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常用的機械疲勞分析方法，都在這裏（lǐ）了

2021-3-17 來源：機械（xiè）知網作者：

1. 名義應力法

名義應力法（fǎ）是以結構的名義應（yīng）力為試驗和壽命估算的基礎，采用雨流法取出一個個相互獨立、互不（bú）相關的應力循環，結合材料的（de）S -N曲線，按線性累積損傷理論估算結構疲勞壽命的一種方（fāng）法。

基本（běn）假定：對任一構件（或結構細節或元件），隻（zhī）要應力集中係（xì）數KT相同，載荷譜相同，它們的壽命（mìng）則相同。此法中名義應力為控製參數。該方（fāng）法考慮到（dào）了載荷順（shùn）序和殘（cán）餘應力的（de）影響，簡（jiǎn）單易（yì）行。

但該種方法有兩（liǎng）個（gè）主要的（de）不（bú）足之處：

一是因其在彈性範圍內研究疲勞（láo）問題，沒有考慮缺口根部的（de）局部塑性變（biàn）形的影響，在計算有應力集中存在的結構（gòu）疲勞壽命時，計算誤差較大；

二是（shì）標準試樣和結構之間的（de）等效關係的確定（dìng）十分困難，這（zhè）是（shì）由於這種關係與結構的幾何形狀、加（jiā）載方式和結構的大（dà）小、材料等因素（sù）有關。

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低，且（qiě）該種方法需求得在不同（tóng）的應力比R和不同的應力集中因子（zǐ）KT下的S-N曲線，而獲得這些材料數據（jù）需要大量（liàng）的經費。

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

2. 局部應力-應變（biàn）法

局部應力一應變法的基本思想是根據結構（gòu）的名義應力曆程，借助於局（jú）部應（yīng）力-應變法分（fèn）析缺口（kǒu）處（chù）的局部應力。再根據缺口處的局部應力，結合構件的S-N曲（qǔ）線、材料的循環。一曲線、E -N曲線及線性累積損傷理論，估算結構的疲勞（láo）壽命。

基（jī）本假（jiǎ）定（dìng）：若（ruò）一個構件的危險部位（點）的（de）應力一應變曆程與一個光滑（huá）小試件的（de）應力一應變曆程相同，則壽命相同。此法中局部應（yīng）力一應變是控製參（cān）數。

局部應力一應變法主要用於解（jiě）決高應變（biàn）的低周疲勞和帶缺口結構的疲勞壽（shòu）命問題。該方法（fǎ）的特點是可以通過一（yī）定的分析、計算，將結構上的名義應（yīng）力轉化為缺口處的局部應力和應變。它可以（yǐ）細致地（dì）分析缺口處的（de）局（jú）部應力和應變的非線性關係，可以考慮載荷順序和殘餘應力對疲（pí）勞壽命的影響。因此，到（dào）目前為止，局部應力-應變法是一種比較（jiào）好的疲勞壽命（mìng）估算方法。它克服了名義應力法的兩個（gè）主要缺陷，但它亦有本身固有（yǒu）的缺陷：

一是沒有考慮（lǜ）缺口根部附近應力梯度和多軸應力的影響；

二是疲勞（láo）壽命的計算結果對疲勞缺口係數K值非常（cháng）敏感。

而在實際工作中，精確地確定結構的K值是非常困難的，這就（jiù）影響了局部應力一應變法估（gū）算疲勞壽命的精度。此外，局部應力（lì）一應變法要用到材料的C-N曲線，而E-N曲線是在控製應變的條件下進行疲勞試驗而得到的，試驗數據資料比較少（shǎo），不如S-N曲線容（róng）易得到，這也影響了該方法的使（shǐ）用。

3. 能量法

基本假定（dìng）：由相（xiàng）同的材（cái）料製（zhì）成的構件（元件或（huò）結構細節），如（rú）果在疲勞危險區承受（shòu）相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（fǎ）的材料性能數據主要是材料的循環應力一應變曲（qǔ）線和循環能耗一壽命曲線。雖然在現（xiàn）有的（de）能量法（fǎ）中均假（jiǎ）設各循環的能耗是線性可加的，而事（shì）實上由於循環加載過（guò）程中材（cái）料內部（bù）的損傷界麵不斷擴大（dà），因此能耗總量與循環數之間的關係是非線性的。這一關鍵問題導致了能量法難（nán）於運用於工（gōng）程實際。因此能量法可能（néng）不是一種（zhǒng）十分（fèn）合理和有前途的方法。

4. 場強法

基本假設：由相同的材（cái）料（liào）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，則具有相同疲勞壽命。此法的控製參數是應力場強度。用（yòng）場強（qiáng）法預測結構（gòu）的疲勞裂紋（wén）的形成壽命時，需要循環應力一應變（biàn）曲線和S-Nf曲線（或￡-Nf曲線（xiàn）），分析計算較（jiào）複雜。

由上述四種疲勞（láo）壽命預測方法各自的特點可知，不同的已知條件需采（cǎi）用不同的預測方法：如對於（yú）具有大量的（de）疲勞性能數據（jù）的材料製成的連接件或結構件可采用名義應力法；對於具有複雜的幾何外形且承受複雜載（zǎi）荷作（zuò）用下的一些結構件可采用局（jú）部應力一應變（biàn）法，尤其是瞬（shùn）態（tài）的循環；一曲線和￡-Nf曲線相結合的方法；應力場強法（fǎ）可以（yǐ）用於（yú）與（yǔ）局部（bù）應力一應變法（fǎ）相同的材（cái）料（liào）疲勞性（xìng）能數據，即循環a一曲線和S-N或（huò）￡-Nf曲線。

