量的试验, 决非个人和单位所能承受得了。建议国家科研机构花大力气, 尽快组织力量更新资料和手册中疲劳极限指标。疲劳强度指标不仅应列出参与试验的数量和统计数据, 而且应尽可能详尽地提供试样的毛坯类型、终加工方法、形状尺寸、取样部位、取样手段、晶粒大小、组织状态、材质质量等, 设计方法尽快采用可靠性设计, 才能增加疲劳极限指标的可靠性, 提高疲劳设计的准确性。
4.2 产品固定的企业应建立自己的研究数
据库, 跟踪产品质量, 从生产及使用过程中积累产品疲劳抗力指标的第一手资料, 及时反馈到设计制造过程, 更新实验数据。同时加强产品的整机试验。
4.3 本文仅从提高疲劳抗力指标可信度的
角度来谈提高疲劳设计结果的可靠性。但提高疲劳抗力, 抵抗疲劳失效, 一方面需要在设计过程中正确的衡量、综合地考虑各种内在、外在因素的影响, 另一方面靠在实践中积累经验。这是一项非常复杂的系统工程, 有待于全体机械设计工作者的不懈努力。
参考文献
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[2]西安交通大学、西安交通大学金相教研室编.金属机械性能[M].北京:中国工业出版社.[2]西安交通大学、西安交通大学金相教研室编.金属机械性能[M].北京:中国工业出版社.
[3]赵少汴.“有限寿命疲劳设计法的基础曲线”[J].机械设计, 1999, 11.[3]赵少汴.“有限寿命疲劳设计法的基础曲线”[J].机械设计, 1999, 11.
机械疲劳 篇7
疲劳失效是机械零部件或系统的典型失效模式之一,特别是对于承受循环载荷或波动载荷作用的机械结构。如何针对机械产品的使用载荷环境,准确地预测结构的疲劳寿命,是对结构进行有限疲劳寿命设计与耐久性分析的前提和基础。
近年来,国内外学者针对结构的疲劳寿命预测问题进行了大量的基础理论和工程应用研究,取得了许多重要的成果[1,2,3,4,5,6]。但是,这些理论研究与工程应用还主要集中在对确定性恒幅循环载荷或多级确定性恒幅循环载荷作用下的结构疲劳寿命预测,而对随机载荷作用下的结构疲劳寿命预测研究则相对不多[7]。事实上,在工程实践中由于载荷环境的不确定性,单纯承受恒幅循环载荷作用的结构很少,而绝大多数结构的疲劳失效都是由随机载荷反复多次的作用所引起的。目前,在工程计算或实验研究中,通常会采用保守的方法,选用载荷历程中载荷幅最大的载荷作为计算依据。这也使得采用确定性恒幅循环载荷作用下的疲劳寿命预测模型在对实际结构进行疲劳寿命预测时,预测结果往往与结构的实际使用寿命相差几倍甚至是十几倍。
本文采用疲劳寿命预测的名义应力法,基于线性Miner累积损伤法则,研究随机载荷循环作用下的结构疲劳寿命预测方法。运用概率加权法将离散的Miner法则推广为连续型Miner法则,建立随机载荷循环作用下的结构疲劳寿命预测模型。
1 有限疲劳寿命分析的名义应力法
有限疲劳寿命设计法只保证机械零部件或系统在一定的使用期限内不发生疲劳失效。有限疲劳寿命设计法允许零件的工作应力超过疲劳极限,结构的质量可以比采用无线寿命法设计的质量小。当前该设计法已成国内外许多机械产品的主导设计思想,如飞机、汽车等对质量有较高要求的产品,都使用这种设计方法进行疲劳设计。
作为结构疲劳寿命预测和疲劳设计的重要方法之一,名义应力法以名义应力作为设计参数,从材料的S-N曲线出发,考虑各种因素影响,得出零件的S-N曲线,并根据零件的S-N曲线进行疲劳寿命预测与疲劳设计。
对于确定性恒幅载荷循环作用下的结构疲劳寿命预测问题,结构所受的应力水平和循环特性基本保持不变,此时,根据材料的S-N曲线和结构的特点可以较为满意地预测结构的疲劳寿命。
但是,如果结构所承受的疲劳载荷谱是由有限个不同的应力水平所构成时,需要同时运用材料的S-N曲线和累积损伤模型并充分考虑结构的特点才可以进行有限个不同应力水平作用下的结构疲劳寿命预测。
假设结构所受的疲劳载荷历程由s1,s2,…,sr等r个不同的应力水平构成,且每一个载荷作用历程中所包含的各应力水平作用次数分别为n1,n2,…,nr。根据材料的S-N曲线和结构特点,可计算得对应于应力水平si作用时的疲劳寿命Ni,当采用线性累积损伤理论时,在疲劳载荷的一个作用历程中应力水平si造成的累积损伤量为
