第十章 疲劳寿命预测和抗疲劳设计

1 第十章第十章第十章第十章第十章第十章第十章第十章 疲劳寿命预测和抗疲劳设计疲劳寿命预测和抗疲劳设计疲劳寿命预测和抗疲劳设计疲劳寿命预测和抗疲劳设计疲劳寿命预测和抗疲劳设计疲劳寿命预测和抗疲劳设计疲劳寿命预测和抗疲劳设计疲劳寿命预测和抗疲劳设计 10.1 10.1 10.1 10.1 10.1 10.1 10.1 10.1 概述概述概述概述概述概述概述概述 10.2 10.2 10.2 10.2 10.2 10.2 10.2 10.2 损伤容限分析中的损伤累积损伤容限分析中的损伤累积方法损伤容限分析中的损伤累积方法损伤容限分析中的损伤累积方法损伤容限分析中的损伤累积方法损伤容限分析中的损伤累积方法损伤容限分析中的损伤累积方法损伤容限分析中的损伤累积方法 10.3 10.3 10.3 10.3 10.3 10.3 10.3 10.3 耐久性设计概述耐久性设计概述耐久性设计概述耐久性设计概述耐久性设计概述耐久性设计概述耐久性设计概述耐久性设计概述 返回主目录返回主目录 2 由于疲劳问的复杂性和分散性，由于疲劳问题的复杂性和分散性，任何预测方任何预测方任何预测方任何预测方任何预测方任何预测方任何预测方任何预测方 法都只能给出统计正确的平均疲劳寿命法都只能给出统计正确的平均疲劳寿命法都只能给出统计正确的平均疲劳寿命法都只能给出统计正确的平均疲劳寿命法都只能给出统计正确的平均疲劳寿命法都只能给出统计正确的平均疲劳寿命法都只能给出统计正确的平均疲劳寿命法都只能给出统计正确的平均疲劳寿命。。 第十章第十章第十章第十章第十章第十章第十章第十章 疲劳寿命预测和抗疲劳设计疲劳寿命预测和抗疲劳设计疲劳寿命预测和抗疲劳设计疲劳寿命预测和抗疲劳设计疲劳寿命预测和抗疲劳设计疲劳寿命预测和抗疲劳设计疲劳寿命预测和抗疲劳设计疲劳寿命预测和抗疲劳设计 10.1 10.1 10.1 10.1 10.1 10.1 10.1 10.1 概述概述概述概述概述概述概述概述 裂纹起始裂纹起始((((((((萌生萌生))))))))寿命寿命NNNNNNNNiiiiiiii：： 从开始使用到出现可检的裂纹从开始使用到出现工程可检的裂纹aaaaaaaaiiiiiiii为止；为止； 裂纹扩展寿命裂纹扩展寿命NNNNNNNNPPPPPPPP：： 从从aaaaaaaaiiiiiiii扩展到临界裂纹尺寸扩展到临界裂纹尺寸aaaaaaaaCCCCCCCC的寿命。的寿命。 总寿命总寿命 N= NN= NN= NN= NN= NN= NN= NN= Niiiiiiii + N + N + N + N + N + N + N + NPPPPPPPP；； 3 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 关于寿命预测方法的一般要求关于寿命预测方法的一般要求关于寿命预测方法的一般要求关于寿命预测方法的一般要求关于寿命预测方法的一般要求关于寿命预测方法的一般要求关于寿命预测方法的一般要求关于寿命预测方法的一般要求 具有较高的精度和可靠性具有较高的精度和可靠性具有较高的精度和可靠性具有较高的精度和可靠性具有较高的精度和可靠性具有较高的精度和可靠性具有较高的精度和可靠性具有较高的精度和可靠性。即使用寿命或。即使用寿命或 实验数据应在预测值及其分散带内。实验数据应在预测值及其分散带内。 有较普遍的适用范围有较普遍的适用范围有较普遍的适用范围有较普遍的适用范围有较普遍的适用范围有较普遍的适用范围有较普遍的适用范围有较普遍的适用范围。。 适用于不同的载荷适用于不同的载荷 谱、不同的材料、构件和环境，至少也谱、不同的材料、构件和环境，至少也 要知道该方法的正确性条件。