疲勞壽命分析方法

㈠ 低周疲勞和高周疲勞在疲勞壽命計算中的不同點

為便於分析研究，常按破壞循環次數的高低將疲勞分為兩類：①高循環疲勞（高周疲勞）。作用於零件、構件的應力水平較低 ，破壞循環次數一般高於104～105的疲勞 ，彈簧、傳動軸等的疲勞屬此類。②低循環疲勞（低周疲勞）。作用於零件、構件的應力水平較高 ，破壞循環次數一般低於104～105的疲勞，如壓力容器、燃氣輪機零件等的疲勞。實踐表明，疲勞壽命分散性較大，因此必須進行統計分析，考慮存活率（即可靠度）的問題 。具有存活率p（如95％、99％、99.9％）的疲勞壽命np的含義是 ：母體（總體）中有p的個體的疲勞壽命大於np。而破壞概率等於（ 1－ p ） 。常規疲勞試驗得到的s-n曲線是p＝50％的曲線 。對應於各存活率的p的s-n曲線稱為p-s-n曲線。

疲勞(2)
fatigue

材料、零件和構件在循環載入下，在某點或某些點產生局部的永久性損傷，並在一定循環次數後形成裂紋、或使裂紋進一步擴展直到完全斷裂的現象。
研究簡史 有記載的最早進行疲勞試驗是德國的w.a.艾伯特 。法國的j.-v.彭賽列首先論述了疲勞問題並提出「疲勞」這一術語。但疲勞研究的奠基人則是德國的a.沃勒，他在19世紀50～60 年代最早得到表徵疲勞性能的s-n曲線並提出疲勞極限的概念 。20世紀50年代 p.j.e.福賽思首先觀察到疲勞過程中在滑移帶內有金屬薄片擠出的現象。隨後n.湯普孫等人發現這種滑移帶不易用電解拋光去掉，稱為「駐留滑移帶」。後來證明，駐留滑移帶常常成為裂紋源。1924年德國的j.v.帕姆格倫在估算滾動軸承壽命時，假設軸承的累積損傷與其轉動次數成線性關系。1945年美國m.a.邁因納明確 提出了 疲 勞 破 壞的線性損傷累積理 論 ，也稱為帕 姆 格倫- 邁因納定律，簡稱邁因納定律。此後，斷裂力學的進展豐富了傳統疲勞理論的內容，促進了疲勞理論的發展。用概率統計方法處理疲勞試驗數據，是20世紀20年代開始的。60年代後期 ，概率疲勞分析和設計從電子產品發展到機械產品，於是在航空、航天工業的先導下 ，開始了概率統計理論在疲勞設計中的應用。
循環應力 在工程上引起的疲勞破壞的應力或應變有時呈周期性變化，有時是隨機的。在疲勞試驗中人們常常把它們簡化成等幅應力循環的波形 ，並用一些參數來描述 。圖1中 σmax 和 σmin 是循 環應力的最 大和最小 代 數 值 ；γ ＝σmin／σmax是應力比；σm＝（σmax＋σmin）／2是平均應力；σa＝（σmax－σmin）／2 是應力幅 。當 σm＝0時 ，σmax與σmin的絕對值相等而符號相反，γ＝－11，稱為對稱循環應力；當σmin＝0時，γ＝0稱為脈動循環應力。
曲線 s-n曲線中的s為應力（或應變）水平，n為疲勞壽命。s-n曲線是由試驗測定的 ，試樣採用標准試樣或實際零件、構件，在給定應力比γ的前提下進行，根據不同應力水平的試驗結果 ，以最大應力σmax或應力幅σa為縱坐標，疲勞壽命n為橫坐標繪制s-n曲線（圖2） 。當循環應力中的σmax小於某一極限值時，試樣可經受無限次應力循環而不產生疲勞破壞，該極限應力值就稱為疲勞極限，圖2中s-n曲線水平線段對應的縱坐標就是疲勞極限。而左邊斜線段上每一點的縱坐標為某一壽命下對應的應力極限值，稱為條件疲勞極限。
疲勞特徵 零件 、構件的疲勞破壞可分為3個階段 ：①微觀裂紋階段。在循環載入下，由於物體的最高應力通常產生於表面或近表面區，該區存在的駐留滑移帶、晶界和夾雜，發展成為嚴重的應力集中點並首先形成微觀裂紋。此後，裂紋沿著與主應力約成45°角的最大剪應力方向擴展，裂紋長度大致在0.05毫米以內，發展成為宏觀裂紋。②宏觀裂紋擴展階段。裂紋基本上沿著與主應力垂直的方向擴展。③瞬時斷裂階段。當裂紋擴大到使物體殘存截面不足以抵抗外載荷時，物體就會在某一次載入下突然斷裂。對應於疲勞破壞的3個階段 ，在疲勞宏觀斷口上出現有疲勞源 、疲勞裂紋擴展和瞬時斷裂3個區（圖3）。疲勞源區通常面積很小，色澤光亮，是兩個斷裂面對磨造成的；疲勞裂紋擴展區通常比較平整，具有表徵間隙載入、應力較大改變或裂紋擴展受阻等使裂紋擴展前沿相繼位置的休止線或海灘花樣；瞬斷區則具有靜載斷口的形貌，表面呈現較粗糙的顆粒狀。掃描和透射電子顯微術揭示了疲勞斷口的微觀特徵，可觀察到擴展區中每一應力循環所遺留的疲勞輝紋。