由线性Miner累积损伤法则可得到每一个载荷作用历程所造成的累积损伤量为
进一步,根据结构发生疲劳失效时总的累积损伤量(通常取1),可以计算得到结构在多级疲劳载荷作用下所能经历的载荷作用历程总数w,即
对于确定性恒幅循环载荷和确定性多级载荷循环作用下的疲劳寿命预测问题,可以采用上述公式求得。但是,对于随机载荷循环作用下的结构疲劳寿命预测问题,上述公式显然是不适用的。
2 随机载荷循环作用下的疲劳寿命预测
在实际工程应用中,机械结构和系统所承受的疲劳载荷往往是随机和反复多次的,很少存在严格意义上的确定性载荷。因此,很难简单地运用S-N曲线和式(2)所示的线性Miner累积损伤法则来预测结构的疲劳寿命。下面,基于线性Miner累积损伤法则,运用全概率公式对其进行拓展,建立随机载荷循环作用下的结构疲劳寿命预测模型。
根据线性Miner累积损伤法则,当结构所受疲劳载荷历程由s1,s2,…,sr等r个不同的应力构成,且对应每个应力si单独作用时的疲劳寿命为Ni,载荷作用历程所包含的各应力水平作用次数分别为n1,n2,…,nr,此时该疲劳载荷历程作用引起的结构累积损伤量可表示为
然而,在工程实际中,由于运行工况和使用环境的不确定性,结构所经历的载荷历程往往是随机和反复多次的。在以实践为寿命度量指标时,载荷的随机性不仅表现为载荷大小的不确定性,同时也表现为载荷作用时刻的不确定性。而在以载荷作用次数为寿命度量指标时,载荷的不确定性可视为载荷幅值大小的不确定性。此时,由随机载荷作用所引起的应力不确定特征需要用概率分布函数来描述,如图1所示。
当应力幅值可用服从概率密度函数为f(s)的随机变量描述时,如图2所示,随机载荷每一次作用应力值落在si附近区间的概率P(si)为
当随机载荷作用n次时,应力值落在si附近区间的次数w(si)即为
根据线性Miner累积损伤法则,应力落在si附近区间对应载荷作用所引起的结构疲劳损伤累积量ΔDi(si)可表示为
将应力概率分布的取值区间划分为k个子区间,且第i个子区间的中值为si。由上述分析可知,随机载荷作用n次时,落在第i个子区间的应力次数为w(si),造成的结构疲劳损伤累积量为ΔDi(si)。进一步,根据全概率公式,随机载荷作用n次造成的总累积损伤量为
将式(7)代入式(8),可得
通常,金属材料的疲劳寿命N与应力s之间的关系可表示为幂函数的形式[8],即
式中,α和C均为材料常数。
根据式(10)所示的疲劳寿命与应力关系,应力si对应的疲劳寿命Ni可表示为
将式(11)代入式(9),可得
当k→∞时,式(12)可写成为
进一步,可以得到随机载荷作用时,结构的疲劳寿命n为
当结构发生疲劳失效的累积损伤量D=1时,式(14)可写成为
类似地,金属材料的疲劳寿命与应力之间的关系函数可表示为指数函数的形式[8],即
或
式中,α、a和b均为材料常数。
当结构发生疲劳失效的累积损伤量D=1时,随机载荷作用下结构的疲劳寿命n为
或
在式(14)和式(15)以及式(18)和式(19)中,由于α和C以及a和b均为材料常数,因此,只要已知随机载荷引起的结构应力概率密度函数f(s)、结构的材料参数等,便可根据这些公式对结构的疲劳寿命进行预测。
3 算例
某转动轴,材料为热轧16Mn合金钢,全功率运转时的受力如图3所示,经实测作用于轴的载荷F1=607.4±30N,扭矩MT=133±27N·m;安装误差产生的载荷F2=13.3N,轴重量F3=11.08N。轴的设计参数为:直径d=16±0.21mm,轴肩处的圆角半径R=3.2mm。试预测轴的疲劳寿命。
3.1 计算轴在危险截面处的应力分布参数
根据图3,由力学模型计算得到危险截面上弯矩的均值和标准差分别为
危险截面上扭矩的均值和标准差分别为
进一步,可得到应力的均值和标准差分别为
应力的概率密度函数可表示为
式中,s取单位为MPa的值,下同。
3.2 计算疲劳寿命和应力水平之间的关系
在热轧16Mn合金钢的疲劳寿命试验中,选取了s1=394MPa、s2=373MPa和s3=344MPa三个应力水平。在这三个恒幅循环载荷作用下的疲劳寿命试验结果如表1所示[9]。
