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常用的機械疲勞分析方法，都在這裏了

2021-3-17 來（lái）源：機械知網作者（zhě）：

1. 名義應力法

名義應力法是以結構的名義應力（lì）為試驗和壽命估算的基礎，采用雨流法取出一個個相互（hù）獨立、互不相關的應力循環，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命的一種方法。

基本假定：對任一構件（或結構細節或元件），隻要（yào）應力集中（zhōng）係數KT相同，載荷譜相同，它們的壽命則相同。此法中名義應（yīng）力為控製參數。該方法（fǎ）考慮到了（le）載荷順序和殘（cán）餘應力的（de）影響，簡單易行。

但該種方法有兩個（gè）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（gēn）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壽命時，計算誤（wù）差較大；

二（èr）是標準試樣和（hé）結構之間的等效關係的確（què）定十分（fèn）困難，這是由於這種關係與結構（gòu）的幾何（hé）形狀（zhuàng）、加（jiā）載方式和（hé）結構的大小、材料等因素有（yǒu）關。

正是因為上述缺陷，使名義應力法預測疲勞裂紋的形成能力較（jiào）低，且該種方法（fǎ）需求得在不同的應力比R和不同的應力集中因子KT下的S-N曲線，而獲得（dé）這些（xiē）材料數據需要大量（liàng）的經費。

因而，名義應力法隻適用於計算應力水平較低的高周疲勞（láo）和無缺口結構的疲勞壽命。近年來，名義應力（lì）法也在不斷的發展（zhǎn）中，相繼出現了應力嚴重係數法 (S.ST)、有效應力法、額定係數法 (DRF) 等。

2. 局（jú）部應力（lì）-應變法

局部應力一應變法（fǎ）的基本思想是根據結（jié）構的名義應力曆程，借助於（yú）局部應力-應（yīng）變法分（fèn）析缺口處的局部應力。再根據缺口處的局部（bù）應力，結合構件的S-N曲線、材料的循環。一曲線、E -N曲線及線性累積損傷理論，估算結構的（de）疲勞壽命。

基本假定：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試（shì）件的應力一（yī）應變曆程相同，則壽命相同。此法中局部應力一應變是控製參數。

局部應力一應變法主要用於（yú）解決高應變的低周疲勞（láo）和帶缺口（kǒu）結構的疲勞壽命問題（tí）。該方法的特點是可以通過一（yī）定的分析、計算，將結構上的名義應力轉（zhuǎn）化（huà）為缺口處的局部應（yīng）力和應變。它可以細（xì）致地分析缺口處的局部應力和應變的非線性關係，可以考慮載荷（hé）順序和殘餘應力對疲（pí）勞壽命的影（yǐng）響。因此，到目前（qián）為止，局部應力-應變法是一種比較好的疲勞（láo）壽命估算方法。它克服了名義應力法的兩個主（zhǔ）要缺陷，但它亦有本身（shēn）固（gù）有的缺陷：

一是沒有考慮缺（quē）口根部附近應（yīng）力梯度和多軸應力的影響；

二是疲勞壽命的（de）計算結果（guǒ）對（duì）疲（pí）勞缺口係數K值（zhí）非常敏感。

而在（zài）實（shí）際（jì）工作中，精確地（dì）確定結構（gòu）的（de）K值是非常困難的，這就影響了局部（bù）應力一應變法（fǎ）估算疲勞壽命的（de）精度。此外，局部應力一應變法要用到材料的C-N曲（qǔ）線，而E-N曲（qǔ）線是（shì）在控製應變的條件下進行疲勞試驗而得到的，試驗數據資料（liào）比較少，不（bú）如S-N曲線容易得到，這（zhè）也影響了該方法（fǎ）的使（shǐ）用。

3. 能（néng）量（liàng）法

基本假定：由相同的材料製成的構件（元（yuán）件或結構細節），如果（guǒ）在疲勞危險區承受相（xiàng）同的局部應（yīng）變能曆（lì）程，則（zé）它們具有相同（tóng）的疲勞裂紋（wén）形成壽命。

能量法的材料性能數（shù）據主要是材料的循環應力一（yī）應變曲線和循環能耗一壽命曲線（xiàn）。雖然在現有（yǒu）的能量法中均假設各（gè）循環的能耗是線性可加的，而事實上（shàng）由於（yú）循（xún）環加載過程中材料內部（bù）的（de）損傷界麵不斷擴大，因此能耗總量與循環（huán）數之間的關係是非（fēi）線性的。這一關鍵問題導致了能量法難於運用於工程實（shí）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（běn）假設：由相（xiàng）同的材（cái）料製成的構件（元件或結構細節），如果在疲勞失效區域承受相同應力場強度曆程（chéng），則具有相同疲勞壽命。此（cǐ）法的控（kòng）製參數是應力場強度。用場強法（fǎ）預測結（jié）構的（de）疲勞裂紋的形成壽命時，需要循環應力一應變曲線和S-Nf曲線（或￡-Nf曲線），分（fèn）析計算較複雜。

由上述四種疲勞壽命預測方法各自的特點可（kě）知，不（bú）同的已知條件（jiàn）需（xū）采用不（bú）同的預測方法：如對於具有大量的疲勞性能（néng）數據的材（cái）料製成（chéng）的連接件或（huò）結（jié）構件可（kě）采用（yòng）名（míng）義應力（lì）法；對於具有複雜（zá）的幾何外形且承受複雜載荷作用下的一些結構件（jiàn）可采用局部應力一應變法，尤其是瞬態的循環；一曲線和￡-Nf曲線相（xiàng）結合的方法；應力場（chǎng）強（qiáng）法可以用於與（yǔ）局（jú）部應力一（yī）應變法相同的材料疲勞性能數據（jù），即循（xún）環a一曲線（xiàn）和S-N或￡-Nf曲線。

