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常用的機械疲（pí）勞分析方（fāng）法，都在這裏了

2021-3-17 來源：機械知網作者：

1. 名義應力法

名義應（yīng）力法是以結構的名義應力為試（shì）驗（yàn）和壽命估算的基礎，采用雨流法取（qǔ）出一個個相互獨立、互不相關的（de）應（yīng）力循環，結合材料的S -N曲線，按線（xiàn）性累積損傷理論估算結構疲勞壽（shòu）命的一種方法。

基本假定：對任一構件（或結構細節或（huò）元（yuán）件），隻要應力集中係數KT相同，載荷譜相（xiàng）同，它們的壽命（mìng）則相同。此法中名義應力為控製參數。該（gāi）方法考慮到了（le）載荷順序和（hé）殘餘應力的影響，簡單易行。

但該種方法有（yǒu）兩個主要的不足之處：

一是因其在彈性範圍內研究疲勞問（wèn）題，沒有考慮缺口根部的局部（bù）塑性變形的影響，在計算有應力集中存在的結構疲勞（láo）壽命時，計算誤差較大；

二是標準試樣和結構之間的等效關係的確定十分困難，這是由於這種關係與結構的（de）幾何形狀（zhuàng）、加載方式和結構（gòu）的大小、材料等因素有關。

正是因為上述（shù）缺陷，使（shǐ）名義應力法（fǎ）預（yù）測疲勞裂紋（wén）的形成能力較（jiào）低（dī），且該（gāi）種方法需求得在不同的應力比R和不（bú）同的應力集（jí）中因子KT下（xià）的S-N曲線，而獲得這些材料數據需要大量的經費。

因（yīn）而，名義應力法（fǎ）隻適用於計算應力水平較低的高周疲勞和無（wú）缺（quē）口結構的疲勞壽命。近年來（lái），名義（yì）應力法也在不斷的發展中，相繼出現了應力嚴重係數法 (S.ST)、有效應（yīng）力法、額定係（xì）數法 (DRF) 等。

2. 局部應力-應變法

局部應力一（yī）應變法的（de）基本思想是根據結構（gòu）的名義應力曆程，借助於局部應力-應變法分析缺口處的局部（bù）應力。再（zài）根（gēn）據缺口處的局部應力，結合構件的S-N曲線、材料的循環。一曲線（xiàn）、E -N曲（qǔ）線及線性（xìng）累積損傷（shāng）理論，估算結構（gòu）的疲勞壽命。

基本假（jiǎ）定：若一個構件的危險部位（點）的應力一應變曆程與一個光滑小（xiǎo）試件的應力一應變曆程（chéng）相同（tóng），則壽命相同。此法中局部應力一應變是控製參數。

局部應力一應變法（fǎ）主要用於解決高應（yīng）變（biàn）的低周疲勞和帶缺口結構的疲勞壽命問題。該（gāi）方法（fǎ）的特點是可以通過一定的分析、計算，將結構上的名義（yì）應力轉（zhuǎn）化為缺口處的局部應力（lì）和應變。它可以細致地分析缺（quē）口處（chù）的局部應力和應變的非線性關係，可以考慮載荷順序（xù）和殘餘應力對疲勞壽命的影響。因此，到目前為止，局部（bù）應力-應變（biàn）法是一種（zhǒng）比較好的疲勞壽命估算方法。它克服了名義應力法的（de）兩（liǎng）個主要缺陷，但它亦有本身固有的缺陷：

一是沒有考慮缺口根（gēn）部附近應力梯度和多（duō）軸應力的影響；

二是（shì）疲勞壽命的計算結果（guǒ）對疲勞缺口係數K值非常敏感。

而在（zài）實際工作中，精（jīng）確地確定結構的K值是非常（cháng）困難的，這就影響了局部應力一應變法估算疲（pí）勞壽命的精度。此外，局部應力（lì）一應變法要用到材料的C-N曲線，而E-N曲線是在控製應（yīng）變的條件下進行疲勞試驗（yàn）而得到的（de），試驗數據資料比較少，不如（rú）S-N曲線容易得到，這也影響了該方法的使用。