通过对试验数据的拟合,可得材料疲劳寿命与应力水平之间的关系为
3.3 预测轴的疲劳寿命
将上述计算结果代入式(18)中,可得到轴的疲劳寿命为
4 结束语
本文针对随机载荷作用下的结构疲劳寿命预测问题,基于疲劳寿命预测的名义应力法,建立了随机载荷循环作用下的结构疲劳寿命预测模型。分析了结构所受循环载荷作用的不确定性特征,在以循环载荷作用次数为寿命度量指标框架下,运用概率加权法对线性Miner累积损伤法则进行了拓展。在此基础上,分别建立了材料疲劳寿命与应力之间关系服从指数函数和幂函数两种形式时,随机载荷循环作用下的结构疲劳寿命预测模型。运用本文所建立的疲劳寿命模型对某转动轴的疲劳寿命进行了预测研究,对本文模型进行了验证。
摘要：基于名义应力法建立了随机载荷循环作用下的结构疲劳寿命预测模型。分析了结构所受循环载荷作用的不确定性特征,在以循环载荷作用次数为寿命度量指标框架下,运用概率加权法和线性Miner累积损伤法则,分别建立了疲劳寿命与应力之间关系分别服从指数函数和幂函数两种形式时,随机载荷循环作用下的结构疲劳寿命预测模型,并运用所建立的模型对某转动轴的疲劳寿命进行了预测研究。
关键词：随机循环载荷,疲劳寿命,累积损伤,载荷作用次数,寿命预测
参考文献
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机械疲劳 篇8
疲劳寿命分析不仅在航天、航空、造船等尖端工业领域有着十分重要的意义, 对一般机械设备使用寿命评估也具有重要作用。据国外统计, 在机械零件的破坏中有50%～90%为疲劳破坏。农业机械是农业生产中的主要设备, 有很多部位可能出现突然断裂破坏, 对生产和机械本身产生很大的不良影响。因此, 正确估算农业机械中危险部位的疲劳寿命, 对农业机械的安全性、可靠性具有非常重要的意义, 但目前对农业机械疲劳寿命估算的研究还很少。
1 农业机械中低周疲劳
疲劳破坏过程大致经历4个时期, 即疲劳成核期 (即疲劳裂纹形成) 、微观裂纹增长期、宏观裂纹扩展期以及最后断裂期。在工程实践中, 又常常把这4个时期综合为两个阶段, 也就是疲劳裂纹形成阶段和疲劳裂纹扩展阶段。相应地将疲劳寿命划分为疲劳裂纹形成寿命和疲劳裂纹扩展寿命两部分。对于低周疲劳, 裂纹形成早, 无裂纹寿命短, 疲劳的总寿命近似等于裂纹扩展寿命。因此, 在低周疲劳设计中, 主要考虑裂纹扩展寿命。
低周疲劳就是研究构件或结构在周期性外载荷作用下, 薄弱环节应力集中或应力集中区的循环应力—应变行为。材料常常进入塑性变形状态, 这时应力就变成不稳定或处于流变状态, 因而应变是材料疲劳性能的主要参数。构件在反复循环应变的作用下就会导致破坏, 所以低周疲劳又叫低循环应变疲劳。
农业机械在每次启动、停车和加速过程中, 温度的剧然变化就会引起热应力, 它与加速应力迭加在一起, 形成了周期性的循环应力, 从而使某些部位处在塑性状态下工作, 这属于低周疲劳问题。
农业机械中的孔洞、沟槽、拐角等处都严重存在着低周疲劳问题。
2 低周疲劳寿命的分析的方法
2.1 等效应变法
在低周疲劳实验中, 应变—寿命曲线是材料低周疲劳的重要特性, 低周疲劳的应变—寿命曲线 (ε-Nf) 通常用总应变半幅 (ε/2) 和循环失效的反复次数 (2Nf) 在双对数坐标上表示。经验表明, 把总应变半幅分解为弹性应变幅 (εe/2) 和塑性应变幅 (εp/2) 时, 两者与循环反复次数的关系都可近似用直线表示, 可表示为
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Manson-Coffin方程是比较常用模型。Manson-Coffin方程是以最大主应变为衡量材料的疲劳寿命的主要参量, 公式为
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式中 εmax—最大主应变半幅;
σf′—静拉伸的断裂应力;
E—弹性模量;
Nf—疲劳寿命;
εf′—静拉伸的断裂应变;
b—疲劳强度指数;
c—疲劳塑性指数。
2.2 名义应力法