5. 斷（duàn）裂力學方法

斷裂力學（xué）理論是（shì）基於材料本身存（cún）在著缺陷或裂（liè）紋這一（yī）事實，以變形體力學為（wéi）基礎，研究含缺陷或裂紋的擴展、失穩和止（zhǐ）裂。通過對斷口定量分析得出構件在實際工（gōng）作中的疲勞裂紋擴展速率（適用（yòng）較廣泛的是Paris疲勞（láo）裂紋（wén）擴展速率公式），合理（lǐ）地對零部件進行疲勞（láo）壽命估算，確定（dìng）構件（jiàn）形成裂紋的時間，評價其製造質量，有利於（yú）正確分析事故原因。事實上（shàng）這（zhè）種（zhǒng）方法解決了工程中許多災難（nán）性的低（dī）應（yīng）力脆斷問（wèn）題，彌補了常規設計方（fāng）法的不（bú）足，現已成為失效分析的重要方法之一。

疲勞（láo）斷裂是結構零部件失效的主要模式。據統計，由於結構部件失效導（dǎo）致的重大事故中的85%-90%與疲勞斷裂有關（guān）。根據斷裂力（lì）學的觀點，金屬結構件（jiàn）的疲勞破壞是由於主（zhǔ）裂紋擴展到臨（lín）界尺（chǐ）寸而造成的，結構的壽命取決於（yú）結構（gòu）危險（xiǎn）部（bù）位裂紋的萌生與擴展。

該方（fāng）法將疲（pí）勞斷裂過（guò）程分為三個階段（duàn）：

一是（shì）構（gòu）件在交（jiāo）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（guàn）上為0.5-1mm）；

二是裂紋開（kāi）始擴展，以致產生較大宏觀裂（liè）紋；

三是裂紋急劇擴展，迅速導致破壞，它的壽命往（wǎng）往很短，稱瞬間斷裂壽命，工程上不予考察。

按裂紋產生的時（shí）間，又可（kě）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（shàng）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（biǎo）示。該理論認（rèn）為，疲勞極（jí）限是客觀（guān）存在的，也就是說，當構（gòu）件承受的循環荷載幅（fú）值小於該構件材料的疲勞極限時，該構件不可能（néng）因（yīn）產生裂紋導致破壞，即（jí）從疲勞壽命角（jiǎo）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（pí）勞與低周疲勞之分。

前（qián）述名義應力法、局部應力一應變法等均是研究始裂壽命。而剩餘壽命的研究（jiū），則（zé）較複（fù）雜。目前是一個熱（rè）點問題，工程界尚（shàng）未（wèi）提出（chū）普遍接受的評估（gū）手段。

近年來，斷裂力學（xué）理論得到了長（zhǎng）足的發展，但是它還（hái）很不（bú）完善（shàn），斷裂（liè）失效（xiào）的機理還不是十（shí）分清楚，所以要應用該理論得出簡（jiǎn）單而準確可靠的（de）疲（pí）勞壽命預測計算式還有待時（shí）日。

6. 可靠性設計方法（fǎ）

可靠性（xìng）設計方法是應用可靠性理論（lùn）和設計參數的統計數據，在給定的可靠性指（zhǐ）標下，對零部件、設備或係統進行的設計。其目的（de）是發現和確（què）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（de）固有可靠性。

但是（shì）機械係統的可靠性研究還很（hěn）不成熟，況且用可靠性設計的方法也不能解決疲勞剩餘壽命評估（gū）的問題。

7. 概率（lǜ）斷裂力學

斷裂力學（xué）是基於確（què）定性（xìng）參數的估算方法。概率斷裂力學是將（jiāng）斷裂力學中裂紋尺寸、斷裂韌性、應力強度因子（zǐ）、裂紋（wén）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（duàn）裂力學工程分（fèn）析（xī）方法的可靠性。但該種方法存在一定的缺陷：

一是其（qí）涉及到隨機變量和隨機數目前主要采用（yòng）正態分布、三參數威（wēi）布爾分布來產（chǎn）生，顯然不足以完全反映實際情況；

二是（shì）試驗數據不足（zú）。

故這種方法在實際應用中受到了一定的限製。

目（mù）前也有人利（lì）用模糊數（shù）學和（hé）統計模擬（nǐ）的方法對金屬結構的技術（shù）狀態進行綜合評價（jià），並在此基（jī）礎上推算它的剩餘壽命（mìng）。這些（xiē）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. 金屬結構疲勞（láo）壽命（mìng）評估理論基（jī）礎

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

在今後的金屬結（jié）構疲勞壽命評估理論中，專家（jiā）們一（yī）致（zhì）認為（wéi）應著手以下幾方麵（miàn）的研（yán）究：

理論上側重研究係統臨界狀態（tài）及多臨界狀態的優化問題，研究（jiū）多判據（jù）情況下（xià）一次二（èr）階矩法；

研（yán）究驗證臨界失效模型的（de）有效方法；

完（wán）善疲勞強（qiáng）度理論及斷裂力學方法；

研究更適合係統的概率（lǜ）失效模（mó）型，改（gǎi）進目前計算斷裂概率方法；

進一步研究計算可靠度（dù）的方法；

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

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