疲勞壽命 在循環載入下 ，產生疲勞破壞所需應力或應變的循環次數。對零件、構件出現工程裂紋以前的疲勞壽命稱為裂紋形成壽命。工程裂紋指宏觀可見的或可檢的裂紋 ，其長度無統一規定 ，一般在0.2～1.0毫米范圍內 。自工程裂紋擴展至完全斷裂的疲勞壽命稱為裂紋擴展壽命。總壽命為兩者之和。因工程裂紋長度遠大於金屬晶粒尺寸，故可將裂紋作為物體邊界，並將其周圍材料視作均勻連續介質，應用斷裂力學方法研究裂紋擴展規律 。由於s-n曲線是根據疲勞試驗直到試樣斷裂得出的 ，所以對應於s-n曲線上某一應力水平的疲勞壽命n是總壽命 。在疲勞的整個過程中 ，塑性應變與彈性應變同時存在 。當循環載入的應力水平較低時 ，彈性應變起主導作用；當應力水平逐漸提高，塑性應變達到一定數值時，塑性應變成為疲勞破壞的主導因素。為便於分析研究，常按破壞循環次數的高低將疲勞分為兩類：①高循環疲勞（高周疲勞）。作用於零件、構件的應力水平較低 ，破壞循環次數一般高於104～105的疲勞 ，彈簧、傳動軸等的疲勞屬此類。②低循環疲勞（低周疲勞）。作用於零件、構件的應力水平較高 ，破壞循環次數一般低於104～105的疲勞，如壓力容器、燃氣輪機零件等的疲勞。實踐表明，疲勞壽命分散性較大，因此必須進行統計分析，考慮存活率（即可靠度）的問題 。具有存活率p（如95％、99％、99.9％）的疲勞壽命np的含義是 ：母體（總體）中有p的個體的疲勞壽命大於np。而破壞概率等於（ 1－ p ） 。常規疲勞試驗得到的s-n曲線是p＝50％的曲線 。對應於各存活率的p的s-n曲線稱為p-s-n曲線。
環境影響 某些零件 、構件是在高於或低於室溫下工作，或在腐蝕介質中工作，或受載方式不是拉壓和彎曲而是接觸滾動等，這些不同的環境因素可使零件、構件產生不同的疲勞破壞。最常見的有接觸疲勞、高溫疲勞、熱疲勞和腐蝕疲勞。此外，還有微動磨損疲勞和聲疲勞等。①接觸疲勞。零件在高接觸壓應力反復作用下產生的疲勞。經多次應力循環後，零件的工作表面局部區域產生小片或小塊金屬剝落，形成麻點或凹坑。接觸疲勞使零件工作時雜訊增加、振幅增大、溫度升高、磨損加劇，最後導致零件不能正常工作而失效 。在滾動軸承、齒輪等零件中常發生這種現象。②高溫疲勞 。在高溫環境下承受循環應力時所產生的疲勞。高溫是指大於熔點1／2以上的溫度，此時晶界弱化，有時晶界上產生蠕變空位，因此在考慮疲勞的同時必須考慮高溫蠕變的影響。高溫下金屬的s-n曲線沒有水平部分 ，一般用 107～108次循環下不出現斷裂的最大應力作為高溫疲勞極限；載荷頻率對高溫疲勞極限有明顯影響，當頻率降低時，高溫疲勞極限明顯下降。③熱疲勞。由溫度變化引起的熱應力循環作用而產生的疲勞。如渦輪機轉子、熱軋軋輥和熱鍛模等，常由於熱應力的循環變化而產生熱疲勞。④腐蝕疲勞。在腐蝕介質中承受循環應力時所產生的疲勞。如船用螺旋槳、渦輪機葉片 、水輪機轉輪等，常產生腐蝕疲勞。腐蝕介質在疲勞過程中能促進裂紋的形成和加快裂紋的擴展。其特點有 ：s-n曲線無水平段；載入頻率對腐蝕疲勞的影響很大；金屬的腐蝕疲勞強度主要是由腐蝕環境的特性而定；斷口表面變色等。
發展趨勢 飛機、船舶、汽車、動力機械、工程機械 、冶金、石油等機械以及鐵路橋梁等的主要零件和構件，大多在循環變化的載荷下工作，疲勞是其主要的失效形式。因此，疲勞理論和疲勞試驗對於設計各類承受循環載荷的機械和結構，成為重要的研究內容。疲勞有限壽命設計中進行壽命估算，必須了解材料的疲勞性能，以此作為理論計算的依據 。由於疲勞壽命的長短取決於所承受的循環載荷大小，為此還必須編制出供理論分析和全尺寸疲勞試驗用的載荷譜，再根據與各種疲勞相適應的損傷模型估算出疲勞壽命。疲勞理論的工程應用，經歷了從無限壽命設計到有限壽命設計，有限壽命設計尚處於完善階段。發展趨勢是：①宏觀與微觀結合，探討從位錯、滑移、微裂紋、短裂紋、長裂紋到斷裂的疲勞全過程 ，尋求壽命估算各階段統一的物理-力學模型 。②研究不同環境下的疲勞及其壽命估算方法。③概率統計方法在疲勞中的應用，如隨機載荷下的可靠性分析方法，以及耐久性設計等。

