结构疲劳寿命具有的特点
试验与材料协会(ASTM)在“疲劳试验及数据统计分析之有关术语的标准定义”(ASTM E206-72)中所作的定义:在某点或某些点承受扰动应力, 且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程, 称为疲劳。
1.只有在承受扰动应力作用的条件下,疲劳才会发生。
所谓扰动应力,是指随时间变化的应力。更一般地,也可称之为扰动载荷,载荷可以是力、应力、应变、位移等。
2.疲劳破坏起源于高应力或高应变的局部。
静载下的破坏,取决于结构整体;疲劳破坏则由应力或应变较高的局部开始,形成损伤并逐渐累积,导致破坏发生。可见, 局部性是疲劳的明显特点。零、构件应力集中处,常常是疲劳破坏的起源。因此,要注意细节设计,尽可能减小应力集中。疲劳研究所关心的正是这些由几何形状变化或材料缺陷等引起应力集中的局部细节,要研究这些细节处的应力应变。
3.疲劳破坏是在足够多次的扰动载荷作用之后,形成裂纹或完全断裂
足够多的扰动载荷作用之后,从高应力或高应变的局部开始,形成裂纹, 称为裂纹起始(或裂纹萌生)。此后,在扰动载荷作用下,裂纹进一步扩展,直至到达临界尺寸而发生完全断裂。裂纹萌生-扩展-断裂三个阶段是疲劳破坏的又一特点。研究疲劳裂纹萌生和扩展的机理及规律,是疲劳研究的主要任务。
由于扰动应力的作用,构件或结构一开始使用,就进入了疲劳的“发展过程”。所谓裂纹萌生和扩展,是这一发展过程中不断形成的损伤累积的结果。最后的断裂,标志着疲劳过程的终结。
总之,材料发生疲劳破坏,要经历裂纹起始或萌生、裂纹稳定扩展和裂纹失稳扩展(断裂)三个阶段,疲劳总寿命也由相应的部分组成。因为裂纹失稳扩展是快速扩展,对寿命的影响很小,在估算寿命时通常不予考虑。故一般可将总寿命分为裂纹起始或萌生寿命与裂纹扩展寿命二部分。用户可以使用Ncode等疲劳软件,来对结构在承受各类载荷作用下的寿命进行仿真计算,优化和创新产品设计。
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