要知道该方法的正确性条件。 不要求过多的、逐一硬配的实验参数。不要求过多的、逐一硬配的实验参数。 计算费用低，至少要比实物疲劳试验低。 最好能用于裂纹起始和扩展二阶段寿命预测。最好能用于裂纹起始和扩展二阶段寿命预测。 4 2. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 寿命预测方法分类寿命预测方法分类寿命预测方法分类寿命预测方法分类寿命预测方法分类寿命预测方法分类寿命预测方法分类寿命预测方法分类 不考虑缺口根部或裂尖高应力区复杂情况的不考虑缺口根部或裂尖高应力区复杂情况的不考虑缺口根部或裂尖高应力区复杂情况的不考虑缺口根部或裂尖高应力区复杂情况的不考虑缺口根部或裂尖高应力区复杂情况的不考虑缺口根部或裂尖高应力区复杂情况的不考虑缺口根部或裂尖高应力区复杂情况的不考虑缺口根部或裂尖高应力区复杂情况的 简单方法简单方法简单方法简单方法简单方法简单方法简单方法简单方法。例如，。例如，S-NS-NS-NS-NS-NS-NS-NS-N曲线，曲线，MinerMinerMinerMinerMinerMinerMinerMiner理论理论, , , , , , , , Paris Paris Paris Paris Paris Paris Paris Paris 或或FormanFormanFormanFormanFormanFormanFormanForman的裂纹扩展公式等。的裂纹扩展公式等。 考虑缺口根部或裂尖复杂情况之一部分的方考虑缺口根部或裂尖复杂情况之一部分的方考虑缺口根部或裂尖复杂情况之一部分的方考虑缺口根部或裂尖复杂情况之一部分的方考虑缺口根部或裂尖复杂情况之一部分的方考虑缺口根部或裂尖复杂情况之一部分的方考虑缺口根部或裂尖复杂情况之一部分的方考虑缺口根部或裂尖复杂情况之一部分的方 法法法法法法法法。如。如NeuberNeuberNeuberNeuberNeuberNeuberNeuberNeuber理论；理论；WillenbergWillenbergWillenbergWillenbergWillenbergWillenbergWillenbergWillenberg模型等。模型等。 试图描述缺口根部或裂纹尖端真实情况的试图描述缺口根部或裂纹尖端真实情况的试图描述缺口根部或裂纹尖端真实情况的试图描述缺口根部或裂纹尖端真实情况的试图描述缺口根部或裂纹尖端真实情况的试图描述缺口根部或裂纹尖端真实情况的试图描述缺口根部或裂纹尖端真实情况的试图描述缺口根部或裂纹尖端真实情况的 方法方法方法方法方法方法方法方法。如。如 ElberElberElberElberElberElberElberElber的裂纹闭合理论。的裂纹闭合理论。 利用实际谱序实验结果的方法利用实际谱序实验结果的方法利用实际谱序实验结果的方法利用实际谱序实验结果的方法利用实际谱序实验结果的方法利用实际谱序实验结果的方法利用实际谱序实验结果的方法利用实际谱序实验结果的方法。例如，相。例如，相 对对MinerMinerMinerMinerMinerMinerMinerMiner理论，理论，WheelerWheelerWheelerWheelerWheelerWheelerWheelerWheeler迟滞模型等。迟滞模型等。 以恒以恒 幅疲幅疲 劳试劳试 验为验为 基础基础 考虑考虑 实际实际 谱的谱的 影响影响 5 3. 3. 3. 3. 3. 3. 3. 3. 