3. 能量法

基本假定：由相同的材料製成的構件（元件或結構細節（jiē）），如果在（zài）疲（pí）勞危險區承受相（xiàng）同的局部應變能曆程，則它們具有相同的疲勞裂紋形成壽命。

能量法的材（cái）料性能數據主要是材料的循環應力一應變曲線和（hé）循環能耗一壽命曲線。雖然在現有的能（néng）量（liàng）法中均假設各循環的能耗是線性（xìng）可加（jiā）的，而事實上由於循環（huán）加（jiā）載過程中材料內部的損傷界麵不斷擴（kuò）大，因此能耗總量與（yǔ）循環（huán）數之間的關係是非線性的。這一關鍵問題導致了能量法難於運用（yòng）於工（gōng）程實際。因此能量法可能不是一種十分合理和有前途的方法。

4. 場強法

基（jī）本假設：由相（xiàng）同的材料（liào）製成的構件（元件或結構細節），如果（guǒ）在疲勞（láo）失效區域承受相同應力場（chǎng）強度曆程，則具（jù）有相同疲勞壽命。此法的控製參數是應力場強度。用場強法預測結構的疲勞裂紋的形成壽命時，需要循環應力一應變（biàn）曲線和（hé）S-Nf曲線（或￡-Nf曲線），分析計算較（jiào）複雜。

由上述（shù）四種疲勞壽命預測方法各自的（de）特點可知，不同的已（yǐ）知條件需采用不同的預測方法：如對於具有大量的疲勞性（xìng）能數據的材料製成的連接件或結構件可采用名義應力法；對於具有複雜的（de）幾何外形且承受複雜載荷作用（yòng）下的一些結構件可采用局部應力一應變法，尤其（qí）是瞬態的循環；一曲線和￡-Nf曲線相結合的方法；應（yīng）力場強法可以用於與局部（bù）應力一應變法相同的材料疲勞性能數據，即循環a一曲線和S-N或￡-Nf曲線。

5. 斷裂力學方法

斷（duàn）裂力學理論是基於材料本身存在著缺陷或裂紋這一事實，以變形（xíng）體力學為（wéi）基（jī）礎，研究含缺陷或裂紋的擴展、失穩和止裂。通過對斷口定量分析得出構件在實際工作中的疲勞裂紋擴展速率（適用較廣泛的是Paris疲（pí）勞裂紋擴展速率公（gōng）式），合理地對（duì）零部件進行疲勞壽命估算，確定構件形成（chéng）裂紋的時間，評價其製造質量，有利於正確分析事故原因。事實上這種方法解決了工程中許多災難性的低應力（lì）脆斷問題，彌補了常規設計方法的不足，現已成為失效分析的重要方法（fǎ）之一。

疲勞斷裂是結構零部（bù）件失效的主要模式。據統計，由於結構部件失效導致的重大事故中的85%-90%與疲勞斷裂有關。根據斷裂力學的觀點，金屬結構件的疲勞破壞是由於（yú）主裂紋擴展到臨界尺寸而造成的，結構的壽命取決於結構危險部位（wèi）裂紋（wén）的萌生與擴展。

該（gāi）方法將疲勞斷裂過程分為三個階段：

一是構件在交變（biàn）力作用下產生（shēng）初始（shǐ）裂紋（初（chū）始裂紋定義至今仍無統一標準，習慣上為（wéi）0.5-1mm）；

二是裂紋開始擴展，以致產生較大宏觀裂紋；

三是裂（liè）紋急劇擴展，迅速導致破壞，它的壽命往往很（hěn）短，稱（chēng）瞬間斷裂壽命，工程上不予考（kǎo）察（chá）。

按裂紋產生（shēng）的時間，又（yòu）可將第一階段定義（yì）為始（shǐ）裂壽命，第二階段定義為裂紋（wén）擴展壽命（mìng）（習慣上稱剩餘壽命）。對壽命的度量一般以經曆的循環荷載的次數來表示。該理論認為，疲勞（láo）極限是客觀存在（zài）的，也就（jiù）是說，當（dāng）構件承（chéng）受的循（xún）環荷載（zǎi）幅值小於該構件材料的疲（pí）勞極限時，該構件不可能因產生裂紋（wén）導致破壞，即從疲（pí）勞壽命角度考察其壽命是無限的。此外疲勞壽命不僅與（yǔ）循環載荷幅值和材料物理、化學特性（xìng）有關，還與載荷的（de）變化頻率有關，故疲勞壽（shòu）命有高（gāo）周疲勞與（yǔ）低周疲勞之分。