任意一构件只要应力集中系数KT和载荷谱相同, 则它们的寿命相同, 名义应力是主要的控制参数。名义应力法是通过不同的应力比和不同的应力集中系数下的S-N曲线来进行计算的。
由于标准试件与所求对象之间的等效关系很难确定, 以及这种方法没有考虑缺口根部的塑性, 故这种方法并不常用。
2.3 局部应力—应变法
若1个构件的危险区的应力—应变历程与1个光滑试件的应力—应变历程相同, 则寿命相同。分析过程中需要瞬态循环应力—应变曲线 (σ-ε) 和应变—寿命曲线 (ε-Nf) 。不同的σ-ε曲线和ε-Nf曲线可组成不同的局部应力—应变法, 低周疲劳寿命的分析最常用的是瞬态循环应力-应变曲线和Jaske的εeq-Nf曲线迭加。εeq-Nf曲线先寻找一个能反映不同变化比的参数εeq, 然后用此参数描述材料疲劳寿命特性。Jaske的εeq-Nf曲线可表示为
Nf=A0+A1tgundefined
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式中 A0, A1—拟和常数;
εe—疲劳极限应变;
εu—疲劳破坏应变;
εa—应变幅;
σmax—最大应变;
m—材料常数。
2.4 能量法
将疲劳试验的试件看成1个处于一定温度环境中的物系, 并且试件是连续致密的材料, 所以试件的疲劳破坏过程服从熵守恒定律、能量守恒定律和连续材料的运动定律。
由Ostergren提出的拉伸滞后能损伤函数法, 是认为低周疲劳损伤是由试件吸收的拉伸滞后能或应变能来控制的, 用损伤函数可近似求得滞后能, 而滞后能与疲劳寿命之间有幂指数关系。
滞后能为
ΔWt=Δεm×Δσt
式中 Δσt—最大循环拉应力;
Δεm—非弹性应变范围 (纯疲劳时用Δεp代替) 。
幂指数关系为
ΔWt×Nundefined=C
式中 a, C —材料常数。
2.5 临界平面法
疲劳断裂过程中, 初期的裂纹沿着或基本上沿着最大剪应变平面的方向形成, 随后近似地沿该平面的法向应变方向扩展。由此表明可以用最大剪应变和垂直于最大剪应变幅方向的正应变两个参数来计算材料的疲劳寿命。通常把最大剪应变的平面定义为临界平面。用临界平面上这两个参数估算材料的疲劳寿命可得如下公式, 即
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式中 εn—垂直于最大剪应变平面上的正应变;
γmax—最大剪应变。
2.6 应力场强度法
相同材料制成的构件如果在疲劳失效区域承受相同应力场强度历程, 则具有相同的疲劳寿命。应力场强度法是以应力场强度为控制参量, 并且需要σ-ε曲线和S -Nf 曲线或者ε-Nf 曲线。应力场强度法主要用构建应力场强度函数σFI来描述应力强度。
常用应力场强度函数为
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式中 σFI—应力场强度;
Ω—缺口破坏区;
f (σij ) —应力函数;
Ψ ( r) —权函数;
dv—疲劳失效区Ω的微分。
2.7 断裂力学法
根据裂纹扩展的物理模型可知, 裂纹尖端只有在不断张开的条件下才能发生扩展。拉应力使裂纹张开, 裂纹尖端只有在不断地张开和闭合的过程中, 才能出现疲劳方式的亚临界扩展。拉应力水平越高, 裂尖的张开位移越大, 其扩展量也越大。根据疲劳裂纹扩展速率Δa/ΔN与裂尖的值成比例, 及断裂力学裂尖张开位移与裂尖的应力强度因子之间的关系, Paris首先提出以下计算模型, 即
da/dN=C (ΔK) n
式中 ΔK—应力强度因子范围 (ΔK=Kmax-Kmin) ;
C, n—与材料有关的常数。
3 结论
等效应变法、名义应力法和局部应力—应变法是低周疲劳寿命分析的基本方法。其它方法多是以这3种方法为基础发展而来。断裂力学法和临界平面法是以力学的角度出发研究的新方法。应力场强法以及能量法是以物理中的场和能的角度出发得到的结论。这4种方法在低周疲劳寿命预测研究过程中不断发展创新, 取得很多研究成果, 随着计算机技术的发展, 这些方法的应用将会得到广泛发展。
参考文献
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