疲劳设计方法疲劳设计方法疲劳设计方法疲劳设计方法疲劳设计方法疲劳设计方法疲劳设计方法疲劳设计方法 无限寿命设计：不萌生裂纹：无限寿命设计：不萌生裂纹： SSSSSSSS a a a a a a a a ≤≤≤≤≤≤≤≤SSSSSSSSffffffff 裂纹不扩展：裂纹不扩展： ∆∆∆∆∆∆∆∆KKKKKKKK≤≤≤≤≤≤≤≤∆∆∆∆∆∆∆∆KKKKKKKKthththththththth 有限寿命设计：依据有限寿命设计：依据S-NS-NS-NS-NS-NS-NS-NS-N、、εεεεεεεε-N-N-N-N-N-N-N-N曲线和曲线和MinerMinerMinerMinerMinerMinerMinerMiner理理 论、相对论、相对MinerMinerMinerMinerMinerMinerMinerMiner理论进行。理论进行。 恒幅载荷恒幅载荷恒幅载荷恒幅载荷恒幅载荷恒幅载荷恒幅载荷恒幅载荷 S-NS-NS-NS-N曲线 εεεε-N-N-N-N曲线 寿命寿命寿命寿命寿命寿命寿命寿命 预测预测预测预测预测预测预测预测 有限寿有限寿有限寿有限寿有限寿有限寿有限寿有限寿 命设计命设计命设计命设计命设计命设计命设计命设计 变幅变幅变幅变幅变幅变幅变幅变幅 载荷载荷载荷载荷载荷载荷载荷载荷 MinerMinerMinerMiner 累积损伤理论 随机随机随机随机随机随机随机随机 载荷载荷载荷载荷载荷载荷载荷载荷 雨流 计数 6 不同疲劳设计方法之间相互补充、完不同疲劳设计方法之间相互补充、完不同疲劳设计方法之间相互补充、完不同疲劳设计方法之间相互补充、完不同疲劳设计方法之间相互补充、完不同疲劳设计方法之间相互补充、完不同疲劳设计方法之间相互补充、完不同疲劳设计方法之间相互补充、完 善，以满足不同的情况、不同的要求。善，以满足不同的情况、不同的要求。善，以满足不同的情况、不同的要求。善，以满足不同的情况、不同的要求。善，以满足不同的情况、不同的要求。善，以满足不同的情况、不同的要求。善，以满足不同的情况、不同的要求。善，以满足不同的情况、不同的要求。 损伤容限设计损伤容限设计损伤容限设计损伤容限设计损伤容限设计损伤容限设计损伤容限设计损伤容限设计：考虑裂纹，以检查保安全。：考虑裂纹，以检查保安全。 裂纹如何扩展？结构或构件的剩余强度如裂纹如何扩展？结构或构件的剩余强度如 何随裂纹扩展下降？如何确定检查周期？何随裂纹扩展下降？如何确定检查周期？ 综合控制缺陷尺寸、剩余强度及检查周期。综合控制缺陷尺寸、剩余强度及检查周期。 耐久性经济寿命分析耐久性经济寿命分析耐久性经济寿命分析耐久性经济寿命分析耐久性经济寿命分析耐久性经济寿命分析耐久性经济寿命分析耐久性经济寿命分析：： 考虑裂纹群及其扩展，考虑使用载荷下的考虑裂纹群及其扩展，考虑使用载荷下的 结构损伤状态，考虑维修经济性。结构损伤状态，考虑维修经济性。 综合控制安全、功能和经济。综合控制安全、功能和经济。 7 10.2 10.2 10.2 10.2 10.2 10.2 10.2 10.2 损伤容限分析中的损伤累积方法损伤容限分析中的损伤累积方法损伤容限分析中的损伤累积方法损伤容限分析中的损伤累积方法损伤容限分析中的损伤累积方法损伤容限分析中的损伤累积方法损伤容限分析中的损伤累积方法损伤容限分析中的损伤累积方法 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 损伤容限设计原理损伤容限设计原理损伤容限设计原理损伤容限设计原理损伤容限设计原理损伤容限设计原理损伤容限设计原理损伤容限设计原理 σσσσmaxmaxmaxmax 使用寿命使用寿命使用寿命使用寿命使用寿命使用寿命使用寿命使用寿命 损 伤 长 度 a a a a 结结结结结结结结 构构构构构构构构 强强强强强强强强 度度度度度度度度 或或或或或或或或 载载载载载载载载 荷荷荷荷荷荷荷荷 σσσσσσσσRRRRRRRR