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疲劳强度计算



     疲劳强度计算是指,零件和构件在低于材料屈服极限的交变应力(或应变)的反复作用下,经过一定的循环次数以后,在应力集中部位萌生裂纹。裂纹在一定条件下扩展,最终突然断裂,这一失效过程称为疲劳破坏。材料在疲劳破坏前所经历的应力循环数称为疲劳寿命

     根据应力循环数分为高周疲劳和低周疲劳。
     低周疲劳指材料所受力较高,通常接近或超过屈服极限,断裂前的应力循环次数一般少于10^4-10^5,每次循环过程中都发生塑性变形。低周疲劳破坏就是塑性变形累积的结果。
     高周疲劳是指材料所受的交变应力远低于材料的屈服极限,断裂前的应力循环次数大于10^5,通常用疲劳曲线(S-N曲线)来描述该材料的疲劳特性。高周疲劳的寿命主要指的是裂纹萌生寿命。高周疲劳采用常规疲劳计算方法。

计算


      常规疲劳强度计算假设零件没有初始裂纹,应用标准试样实验得到的材料疲劳极限或S-N曲线为依据,再考虑零件由于表面状态、尺寸及几何形状引起的应力集中等因素。下图示以最大应力σ (max)为纵坐标,疲劳寿命N为横坐标,根据试验数据得到的S-N曲线。
      钢材的S-N曲线的右侧是一条水平渐近线,水平线起始点对应的应力值称为疲劳极限疲劳极限表明,只要最大应力小于疲劳极限,应力循环次数可以无限大而不发生破坏。水平线起始点的横坐标Ne大约为10^7,N>=Ne的区域称为无限寿命区。根据S-N曲线水平线段进行的疲劳强度计算称为无限寿命计算。
      疲劳曲线的左侧是一条近似斜线,在斜线段N<Ns,称为有限寿命区,根据这段斜线所作的疲劳强度计算称为有限寿命计算。
准则
1.如果零件的应力循环次数N<=Ns(Ns为疲劳曲线上材料屈服极限σ [s])对应的循环数,一般取Ns≈10^5,零件受静强度条件控制,不需作疲劳强度计算。
2.如果零件的应力循环次数N大于Ns,但是小于Ne(Ne称为应力循环基数),对于钢材Ne≈10^7。根据零件对应的疲劳强度σ [rk]′ 对零件进行有限寿命疲劳计算。
3.如果零件的应力循环次数N>=Ne,根据疲劳极限σ [rk]对零件进行无限寿命疲劳计算。
     工作级别为M1-M3的机构,由于应力循环数少,不做疲劳计算。工作级别M4、M5的机构根据应力循环数N决定是否需要进行疲劳计算。工作级别M5以上的机构,其机构零件和金属结构都需要作疲劳计算。非工作机构可不做疲劳计算。沿海地区、台湾省、南海诸岛以及内陆山口地区自身高度大的起重机,如果金属结构自振频率小于4Hz,由于风振作用,在自重载荷和风载荷作用下,金属结构有可能发生疲劳破坏,不论起重机的工作级别如何,都需要进行疲劳计算。
应力循环数
     为了确保是否需要进行疲劳计算,以及在进行疲劳计算时确定零件的疲劳强度,都需要对零件在设计寿命期内的应力循环次数进行计算。
     零件在设计寿命期内的应力循环数N位:N=FZ
          式中 Z--零件的设计寿命(h),一般按照机构的设计寿命选取;F--零件每小时应力循环数,应力变动值小于最大应力绝对值的10%时,不计其应力循环数。
无限寿命疲劳
      当零件应力循环数N大于循环基数Ne,应进行无限寿命疲劳计算。这一设计准则要求零件或结构在无限长的使用时期内,不发生疲劳破坏。S-N曲线的水平段说明,只要将零件部件或结构的工作应力制在它们的疲劳极限以下,就可以使零件或结构的寿命无限长。无限寿命设计是最老的设计准则,按照这种准则设计的零件或部件,一般尺寸较大,比较保守。但对于地面工作、运转时间长的机械和设备,无限寿命疲劳强度计算仍然获得广阔的应用。疲劳强度计算一般在静强度计算之后进行,采用许用应力法或安全系数法。
有限寿命疲劳
      有限寿命疲劳计算的基本思想是,在确保零部件或结构规定寿命的条件下,依据零件S-N曲线左段斜线部分,采用大于疲劳极限的设计应力进行疲劳强度计算。这样能使材料的承载能力充分利用,零件或结构的自重得以减轻,而减轻重量通常是提高产品性能水平的关键之一。有时候,即使整机需要较长的寿命,也情愿定期维修,用更换零件的办法,让某些零件设计得寿命较短,而使重量更轻。有限寿命计算是当前许多机械设计疲劳计算时主要采用的方法。对减轻重量有较高要求的机械产品,都使用有限疲劳计算。

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