疲勞
材料承受交變循環應力或應變時所引起的局部結構變化和內部缺陷發展的過程。它使材料的力學性能下降並最終導致龜裂或完全斷裂。

㈡ 材料疲勞失效分析的實驗方法有哪些

6.疲勞實驗方法及疲勞曲線：
原理：用小試樣模擬實際機件的應力情況，在疲勞試 驗機上系統測量材料的疲勞曲線，從而建立疲勞極 限和疲勞應力判據。
試驗設備：最常用的旋轉彎曲疲勞試驗機 將相同尺寸的疲勞試樣，從0.67σ 范圍內選擇幾個不同的最大循環應力σ 別對每個試樣進行循環載入試驗，測定它們從載入開始到試樣斷裂所經歷的應力循環次數N ，然後將試驗數據繪製成σmax －N曲線或 max-lgN曲線，即疲勞曲線。
二、疲勞試樣 適用於旋轉彎曲疲勞試驗機上的光滑試樣其尺寸形狀如圖所示，其直徑d可為6mm、7.5mm、 9.5mm。
三、試驗程序 將試樣裝入試驗機，牢固夾緊並使其與試驗機主軸保持良好同軸。 旋轉時，試樣自由端上測得的徑向跳動量應不大於0.03mm。空載運轉，在主軸筒加力部位測得 徑向跳動量不應大於0.06mm。加力前必須檢定 上述值。裝樣時切忌接觸試驗部分表面。 試驗速度范圍900～10000r/min。同一批試驗的試驗速度應相同。不得採用引起試樣共振的試驗 速度。
三、試驗程序 試驗一直進行到試樣失效或達到規定循環次數時終止，試驗原則上不得中斷。 試樣失效標准為肉眼所見疲勞裂紋或完全斷裂。試樣失效如發生在最大應力部位之外，或斷口有 明顯缺陷或中途停試發生異常數據，則試驗結果 無效。
四、測定條件疲勞極限 應力增量一般為預計條件疲勞極限σ-1 的3％～5％。 試驗應在3～5級的應力水平下進行，第一根試樣的應力水平應略高於預計的條件疲勞極限。根據上根 試樣的試驗結果是破壞還是通過，即試樣在未達到 指定壽命10 周次之前破壞或通過，決定下一根試樣的應力降低或升高，直到完成全部試驗。

