設(shè)計(jì)人員使用SN方法計(jì)算疲勞壽命

在計(jì)算疲勞壽命時(shí)，應(yīng)考慮等幅載荷和變幅載荷。下面是不同結(jié)果的簡要說明。

等幅載荷：

這種方法假設(shè)零部件在恒定的幅度、恒定的平均應(yīng)力載荷周期下工作。通過使用SN曲線，設(shè)計(jì)人員可以快速計(jì)算導(dǎo)致零部件發(fā)生失效的此類周期數(shù)量。而對(duì)于零部件需要在多種載荷下工作的情況，則可采用Miner規(guī)則來計(jì)算每種載荷情況的損壞結(jié)果，并將所有這些損壞結(jié)果合并起來獲得一個(gè)總體的破壞值。其結(jié)果稱為“損壞因子”，是一個(gè)失效分?jǐn)?shù)值。零部件在D=1.0時(shí)發(fā)生失效，因此，如果D=0.35，該零部件的壽命已經(jīng)消耗了35%。這一理論還認(rèn)為由應(yīng)力周期導(dǎo)致的損壞與損壞在載荷歷史的哪個(gè)位置發(fā)生無關(guān)，并且損壞積累速度與應(yīng)力水平無關(guān)。

變幅載荷：

在真實(shí)的環(huán)境條件下，多數(shù)零部件承載的載荷歷史是不斷變化的，幅度和平均應(yīng)力都是如此。因此，更為通用和現(xiàn)實(shí)的方法需要考慮變幅載荷，在這種情況下，應(yīng)力盡管隨著時(shí)間循環(huán)反復(fù)，但其幅度是變化的，這就有可能將應(yīng)力分解成載荷“塊”。在處理這種類型的載荷時(shí)，工程師使用一種稱為“雨流法計(jì)數(shù)”的技術(shù)。附錄B討論如何研究FEA疲勞結(jié)果，它就雨流法計(jì)數(shù)提供了更多信息。

在通過SN方法研究疲勞方面，F(xiàn)EA提供了一些非常優(yōu)秀的工具，這是因?yàn)檩斎胗删€彈性應(yīng)力場組成，并且FEA能夠處理多種載荷情況交互作用的可能情形。如果要計(jì)算最壞情況的載荷環(huán)境（這是一種典型方法），系統(tǒng)可以提供大量不同的疲勞計(jì)算結(jié)果，包括壽命周期圖、破壞圖以及安全系數(shù)圖。此外，F(xiàn)EA可以提供較小主要交替應(yīng)力除以較大主要交替應(yīng)力的比率的圖解（稱為雙軸性指示圖），以及雨流矩陣圖。后者是一個(gè)3D直方圖，其中的X和Y軸代表交替應(yīng)力和平均應(yīng)力，Z軸代表每個(gè)箱所計(jì)的周期數(shù)。

結(jié)論

本白皮書所介紹的工具和方法可以幫助設(shè)計(jì)人員提高零部件的安全性，同時(shí)減少過度設(shè)計(jì)、笨重和高成本的設(shè)計(jì)。利用現(xiàn)今的技術(shù)來避免疲勞，常常可以預(yù)防巨大的災(zāi)難。隨著技術(shù)的日益發(fā)展，疲勞安全設(shè)計(jì)不僅可以減少運(yùn)行失效，使設(shè)計(jì)人員能夠有更多的機(jī)會(huì)設(shè)計(jì)新的產(chǎn)品而不是解決舊問題。

附錄A—裂紋增長

有兩種物理機(jī)制會(huì)促使疲勞裂紋增長。在周期載荷下，材料晶粒微結(jié)構(gòu)中的滑移面會(huì)前后移動(dòng)，導(dǎo)致零部件表面上發(fā)生微小的擠出和侵入。這些擠出和侵入非常微小，肉眼無法察覺（高度只有1到10微米），但可以視為裂紋的起源（階段I）。

當(dāng)階段I的裂紋達(dá)到晶粒的邊緣時(shí)，這種作用會(huì)轉(zhuǎn)移到相鄰的晶粒。階段I的裂紋沿著最大剪切應(yīng)力方向增長，與載荷作用方向成45度角。

在裂紋大約為三個(gè)晶粒大小的時(shí)候，裂紋行為會(huì)發(fā)生變化，因?yàn)榇藭r(shí)裂紋已經(jīng)足夠大，能夠形成幾何應(yīng)力集中（階段II）。階段II的裂紋會(huì)在尖端形成一個(gè)張力塑性區(qū)域，此后，裂紋會(huì)沿垂直于載荷的方向增長。

附錄B—雨流法計(jì)數(shù)

采用圖形表示變幅載荷并提取載荷歷史的峰值和谷值，這樣就能夠確定應(yīng)力范圍及其相關(guān)聯(lián)的平均應(yīng)力。該圖形可以顯示最初“被雨水注滿”的載荷歷史。

應(yīng)力范圍及其相關(guān)聯(lián)的平均應(yīng)力由圖形中顯示的載荷歷史確定。在載荷歷史圖形中，載荷歷史“被雨水注滿”。在確定應(yīng)力范圍和平均應(yīng)力后，“雨水”會(huì)從最低點(diǎn)排走。然后可繼續(xù)確定其余被截留的每部分“雨水”的應(yīng)力范圍和平均值。根據(jù)所得到的結(jié)果，可以應(yīng)用Miner規(guī)則，計(jì)算疲勞壽命。

雨流損壞矩陣