结构的疲劳失效与疲劳控制设计.ppt

控制疲劳失效的结构设计 fatigue failure In materials science, fatigue is the progressive and localized structural damage that occurs when a material is subjected to cyclic loading. The maximum stress values are less than the ultimate tensile stress limit, and may be below the yield stress limit of the material. 工程结构疲劳设计 无限寿命设计：使结构永远不发生疲劳破坏。 有限寿命设计：结构在设计年限内不发生疲劳破坏。 耐久性设计：应用于结构维修与更换。 相关概念 交变应力 材料疲劳破坏机理 材料疲劳强度 结构疲劳寿命与疲劳设计 交变应力 结构在受到交变荷载作用下，会产生交变性的应力 交变性载荷通常有两类： 工作荷载中的交变荷载 环境荷载中交变性荷载 交变应力  交变应力 (alternative stress ） ——应力随时间交替变化 随机交变应力（应变） 结构受环境荷载作用，大多为随机的动力响应，表现为随机应力。 随机荷载作用的结构疲劳分析是结构设计的重要内容。 旋转机器的振动 结构材料疲劳破坏机理 疲劳破坏过程 结构的疲劳是由于裂纹不断开裂形成最后的破坏。 对于光滑表面是如何导致疲劳破坏的？ 光滑表面的疲劳破坏 疲劳初始裂纹的形成 疲劳断口特征 包括两部分:光滑面与粗糙面。 工程结构的疲劳设计 结构疲劳设计的几个概念 低周疲劳破坏 高周疲劳破坏 有限寿命疲劳设计（S-N 曲线法） 损伤容限疲劳设计（断裂力学法） 材料的疲劳S-N 曲线 获得材料S-N 曲线的实验方法 加载方法：交变加载，脉动加载。 试验制备：弯曲，拉伸 I试验过程与曲线获得。 疲劳试验加裁交变应力 对称循环疲劳试验机 按照作用的循环应力的大小 关于结构的低周疲劳破坏 结构低周疲劳破坏指在很少的应力循环周期内，结构就疲劳破坏了。通常只有几千次。 疲劳设计通常要求高周疲劳破坏。 低周疲劳通常引起事故。 渤海上部管线的振动断裂为低周疲劳破坏。 海洋平台冰振引起的低周疲劳 冰振引起的上部管线疲劳断裂 放空管断口分析 材料的疲劳强度 材料的疲劳强度是指光滑试件经过多次各循环加载的破坏强度。 通常材料的疲劳强度用S-N 曲线表示。 S-为破坏强度，N-为对应的循环次数。 材料的强度与材料的疲劳强度主要区别？ 影响结构疲劳寿命因素 材料的抗疲劳性能 交变应力幅值 交变应力性能循环次数 结构应力集中 无限寿命设计 设计条件为 ，材料的疲劳极限 由材料S-N曲线给出。 安全寿命设计 使构件在有限长设计寿命内，不发生疲劳破坏的设计； 以材料S-N曲线和Miner累计损伤理论为基础 损伤容限设计 假定构件中存在裂纹，用断裂力学、疲劳裂纹扩展分析和试验验证，保证在定期检查中发现裂纹之前，裂纹不会扩展到足以引起破坏。 结构疲劳寿命的估计方法 采用有限寿命方法估计，主要有两方面的内容一是交变应力，二是循环次数。 恒幅交变应力 随机交变应力 Palmgren-Miner 准则 雨流法：时程分析 应力谱法 Palmgren-Miner 准则 当材料承受高于疲劳极限应力时，每一个载荷循环都使材料产生一定的损伤，每一个循环造成的平均损伤为1/N（N 为对应荷载的疲劳寿命），n 次恒幅载荷造成的损伤就是C=n/N. 对于变幅的损伤D则为 ni 为i 级载荷的循环次数，Ni 为第i 级载荷下的疲劳寿命。当损伤累积到了临界值时就发生破坏。 确定构件在设计寿命期的载荷，选取拟用的设计荷载或应力水平 选用适合构件使用的的S-N曲线 再用S-N曲线，利用Miner线性累积损伤理论，计算损伤 判断是否满足疲劳设计要求。 随机交变应的统计方法 对于恒应力幅的交变应力统计比较方便，但对于随机应力时程则比较麻烦。 通常有两种方法： 时程分析法 频域分析法 时域统计法 对测量或计算获得的交变应力时程曲线的幅值进行统计，一般采用雨流法， 雨流法可以将随机交变应幅值“数”出来，便于采用计算机自动识别。 频域分析法 在随机结构振动中，通常采用频域分析法。 载荷谱 响应谱 窄带响应谱 应力统计分布曲线 工程实例：海洋平台冰振疲劳分析 振动失效分析 振动振响应分析 振动疲劳应力 疲劳环境 疲劳寿命 海冰参数测量(冰厚、冰速等) 热点应力 结构