前述名義應（yīng）力法（fǎ）、局部應力一應變法等均是研（yán）究始裂壽命。而剩（shèng）餘壽命的研究，則較複雜。目前是一個熱點問題，工程界尚未提出普遍（biàn）接受的評估手（shǒu）段。

近年來，斷裂力學理論得（dé）到了長足的（de）發展，但是它還很不完善，斷裂失效的機理還不是十分清楚，所（suǒ）以要應用（yòng）該理論得出簡單而準確可靠的疲勞壽命預測計算式還有待時日（rì）。

6. 可靠性設計方法（fǎ）

可靠性設計方（fāng）法是應用可靠性理論（lùn）和設計參數的統計數（shù）據，在給定的可靠性指標下，對零部（bù）件（jiàn）、設備或係統進（jìn）行（háng）的設計。其目（mù）的是發現和（hé）確定產品存在的隱患和薄（báo）弱環節，通過預防和改進，提（tí）高產品的固有（yǒu）可靠性。

但是機械係統的可靠性研究還很不成熟，況（kuàng）且用可靠性設計的方法也不能解決疲（pí）勞剩餘壽命評估的問題。

7. 概率斷裂力學

斷裂力學是基於確定性參數（shù）的估算方（fāng）法。概（gài）率斷裂力學是將斷（duàn）裂（liè）力學中裂紋尺寸、斷裂韌性、應力強度因子、裂紋擴展速率等參（cān）數作為隨機（jī）變量（liàng），進行（háng）可靠性分析。這樣就提高了斷裂力學工程分析（xī）方法的可靠性。但該種方法存在一定的缺陷：

一是其涉及到隨機變量和隨機數目前主要采用正態（tài）分布（bù）、三參數威布爾分布來產（chǎn）生，顯然不足（zú）以（yǐ）完全反映（yìng）實際情況；

二（èr）是試驗數據不足。

故這種（zhǒng）方法（fǎ）在實（shí）際應用中受到了一定的限製。

目前也（yě）有人利用（yòng）模糊數學和統計模擬的方法對金屬（shǔ）結構的（de）技術狀態進行綜合評價，並在此基礎上推（tuī）算它的剩（shèng）餘壽命。這些方（fāng）法是否可靠，不僅取決於（yú）數學方法，還取（qǔ）決於人的主觀因素。

8. 金（jīn）屬結構疲勞壽命評估理論基礎

試驗上側重於研究選擇適（shì）合於工程的金屬結構實際測量的方法，找到應用於實際（jì）的判斷依據，從而正確地評價其壽命（mìng）。利用計算（suàn）機的虛擬技術，提高對實（shí）測數據的處理，建立金屬結構件的專家係統，評定金屬結構的疲勞剩餘壽（shòu）命和其餘的技術指標，進而研究金屬結構（gòu）的設（shè）計、製造和技（jì）術改造等的人工智能係（xì）統。

在今後的金屬結構疲勞壽命評估理（lǐ）論中，專家們一致認（rèn）為（wéi）應著手以下幾方麵（miàn）的研究：

理論上側重研究係統臨界狀態及多臨（lín）界狀態的優化問題，研究多判（pàn）據情況下一次二階矩法；

研究驗證臨界失效模型的有效方法（fǎ）；

完善疲勞強度理論及斷裂力學方法；

研究更適合係統的概率失效模型，改進（jìn）目前（qián）計算斷裂概率方法（fǎ）；

進一步研究計算可靠度的方法；

研究影響係統的敏感（gǎn）性參數，特別研（yán）究對係統的（de）參數敏（mǐn）感性分析方法，從而係統有效地處理其敏感性指標。

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