【正文】 疲勞強度理論 呂彭民 教授 內(nèi)容要點 （一）：疲勞強度基本概念： 1. 概論：疲勞強度在工業(yè)中的地位，疲勞破壞的三個階段，疲勞斷口； 2. 金屬的循環(huán)應(yīng)力 —應(yīng)變曲線：遲滯回線，循環(huán)硬化與軟化； 3. 疲勞曲線：材料 S—N曲線，概率統(tǒng)計知識， P—S—N曲線，疲勞極限圖； （二）：疲勞累積損傷理論： 疲勞損傷的概念，線性疲勞累積損傷假設(shè)，非線性疲勞累積損傷理論 （三）：疲勞壽命計算：名義應(yīng)力法，局部應(yīng)力 —應(yīng)變法，斷裂力學(xué)法。 1. 名義應(yīng)立法：計算全壽命，主要用于高周疲勞； 2. 局部應(yīng)力 —應(yīng)變法：計算裂紋形成壽命； 3. 斷裂力學(xué)法：計算裂紋擴展壽命。 （四）：疲勞試驗 材料試驗，實物結(jié)構(gòu)試驗，高周疲勞試驗，低周疲勞試驗，裂紋擴展壽命試驗 （五）：常規(guī)疲勞強度設(shè)計： 1. 單向應(yīng)力作用下的疲勞強度計算：已知載荷，壽命，求應(yīng)力是否滿足要求 2. 單向應(yīng)力作用下疲勞壽命的估算； 3. 復(fù)合應(yīng)力作用下的疲勞強度計算； 4. 復(fù)合應(yīng)力作用下疲勞壽命的估算 （六）：隨即疲勞： 1. 載荷譜的測試與整理； 2. 疲勞壽命估算方法。 （七）：結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計最新發(fā)展動態(tài)； （八）：抗疲勞設(shè)計在工程機械設(shè)計中的應(yīng)用 教學(xué)參考書 （ 1）徐灝： 《 疲勞強度 》 ； （ 2）呂彭民： 《 大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計 》 ； （ 3）張祖民： 《 機械結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計 》 ； （ 4） （ 5） 《 機械強度 》 雜志 （ 6） amp。Fatigue 一 疲勞強度基本概念 1 概論： （ 1）疲勞強度在工業(yè)中的地位 機械零件失效的三種形式： a：磨損； b：腐蝕； c：斷裂。其中前兩種過程慢，可以更換或者修復(fù)；而斷裂則是災(zāi)難性的。受動載荷作用的機械零件和工程結(jié)構(gòu) 80%是由金屬疲勞斷裂引起的。疲勞強度校核是新產(chǎn)品和已有產(chǎn)品強度校核的主要內(nèi)容。 機械設(shè)計有兩種方法： 1）靜強度設(shè)計方法：工程機械設(shè)計目前主要采用這種方法（國外 40年代）。 也就是許用應(yīng)力法： 存在問題： a. 設(shè)計的機械零件特別笨重（為了安全，只有加大整個截面尺寸）； b. 盡管笨重，但仍有疲勞裂紋產(chǎn)生。 原因： a. 疲勞裂紋發(fā)生在構(gòu)件的危險點的局部區(qū)域，通過裂紋不斷擴展， 最終導(dǎo)致斷裂。 b. 疲勞危險部位往往與靜強度危險部位不一致。 2） 動強度設(shè)計方法，即疲勞設(shè)計： 根據(jù)結(jié)構(gòu)受力載荷，確定疲勞危險部位，保證結(jié)構(gòu)危險部位滿足疲勞強度要求。 疲勞設(shè)計分為：有限疲勞設(shè)計，無限疲勞設(shè)計（早期） 設(shè)計要求 參考相關(guān)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行受力分析， 包括：動力學(xué)彷真，有限元計算，疲勞強度計算 確定結(jié)構(gòu)尺寸 結(jié)構(gòu)疲勞實驗 結(jié)束 修改結(jié)構(gòu) 是否滿足要求 疲勞設(shè)計包括：力學(xué)，材料學(xué)，測試試驗技術(shù)工程設(shè)計 （ 2） 疲勞強度發(fā)展史 疲勞強度起源于十九世紀(jì)處，當(dāng)時由于鐵路運輸?shù)陌l(fā)展，不斷出現(xiàn)機車車軸的疲勞破壞。德國人 艾伯特 1829年；法國人 彭塞則 1839年；蘇格蘭人 蘭金 1843年先后進(jìn)行研究。 