5. 斷裂力學方法

斷裂力學理論是基於材料本身（shēn）存在著缺陷或裂紋這一事實，以變形體力學為基礎，研究含（hán）缺陷或裂紋的擴展、失穩和止（zhǐ）裂。通過對斷口定量分析得出構件在實際工作中的疲勞裂（liè）紋擴展速率（適用較廣泛的是Paris疲勞裂紋擴展速率公式），合理地對零部（bù）件進行疲勞壽命估（gū）算，確定（dìng）構件形成裂紋的時間，評（píng）價其製造質量，有利於正確分析事故原因。事實（shí）上這種方法解決了工程中許多（duō）災（zāi）難性的低應力脆斷問題，彌補了常規設計方法的不足，現已（yǐ）成為失效分析的重要方（fāng）法之（zhī）一。

疲勞斷裂是結構零部（bù）件失效的主要模式。據統（tǒng）計，由於結（jié）構部件失效導致的重大事故中的85%-90%與（yǔ）疲勞斷裂（liè）有關。根據斷裂力學的觀點，金屬結構（gòu）件的疲勞（láo）破壞是由於主裂紋擴展到臨界尺寸而造成的，結構的壽命取（qǔ）決於結構危險部位裂紋的萌生與擴展。

該方法將疲勞斷裂過程分為（wéi）三個階段：

一是（shì）構件在交變力作用下（xià）產生初始裂紋（初始裂紋定義至今仍（réng）無統一標準，習慣上為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（jù）擴展，迅速導致破壞，它（tā）的壽命往往很短，稱瞬間斷裂壽命，工程（chéng）上不（bú）予考察（chá）。

按裂紋產生的時間，又可將第一階段定義為始（shǐ）裂（liè）壽命，第二階段定義為裂紋擴展（zhǎn）壽命（習（xí）慣上稱剩餘壽命）。對（duì）壽命的度量（liàng）一般以經曆的循環荷載的次數來表示。該理論認為，疲勞極（jí）限是客觀存在的，也就是說，當構件承受的循環荷（hé）載幅值小於該構件材料（liào）的疲勞極限時（shí），該（gāi）構件不可能因產（chǎn）生裂紋導致破壞，即（jí）從疲勞壽命角度考察其壽命是無限的（de）。此外疲勞壽命不僅與循環載荷幅值和材料物理、化學特性有關，還與載荷的（de）變化頻率有關，故疲（pí）勞壽命有高周疲勞與低周疲勞之分。

前述名義應力法、局部應力一應變法等均是（shì）研究（jiū）始裂壽命。而剩餘壽命的研究，則較複（fù）雜。目（mù）前是一（yī）個熱點問題，工程界尚未提（tí）出普遍接受的評估（gū）手段（duàn）。

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

6. 可靠性設（shè）計方法

可靠性設計方法是應（yīng）用可靠性理論和設計參數的統計數據，在給定的可靠性指標下，對零部件、設備或係統進行的設計。其目的是發現和確定產（chǎn）品（pǐn）存在的隱患和薄弱環節，通過預防和改（gǎi）進（jìn），提高產品的固有可靠性。

但是機械係（xì）統的可靠性研究（jiū）還很不成熟，況且用可靠性設（shè）計的方法也不能解決疲勞剩餘壽命評估的問題。

7. 概率斷裂力學

斷裂（liè）力學是基於確定性參數的估算方法。概率斷（duàn）裂力學是將斷裂力（lì）學中裂紋尺寸、斷裂韌性（xìng）、應力強度因子、裂紋擴展速率等參數作為隨機（jī）變量，進行可靠性分析。這樣就提高了斷裂（liè）力學工程分析方法（fǎ）的可靠性（xìng）。但該種方法存（cún）在一定的缺陷：

一（yī）是（shì）其涉及（jí）到隨機變量和隨機數目（mù）前主要采用正態分布、三參數威布爾分（fèn）布來（lái）產生，顯然不足以（yǐ）完（wán）全反映實際情況；

二是試驗數據不足。

故這種方法在實際應用中受到（dào）了一定的限製。

目前也有人利用模糊數學和統計模擬的方法對金屬結構的技術狀態進行（háng）綜合評價，並在此基礎（chǔ）上（shàng）推算它的剩餘壽命。這些方法是否可靠，不僅取決於數學方（fāng）法，還取決於人的主觀因素。

8. 金（jīn）屬結構疲勞壽命評估理論基礎

試驗上側重於研究（jiū）選擇適合於工程的金屬結構（gòu）實際測量（liàng）的方法，找到應用於實際的判斷依據（jù），從而正確地評價其壽命。利用計算機的虛擬技（jì）術，提高（gāo）對實測數據的處理，建立金屬結構件（jiàn）的專家係統，評定金（jīn）屬結構的疲（pí）勞剩餘壽（shòu）命和其餘的（de）技術指標，進而研究金屬結構的設計、製造（zào）和技術改造等的人（rén）工智能係統。

在今後的金屬結構疲勞壽命評（píng）估理論中，專家們一致認為應著手以下幾方麵的研究：

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

研究驗證臨（lín）界失效模型的有效方法；

完善疲勞強度理論及斷裂力學方法（fǎ）；

研究更適合係統的概（gài）率失效（xiào）模型，改進目前計（jì）算斷裂概率方法；

進一步研究計算可（kě）靠度的方法；

研究影響係（xì）統的敏感性參數，特別研究對（duì）係統的參數（shù）敏感性分析方（fāng）法，從而係統有效（xiào）地（dì）處理其敏感性指標。

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