㈢ 疲勞強度的理論分析

疲勞的機制可以分成三個相互關聯的過程：
1. 裂紋產生
2. 裂紋延伸
3. 斷裂
FEA應力分析可以預測裂紋的產生。許多其他技術，包括動態非線性有限元分析可以研究與裂紋的延伸相關的應變問題。由於設計工程師最希望從一開始就防止疲勞裂紋的出現，確定材料的疲勞強度。
裂紋開始出現的時間以及裂紋增長到足以導致零部件失效的時間由下面兩個主要因素決定：零部件的材料和應力場。材料疲勞測試方法可以追溯到19 世紀，由August Wöhler 第一次系統地提出並進行了疲勞研究。標准實驗室測試採用周期性載荷，例如旋轉彎曲、懸臂彎曲、軸向推拉以及扭轉循環。科學家和工程師將通過此類測試獲得的數據繪制到圖表上，得出每類應力與導致失效的周期重復次數之間的關系，或稱S-N曲線。工程師可以從S-N 曲線中得出在特定周期數下材料可以承受的應力水平。
該曲線分為高周疲勞和低周疲勞兩個部分。一般來說，低周疲勞發生在10,000 個周期之內。曲線的形狀取決於所測試材料的類型。某些材料，例如低碳鋼，在特定應力水平（稱為耐疲勞度或疲勞極限）下的曲線比較平緩。不含鐵的材料沒有耐疲勞度極限。
大體來說，只要在設計中注意應用應力不超過已知的耐疲勞度極限，零部件一般不會在工作中出現失效。但是，耐疲勞度極限的計算不能解決可能導致局部應力集中的問題，即應力水平看起來在正常的「安全」極限以內，但仍可能導致裂紋的問題。
與通過旋轉彎曲測試確定的結果相同，疲勞載荷歷史可以提供關於平均應力和交替應力的信息。測試顯示，裂紋延伸的速度與載荷周期和載荷平均應力的應力比率有關。裂紋僅在張力載荷下才會延伸。因此，即使載荷周期在裂紋區域產生壓縮應力，也不會導致更大的損壞。但是，如果平均應力顯示整個應力周期都是張力，則整個周期都會導致損壞。
許多工況載荷歷史中都會有非零的平均應力。人們發明了三種平均應力修正方法，可以省去必須在不同平均應力下進行疲勞測試的麻煩：
Goodman 方法- 通常適用於脆性材料。
Gerber 方法- 通常適用於韌性材料。
Soderberg 方法- 通常最保守。
這三種方法都只能應用於所有相關聯的S-N 曲線都基於完全反轉載荷的情況。而且，只有所應用疲勞載荷周期的平均應力與應力范圍相比很大時，修正才有意義。實驗數據顯示，失效判據位於Goodman 曲線和Gerber 曲線之間。這樣，就需要一種實用的方法基於這兩種方法並使用最保守的結果來計算失效。
疲勞壽命的計算方法
對每個設計進行物理測試明顯是不現實的。在多數應用中，疲勞安全壽命設計需要預測零部件的疲勞壽命，從而確定預測的工況載荷和材料。計算機輔助工程(CAE) 程序使用三種主要方法確定總體疲勞壽命。這些方法是：
·應力壽命方法(SN)
這種方法僅基於應力水平，只使用Wöhler 方法。盡管不適用於包含塑性部位的零部件，低周疲勞的精確度也乏善可陳，但這種方法最容易實施，有豐富的數據可供使用，並且在高周疲勞中有良好的效果。
· 應變壽命(EN)
這種方法可以對局部區域的塑性變形進行更詳細的分析，非常適合低周疲勞應用。但是，結果存在一些不確性。
· 線性彈性破壞力學(LEFM)
