疲劳强度

《疲劳强度设计》教学大纲 课程编码：08241026 课程名称：疲劳强度设计 英文名称：Design of Fatiligue Strength 开课学期：第7学期 学时/学分：总学时/学分(30 /1.5) 讲课学时30（其中实验学时： ） 课程类型：专业选修课 开课专业：机械科学与工程学院 工程力学专业 选用教材：疲劳强度 徐灏 编 高等教育出版社 1990 主要参考书： 1.结构疲劳强度 吴富民 编 西北工业大学出版社 1985 2.疲劳理论与设计 张理苏 编 吉林工业大学 1985 3.疲劳强度设计 徐灏 编 高等教育出版社 2000 4.结构疲劳强度设计与失效分析 王学颜 宋广惠 编 兵器工业出版社 1992 5.疲劳设计准则 [英]T.V达根等著 国防工业出版社1982 6.结构中的断裂与疲劳控制 [美]罗尔夫等著 机械工业出版社1985 执笔人：聂毓琴 一、课程性质、目的与任务 疲劳强度设计是一门新兴的边缘学科。它涉及材料，力学和设计三个学科领域。 飞机，船舶，汽车，矿山机械，冶金机械，动力机械，起重运输机械，石油钻进设备，以及铁路桥梁等，其主要零件和结构件，大多在循环变化的载荷作用下工作，疲劳是其主要的是失效形式。因此，疲劳强度对于设计各类承受循环载荷的机械和结构，成为重要的研究内容。 进行疲劳强度设计，需要有材料的疲劳性能数据。但有时虽然认为选择了合适的材料，制成零件后，使用中仍有可能发生意外的疲劳断裂事故。这可能是由于设计者在某方面的疏忽，或偶然的过载，或零件制成后使用条件有了改变所致。这些现象都说明，材料的疲劳强度不等于零件的疲劳强度，所以设计理论是重要的。 通过本课程的学习，能够对构件的强度疲劳问具有明确的基本概念，必要的基础知识，比较熟练的计算能力，一定的分析能力和初步的实践能力。 二、教学基本要求： 通过本课程的学习，能够对构件的强度疲劳问题具有明确的基本概念，必要的基础知识，比较熟练的计算能力，一定的分析能力和初步的实践能力。熟练掌握各章节的主要内容： 1. 材料的疲劳性能，材料的循环特性曲线构件的无限寿命设计； 2. 构件的无限寿命设计 ， 累积损伤的寿命设计 ， 累积损伤理论； 3. 构件的有限寿命设计 ，材料疲劳裂纹的扩展性能，件的破损-----安全设计 ； 4. 低周疲劳设计 ，局部应变集中 ，构件的疲劳强度可靠性设； 5. 随机疲劳强度 ，腐蚀疲劳。 三、各章节内容及学时分配 第一章 绪论（2学时） 教学目的与要求 1. 了解疲劳强度在工业中的地位，疲劳强度发展史，疲劳的分类； 2. 明确疲劳破坏的三个阶段，疲劳断口。 教学内容 疲劳强度在工业中的地位，疲劳强度发展史，疲劳的分类，疲劳破坏的三个阶段，疲劳断口。 第二章 金属的循环应力和应变（2学时） 教学目的与要求 1.了解循环硬化和软化； 2.理解循环加载的迟滞回线，循环应力-应变曲线的测试方法，金属循环应变机理。 教学内容 循环加载的迟滞回线，循环硬化和软化，循环应力-应变曲线的测试方法，金属循环应变机理。 第三章 疲劳图（2学时） 教学目的与要求 1. 理解材料的S-N曲线，频率曲线和概率密度函数，统计分析的基础知识，正态分布； 2. 掌握P-S-N曲线， 3. 熟练掌握疲劳极限图，以及相关寿命曲线图。 