常用的機械疲勞分析方法，都在這里了（2）

發布時間:2022/12/22 瀏覽次數:32 分類:未分類

場強法

基本假設：由相同的材料制成的構件（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歷程，則具有相同疲勞壽命。此法的控制參數是應力場強度。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曲線和S-Nf曲線（或￡-Nf曲線），分析計算較復雜。

由上述四種疲勞壽命預測方法各自的特點可知，不同的已知條件需采用不同的預測方法：如對于具有大量的疲勞性能數據的材料制成的連接件或結構件可采用名義應力法；對于具有復雜的幾何外形且承受復雜載荷作用下的一些結構件可采用局部應力一應變法，尤其是瞬態的循環；一曲線和￡-Nf曲線相結合的方法；應力場強法可以用于與局部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。

斷裂力學方法

斷裂力學理論是基于材料本身存在著缺陷或裂紋這一事實，以變形體力學為基礎，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疲勞裂紋擴展速率公式），合理地對零部件進行疲勞壽命估算，確定構件形成裂紋的時間，評價其制造質量，有利于正確分析事故原因。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之一。

疲勞斷裂是結構零部件失效的主要模式。據統計，由于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于主裂紋擴展到臨界尺寸而造成的，結構的壽命取決于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三個階段：

一是構件在交變力作用下產生初始裂紋（初始裂紋定義至今仍無統一標準，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；
三是裂紋急劇擴展，迅速導致破壞，它的壽命往往很短，稱瞬間斷裂壽命，工程上不予考察。

按裂紋產生的時間，又可將第一階段定義為始裂壽命，第二階段定義為裂紋擴展壽命（習慣上稱剩余壽命）。對壽命的度量一般以經歷的循環荷載的次數來表示。該理論認為，疲勞極限是客觀存在的，也就是說，當構件承受的循環荷載幅值小于該構件材料的疲勞極限時，該構件不可能因產生裂紋導致破壞，即從疲勞壽命角度考察其壽命是無限的。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，還與載荷的變化頻率有關，故疲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研究始裂壽命。而剩余壽命的研究，則較復雜。目前是一個熱點問題，工程界尚未提出普遍接受的評估手段。

近年來，斷裂力學理論得到了長足的發展，但是它還很不完善，斷裂失效的機理還不是十分清楚，所以要應用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。

可靠性設計方法

可靠性設計方法是應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、設備或系統進行的設計。其目的是發現和確定產品存在的隱患和薄弱環節，通過預防和改進，提高產品的固有可靠性。但是機械系統的可靠性研究還很不成熟，況且用可靠性設計的方法也不能解決疲勞剩余壽命評估的問題。

概率斷裂力學

斷裂力學是基于確定性參數的估算方法。概率斷裂力學是將斷裂力學中裂紋尺寸、斷裂韌性、應力強度因子、裂紋擴展速率等參數作為隨機變量，進行可靠性分析。這樣就提高了斷裂力學工程分析方法的可靠性。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分布、三參數威布爾分布來產生，顯然不足以完全反映實際情況；
二是試驗數據不足。

故這種方法在實際應用中受到了一定的限制。

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綜合評價，并在此基礎上推算它的剩余壽命。這些方法是否可靠，不僅取決于數學方法，還取決于人的主觀因素。

金屬結構疲勞壽命評估理論基礎

試驗上側重于研究選擇適合于工程的金屬結構實際測量的方法，找到應用于實際的判斷依據，從而正確地評價其壽命。利用計算機的虛擬技術，提高對實測數據的處理，建立金屬結構件的專家系統，評定金屬結構的疲勞剩余壽命和其余的技術指標，進而研究金屬結構的設計、制造和技術改造等的人工智能系統。

在今后的金屬結構疲勞壽命評估理論中，專家們一致認為應著手以下幾方面的研究：

理論上側重研究系統臨界狀態及多臨界狀態的優化問題，研究多判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；
完善疲勞強度理論及斷裂力學方法；
研究更適合系統的概率失效模型，改進目前計算斷裂概率方法；
進一步研究計算可靠度的方法；
研究影響系統的敏感性參數，特別研究對系統的參數敏感性分析方法，從而系統有效地處理其敏感性指標。

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