這種方法假設裂縫已經存在並且被檢測到，然後根據應力強度預測裂縫的增長。藉助計算機代碼和定期檢查，這種方法對大型結構很實用。由於易於實施並且有大量的材料數據可用，SN 是最常用的方法。
設計人員使用SN 方法計算疲勞壽命
在計算疲勞壽命時，應考慮等幅載荷和變幅載荷。
這種方法假設零部件在恆定的幅度、恆定的平均應力載荷周期下工作。通過使用SN 曲線，設計人員可以快速計算導致零部件發生失效的此類周期數量。而對於零部件需要在多種載荷下工作的情況，則可採用Miner 規則來計算每種載荷情況的損壞結果，並將所有這些損壞結果合並起來獲得一個總體的破壞值。
其結果稱為「損壞因子」，是一個失效分數值。零部件在D = 1.0 時發生失效，因此，如果D = 0.35，該零部件的壽命已經消耗了35%。這一理論還認為由應力周期導致的損壞與損壞在載荷歷史的哪個位置發生無關，並且損壞積累速度與應力水平無關。
這種方法假設零部件在恆定的幅度、恆定的平均應力載荷周期下工作。通過使用SN 曲線，設計人員可以快速計算導致零部件發生失效的此類周期數量。
而對於零部件需要在多種載荷下工作的情況，則可採用Miner 規則來計算每種載荷情況的損壞結果，並將所有這些損壞結果合並起來獲得一個總體的破壞值。其結果稱為「損壞因子」，是一個失效分數值。零部件在D = 1.0 時發生失效，因此，如果D = 0.35，該零部件的壽命已經消耗了35%。這一理論還認為由應力周期導致的損壞與損壞在載荷歷史的哪個位置發生無關，並且損壞積累速度與應力水平無關。
在真實的環境條件下，多數零部件承載的載荷歷史是不斷變化的，幅度和平均應力都是如此。因此，更為通用和現實的方法需要考慮變幅載荷，在這種情況下，應力盡管隨著時間循環反復，但其幅度是變化的，這就有可能將應力分解成載荷「塊」。在處理這種類型的載荷時，工程師使用一種稱為「雨流法計數」的技術。附錄B 討論如何研究FEA 疲勞結果，它就雨流法計數提供了更多信息。
在通過SN 方法研究疲勞方面，FEA 提供了一些非常優秀的工具，這是因為輸入由線彈性應力場組成，並且FEA 能夠處理多種載荷情況交互作用的可能情形。如果要計算最壞情況的載荷環境（這是一種典型方法），系統可以提供大量不同的疲勞計算結果，包括壽命周期圖、破壞圖以及安全系數圖。此外，FEA 可以提供較小主要交替應力除以較大主要交替應力的比率的圖解（稱為雙軸性指示圖），以及雨流矩陣圖。後者是一個3D 直方圖，其中的X 和Y 軸代表交替應力和平均應力，Z 軸代表每個箱所計的周期數。

㈣ 如何進行表面應力狀態及疲勞壽命分析

ABAQUS是一種有限元素法，用於機械、土木、電子等行業的結構和場分析。它的功能中就有疲勞分析，具體是根據結構和材料的受載情況統計進行生存力分析和疲勞壽命預估。
根據疲勞公式自己計算可以先應用ABAQUS進行20KN載荷應力分析（其中設置了2個分析步15KN和20KN,而且每個分析中設置增量步0.2），ABAQUS完成應力分析後，再輸入fe-safe疲勞計算的，請在導入過程中需要選擇20KN時的最後1個增量步。這個屬於靜載或穩態載荷；如果是其他的動態載荷就還要根據情況而定。
如果是要導入其他來計算疲勞壽命，那就要看該的要求了。