教学内容 材料的S-N曲线，频率曲线和概率密度函数，统计分析的基础知识，正态分布；P-S-N曲线，疲劳极限图，等寿命曲线图。 第四章 疲劳积累损伤理论（2学时） 教学目的与要求 1． 了解疲劳损伤的概念， 2． 熟练掌握线性疲劳累积损伤理论， 3． 掌握非线性疲劳累积损伤理论， 4． 明确双线性疲劳累积损伤理论。 教学内容 疲劳损伤的概念，线性疲劳累积损伤理论，非线性疲劳累积损伤理论，双线性疲劳累积损伤理论。 第五章 影响疲劳强度的因素（2学时） 教学目的与要求 1. 理解应力集中； 2. 了解应变集中的影响，包括尺寸的影响，表面加工情况的影响，载荷频率的影响，工作应力波形的影响。 教学内容 应力集中和应变集中的影响，尺寸的影响，表面加工情况的影响，载荷频率的影响，工作应力波形的影响。 第六章 疲劳试验（2学时） 教学目的与要求 1. 了解高周疲劳试验； 2. 掌握S-N曲线； 3. 掌握高周疲劳试验方法； 4. 低周疲劳试验； 5. 明确掌握带过渡圆弧的试样应变幅度的修正； 6. 掌握低周疲劳试验方法； 7. 明确掌握径向应变与轴向应变的转换； 8. 了解裂纹扩展试验； 教学内容 高周疲劳试验，S-N曲线，低周疲劳试验，带过渡圆弧的试样应变幅度的修正，径向应变与轴向应变的转换，裂纹扩展试验。 第七章 常规疲劳强度设计（4学时） 教学目的与要求 1. 熟练掌握单向应力作用下的疲劳强度设计， 2. 了解单向应力作用下的疲劳寿命估计， 3. 掌握复合应力作用下的疲劳强度设计， 4. 了解复合应力作用下的疲劳寿命估算。 教学内容 单向应力作用下的疲劳强度设计，单向应力作用下的疲劳寿命估计，复合应力作用下的疲劳强度设计，复合应力作用下的疲劳寿命估算。 第八章 随机疲劳（2学时） 教学目的与要求 1. 了解随机过程， 2. 明确随机载荷的统计处理， 3. 了解随机载荷作用下的疲劳寿命估算。 教学内容 随机过程，随机载荷的统计处理，随机载荷作用下的疲劳寿命估算。 第九章 局部应力-应变法估算裂纹形成寿命（2学时） 教学目的与要求 1. 了解估算疲劳寿命的两种方法， 2. 理解局部应力-应变分析， 3. 掌握应变-寿命曲线， 4. 掌握裂纹形成寿命估算和评述。 教学内容 估算疲劳寿命的两种方法，局部应力-应变分析，应变-寿命曲线，裂纹形成寿命估算和评述。 第十章 断裂力学方法估算裂纹扩展寿命（2学时） 教学目的与要求 1. 了解应力强度因子和断裂韧性， 2. 理解疲劳裂纹扩展速度， 3. 掌握裂纹寿命估算方法， 4. 熟练掌握影响裂纹扩展速度的因素。 教学内容 应力强度因子和断裂韧性，疲劳裂纹扩展速度，裂纹寿命估算方法，影响裂纹扩展速度的因素。 第十一章 环境对疲劳的影响（2学时） 教学目的与要求 1. 了解金属在低温疲劳下的单调特性； 2. 掌握低温下材料的S-N曲线； 3. 明确冷脆机理； 4. 了解疲劳裂纹的扩展； 5. 了解金属的高温强度； 6. 明确蠕变机理； 7. 熟练掌握高温疲劳的应力－应变关系； 8. 掌握高温下材料的S-N曲线； 9. 了解高温疲劳的裂纹的扩展，高温疲劳的寿命估算； 10.了解热疲劳的试验方法； 11.熟练掌握影响热疲劳的因素； 12.掌握接触疲劳破坏的机理，影响接触疲劳强度的因素； 13.