真正的車軸疲勞研究是德國人 他設(shè)計了一臺旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實驗機，對車軸在不同應(yīng)力下進(jìn)行了疲勞實驗，得到了第一條 SN曲線，他發(fā)現(xiàn)在應(yīng)力低于彈性極限時也會發(fā)生疲勞破壞，但存在一個應(yīng)力幅極限值，當(dāng)應(yīng)力小于該值時就不會發(fā)生疲勞破壞。 ，他發(fā)現(xiàn)在試驗中平均應(yīng)力對疲勞壽命有影響 . 對稱循環(huán) 非對稱循環(huán) 為了考慮平均應(yīng)力的影響，就出現(xiàn)了疲勞極限圖，這里貢獻(xiàn)最大的就是 ，通過疲勞極限圖可將有平均應(yīng)力下的疲勞問題轉(zhuǎn)化為對稱循環(huán)下的疲勞壽命曲線。 二戰(zhàn)期間，飛機疲勞失事頻繁出現(xiàn)，一些動力機械也出現(xiàn)疲勞事故，使得循環(huán)應(yīng)力作用下的疲勞事故成為實際問題。出現(xiàn)了疲勞累積損傷理論，人們開始研究有限壽命設(shè)計。疲勞累積損傷貢獻(xiàn)最大的要算 Palmgren和 Miner， Palmgren于 1924年提出了線性累積損傷理論他在估算滾動軸承的壽命時假設(shè)累積損傷與轉(zhuǎn)動次數(shù)成線性關(guān)系。 1945年，美國人 Miner對線行累積損傷進(jìn)行了理論推導(dǎo)，形成廣泛應(yīng)用的MinerPalmgren線性累積損傷法則。 斷裂力學(xué)的出現(xiàn)，使人們注意研究裂紋擴展壽命，最為著名就是美國人 1957年提出的 Paris公式，它是計算裂紋擴展壽命的基本公式。 裂紋形成壽命的研究可追溯到二十世紀(jì)五十年代 Manson和 Coffin進(jìn)行了開拓性的研究，提出了著名的 MansonCoffin應(yīng)變 —壽命曲線。Neuber利用結(jié)構(gòu)切口根部材料可用光滑式樣來模擬實驗的原理提出了局部應(yīng)力 —應(yīng)變法，從而形成了裂紋形成壽命計算方法。 試樣 裂紋區(qū) 疲勞強度的最新發(fā)展： 1）隨機疲勞理論： 由于概率統(tǒng)計理論，計算機和數(shù)值計算方法的發(fā)展而推動的隨機勞理論的發(fā)展。 考慮 a：載荷的隨機性，有寬帶和窄帶隨機載荷之分。 P11， P27 b：疲勞強度材料參數(shù)的隨機性。 考慮多元隨機變量的求解 P107 2）多軸疲勞： 多軸疲勞非常復(fù)雜，目前還沒有世界公認(rèn)的方法 3）長壽命區(qū)疲勞壽命計算： 長壽命區(qū)試驗非常困難，主要是費用太高 （ 3）疲勞的分類 疲勞主要分為高周疲勞與低周疲勞，高周用應(yīng)力 壽命曲線進(jìn)行計算，名義應(yīng)力法（應(yīng)力疲勞）；低周用應(yīng)變 壽命曲線進(jìn)行計算，局部應(yīng)力 —應(yīng)變法，（應(yīng)變疲勞）；高周疲勞與低周疲勞的分界一般是 104次。 （ 4）疲勞破壞的三個階段： 裂紋形成 —裂紋擴展 —疲勞斷裂。 在交變載荷作用下，在結(jié)構(gòu)有缺陷部位或有應(yīng)力集中部位， 結(jié)構(gòu)形成塑性變形晶粒在晶界面之間滑移形成微裂紋裂紋擴展 就形成宏觀裂紋裂紋繼續(xù)擴展到一定時候截面強度削弱到截面 應(yīng)力達(dá)到強度極限瞬斷。 （ 5）疲勞斷口 疲勞斷口由三部分組成：疲勞源區(qū)； 疲勞擴展區(qū)；瞬斷區(qū)。 斷裂位置一般都在應(yīng)力集中部位， 如拐彎，軸臂的過度處。 2：金屬的循環(huán)應(yīng)力 —應(yīng)變 （ 1）循環(huán)加載的遲滯回線 瞬間斷裂區(qū) 疲勞擴展區(qū) 疲勞源區(qū) 遲滯回線所包圍的面積代表材料塑性變形時外力所做的功或所消耗的能量，也表示材料抗循環(huán)塑性變形的能力，該面積可以通過積分來計算。 （ 2）材料的記憶特性 （ a） 應(yīng)力 時間歷程 （ b）應(yīng)力 應(yīng)變響應(yīng) 記憶特性：由 34時，先由 3點，再由 4點，不是沿 3的延長線（虛線），而是沿著 12的延長線，即材料記憶原來路