㈤ 常用的疲勞分析及壽命預測方法有哪些

• 1.選用抗疲勞的材料，如合金鋼，像錳鋼之類。 2.採用鍛打錘煉的方法製造毛胚。 3.採用熱處理方法提高疲勞強度，如調質。 4.消除零件應力集中點，如彎角處用園角過渡，孔邊做成園角。

㈥ 疲勞試驗該怎麼做

疲勞試驗為了精確地估算材料結構的零部件的疲勞壽命，疲勞試驗也是有限元模擬分析的重要指標之一。試驗方式：試驗應力（應變）和循環周次（高周疲勞，低周疲勞，室溫疲勞，低溫疲勞，高溫疲勞，熱疲勞，腐蝕疲勞，接觸疲勞，微動磨損疲勞等），載入方式（拉壓疲勞，彎曲疲勞（旋轉彎曲疲勞、三點彎曲疲勞、四點彎曲疲勞、懸臂彎曲疲勞），扭曲疲勞，復合應力疲勞等等），擴展速率試驗，S-N曲線的測式，旋轉彎曲方法等等。

㈦ ANSYS的疲勞分析方法及應用

推薦：高耀東《ANSYS Workbench18.2機械工程應用實踐》8.3 疲勞強度計算

㈧ 疲勞檢測怎麼檢測

疲勞檢測怎麼檢測疲勞試驗對於產品壽命評估、失效分析、金屬斷裂原因分析、事故還原等方面，都具有重要的參考價值。對於一些類似軸承、葉片、齒輪、彈簧等零件，因為需要承受不同載荷應力，所以在對這些產品檢測時，疲勞試驗可以很好的反應其質量情況。疲勞試驗不僅適用金屬製品檢測，而且對塑料製品檢測、橡膠檢測也都同樣適用。拜恩檢測可對金屬、橡膠、塑料等各類材料進行疲勞試驗，並提供國家認可的資質檢測報告。

一、檢測范圍：

金屬材料、橡膠製品、V 帶、齒輪、軸類、板材、彈性材料

二、試驗種類：

拉伸疲勞、壓縮疲勞、高溫疲勞、低溫疲勞、熱疲勞、腐蝕疲勞、軸向疲勞、接觸疲勞、高周疲勞、低周疲勞、室溫疲勞、微動磨損疲勞、旋轉彎曲疲勞

三、檢測標准：

GB/T13682‐1992螺紋緊固件軸向載荷疲勞試驗方法

GB/T14229‐1993齒輪接觸疲勞強度試驗方法

GB/T14230‐1993齒輪彎曲疲勞強度試驗方法

GB/T4337‐2008 金屬材料疲勞試驗旋轉彎曲方法

GB/T1688‐2008 硫化橡膠伸張疲勞的測定

四、測試儀器：

疲勞試驗機、拉力試驗機、壓力試驗機、恆溫恆濕試驗機、低溫試驗機

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㈨ abaqus中如何使用疲勞分析

ABAQUS是一種有限元素法軟體，用於機械、土木、電子等行業的結構和場分析。

它的軟體功能中就有疲勞分析，具體是根據結構和材料的受載情況統計進行生存力分析和疲勞壽命預估。

1. 根據疲勞公式自己計算

   可以先應用ABAQUS軟體進行20KN載荷應力分析（其中設置了2個分析步15KN和20KN,而且每個分析中設置增量步0.2），ABAQUS完成應力分析後，再輸入fe-safe疲勞計算軟體的，請在導入過程中需要選擇20KN時的最後1個增量步。

   這個屬於靜載或穩態載荷；如果是其他的動態載荷就還要根據情況而定。

2. 如果是要導入其他軟體來計算疲勞壽命，那就要看該軟體的要求了。