掌握腐蚀疲劳的S-N曲线，腐蚀疲劳的裂纹的扩展 教学内容 低温疲劳，高温疲劳，热疲劳 ，接触疲劳，腐蚀疲劳，其他影响。 第十二章 疲劳强度的可靠性设计（2学时） 教学目的与要求 1. 理解可靠性的基本概念， 2. 掌握衡量可靠性的尺度， 3. 会运用正态分布函数及其代数运算， 4. 熟练掌握疲劳强度的可靠性设计方法， 5. 明确掌握威尔分布，可靠性的置信水平。 教学内容 可靠性的基本概念，何亮可靠性的尺度，正态分布函数及其代数运算，疲劳强度的可靠性设计方法，威尔分布，可靠性的置信水平。 第十三章 提高零件疲劳强度的方法（2学时） 教学目的与要求 1. 掌握合理选材， 2. 了解表面冷加工强化， 3. 理解表面热处理强化， 4. 会改进结构。 教学内容 合理选材，表面冷加工强化，表面热处理强化，改进结构。 第十四章 蒙特卡罗法及其在疲劳强度科学中的应用（2学时） 教学目的与要求 1. 了解随机数的产生和检验， 2. 任意给定分布的随机抽样，蒙特卡罗法在疲劳强度中的应用举例。 教学内容 随机数的产生和检验，任意给定分布的随机抽样，蒙特卡罗法在疲劳强度中的应用举例。 四、实验： 1. 实验目的与任务 疲劳强度设计是建立在实验基础上的一门学科。只有模拟真实的荷载及环境，对被研制的设备或零部件进行实物试验，才能正确地评价它们的真实疲劳特征，验证疲劳设计的预期效果。但是，由于整机试验只能抽极小的样机进行，而零部件的疲劳试验虽不如整机试验接近实际，却比用试样更接近工作情况，所以，重要零部件的疲劳试验是疲劳试验中的一个重要方面。在零部件的疲劳试验中，要消耗大量的零部件试样，对于不同的设计，又要制作不同结构的试样，对于不同的设计方案，又要制作不同结构的试样，很不方便。所以，一般多用结构简单、造价低廉的标准试样进行疲劳试验。文献上给出的材料的疲劳性能数据，大多是用标准试样得到的。如何把标准试样的疲劳性能数据用于零部件的设计，是疲劳强度设计的重要内容之一。 实验课是本课程的实践环节，其作用是通过这样一组实践教学环节的实施，加强《材料力学》的工程概念，了解这门课程与工程实际的紧密关系，培养、锻炼学生的创新思维和科研能力。大量与《疲劳强度设计》相关的产品和科研成果作为《疲劳强度设计实验》实践教学的内容，通过参观图片实物、实验演示以及学生自己观察、分析和动手实践达到实验的目的。 2. 实验教学基本要求 通过疲劳实验，了解和掌握被研制的真实结构及其零件，在尽可能模拟真实的荷载及环境条件下进行广泛的实验研究和验证的方法。 3. 实验教材或指导书 《疲劳强度实验指导书》吉林大学校内讲义2005版。《疲劳强度设计实验》 4.实验项目一览表 序号 实验项目 内容提要 实验 类型 学时 分配 主要仪器 设 备 实验 地点 备注 1 常规疲劳实验演示 S-N 曲线测定 验证性 1 纯弯曲疲劳试验机 力学实验室 2 高周疲劳实验演示 高频疲劳试验方法 演示性 1 高频疲劳试验机 力学实验室 五、考核方式： 实验课成绩占本课程总成绩的10％。对缺实验成绩者，本课程不予通过。 六、备注： 学时：本课程的总学时为30学时，其中实验为2学时，占总学时的6.7％。 教学文件：《疲劳强度实验指导书》吉林大学校内讲义2005版。 教学形式：实验课采用开放演示教学方式。