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疲劳设计方法详解

张老师

4年前浏览5070

引言：为什么需要进行疲劳设计？

（1）避免疲劳失效

产品出现不应当发生的疲劳失效会使企业的信誉受损，经济损失更大！

（2）避免过大余量的设计

过大余量设计使得产品的成本增加，市场竞争力下降！

（3）考虑了时间变量，比强度计算获得更加符合实际的结构失效位置。下面给大家介绍一下常用的疲劳设计方法：

1.无限寿命设计(Infinite-life design)

对于疲劳，应力幅比构件承受的最大应力更重要。应力幅越大，疲劳寿命越短；应力幅小于某一极限值时，将不发生疲劳破坏。

对于无裂纹构件，控制其应力水平，使其小于疲劳极限强度，则不萌生疲劳裂纹。于是，无限寿命设计条件为：

S<Sf

材料的疲劳持久极限Sf由S-N曲线给出，如图1所示，对于该图的疲劳极限强度为86.2MPa。

图1 材料的S-N数据列表

对于需要经历无限次循环（1e6 次）的零、构件，如发动机气缸阀门、顶杆、弹簧，长期频繁运行的轮轴等，无限寿命设计至今仍是一种简单而合理的方法。

对于存在初始裂纹构件，控制应力强度因子水平，使其小于一个门槛值，则虽有裂纹但不扩展，也可实现无限寿命设计。

2.安全寿命设计(Safe-life design)

无限寿命设计要求将构件中的使用应力控制在很低的水平，材料的潜力得不到充分发挥，对于并不需要经受很多循环次数的构件，无限寿命设计就很不经济。

使构件在有限长设计寿命内，不发生疲劳破坏的设计，称为安全寿命设计或有限寿命设计。民用飞机，容器，管道，汽车等，大都采用安全寿命设计。

材料S-N曲线和Miner累积损伤理论，是安全寿命设计的基础。当然，考虑到疲劳破坏的分散性等不确定因素，安全寿命设计应当具有足够的安全储备。

3.损伤容限设计(Damage telerence design)

由于裂纹的存在，安全寿命设计并不能完全确保安全。疲劳裂纹扩展速率可以由应力强度因子幅度ΔK 描述。使疲劳裂纹扩展寿命预测研究得到快速发展。

这种方法的设计思路是：假定构件中存在着裂纹（依据无损探伤能力、使用经验等假定其初始尺寸），用断裂力学分析、疲劳裂纹扩展分析和试验验证，证明在定期检查肯定能发现之前，裂纹不会扩展到足以引起破坏。

断裂判据和裂纹扩展速率方程是损伤容限设计的基础。损伤容限设计希望在裂纹到达临界尺寸ac前检出裂纹。因此，要选用韧性较好、裂纹扩展缓慢的材料，以保证有足够大的临界裂纹尺寸ac和充分的时间，安排检查并及时发现裂纹。

4.耐久性设计 (Durability design)

20世纪80年代起，以经济寿命控制为目标的耐久性设计概念形成。耐久性是构件和结构在规定的使用条件下抗疲劳断裂性能的一种定量度量。这种方法首先要定义疲劳破坏严重细节（如孔、槽、圆弧、台阶等处）处的初始疲劳质量，描绘与材料、设计、制造质量相关的初始疲劳损伤状态，再用疲劳或疲劳裂纹扩展分析预测在不同使用时刻损伤状态的变化，确定其经济寿命，制定使用、维修方案。

结构使用到某一寿命时，发生了不能经济修理的广布损伤，而不修理又可能引起结构的功能问题，这一寿命就称经济寿命。

耐久性设计由原来不考虑裂纹或仅考虑少数最严重的单个裂纹，发展到考虑全部可能出现的裂纹群；由仅考虑材料的疲劳抗力，发展到考虑细节设计及其制造质量对疲劳抗力的影响；由仅考虑安全，发展到综合考虑安全、功能及使用经济性；提供指导设计、制造、使用、维护的综合信息。耐久性设计已经开始应用于一些飞机结构及其它重要工程构件中，是21世纪疲劳断裂控制研究的一个主要发展方向。

图2 疲劳耐久性设计流程图

后记：ANSYS空间公众号基于ansys的疲劳工具和ncode软件，后期持续推送疲劳计算中的概念解析和常见实例的操作讲解，欢迎关注。

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首次发布时间：2020-03-28