海上鋼結(jié)構(gòu)疲勞強度分析推薦作法起草單位

中油遼河工程有限公司。2100433B

劉丹、任潤卯等。

疲勞的機(jī)制可以分成三個相互關(guān)聯(lián)的過程：

1. 裂紋產(chǎn)生

2. 裂紋延伸

3. 斷裂

FEA應(yīng)力分析可以預(yù)測裂紋的產(chǎn)生。許多其他技術(shù)，包括動態(tài)非線性有限元分析可以研究與裂紋的延伸相關(guān)的應(yīng)變問題。由于設(shè)計工程師最希望從一開始就防止疲勞裂紋的出現(xiàn)，確定材料的疲勞強度。

裂紋開始出現(xiàn)的時間以及裂紋增長到足以導(dǎo)致零部件失效的時間由下面兩個主要因素決定：零部件的材料和應(yīng)力場。材料疲勞測試方法可以追溯到19 世紀(jì)，由August W?hler 第一次系統(tǒng)地提出并進(jìn)行了疲勞研究。標(biāo)準(zhǔn)實驗室測試采用周期性載荷，例如旋轉(zhuǎn)彎曲、懸臂彎曲、軸向推拉以及扭轉(zhuǎn)循環(huán)?？茖W(xué)家和工程師將通過此類測試獲得的數(shù)據(jù)繪制到圖表上，得出每類應(yīng)力與導(dǎo)致失效的周期重復(fù)次數(shù)之間的關(guān)系，或稱S-N曲線。工程師可以從S-N 曲線中得出在特定周期數(shù)下材料可以承受的應(yīng)力水平。

該曲線分為高周疲勞和低周疲勞兩個部分。一般來說，低周疲勞發(fā)生在10,000 個周期之內(nèi)。曲線的形狀取決于所測試材料的類型。某些材料，例如低碳鋼，在特定應(yīng)力水平（稱為耐疲勞度或疲勞極限）下的曲線比較平緩。不含鐵的材料沒有耐疲勞度極限。

大體來說，只要在設(shè)計中注意應(yīng)用應(yīng)力不超過已知的耐疲勞度極限，零部件一般不會在工作中出現(xiàn)失效。但是，耐疲勞度極限的計算不能解決可能導(dǎo)致局部應(yīng)力集中的問題，即應(yīng)力水平看起來在正常的“安全”極限以內(nèi)，但仍可能導(dǎo)致裂紋的問題。

與通過旋轉(zhuǎn)彎曲測試確定的結(jié)果相同，疲勞載荷歷史可以提供關(guān)于平均應(yīng)力和交替應(yīng)力的信息。測試顯示，裂紋延伸的速度與載荷周期和載荷平均應(yīng)力的應(yīng)力比率有關(guān)。裂紋僅在張力載荷下才會延伸。因此，即使載荷周期在裂紋區(qū)域產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，也不會導(dǎo)致更大的損壞。但是，如果平均應(yīng)力顯示整個應(yīng)力周期都是張力，則整個周期都會導(dǎo)致?lián)p壞。

許多工況載荷歷史中都會有非零的平均應(yīng)力。人們發(fā)明了三種平均應(yīng)力修正方法，可以省去必須在不同平均應(yīng)力下進(jìn)行疲勞測試的麻煩：

Goodman 方法- 通常適用于脆性材料。

Gerber 方法- 通常適用于韌性材料。

Soderberg 方法- 通常最保守。

這三種方法都只能應(yīng)用于所有相關(guān)聯(lián)的S-N 曲線都基于完全反轉(zhuǎn)載荷的情況。而且，只有所應(yīng)用疲勞載荷周期的平均應(yīng)力與應(yīng)力范圍相比很大時，修正才有意義。實驗數(shù)據(jù)顯示，失效判據(jù)位于Goodman 曲線和Gerber 曲線之間。這樣，就需要一種實用的方法基于這兩種方法并使用最保守的結(jié)果來計算失效。

疲勞壽命的計算方法

對每個設(shè)計進(jìn)行物理測試明顯是不現(xiàn)實的。在多數(shù)應(yīng)用中，疲勞安全壽命設(shè)計需要預(yù)測零部件的疲勞壽命，從而確定預(yù)測的工況載荷和材料。計算機(jī)輔助工程(CAE) 程序使用三種主要方法確定總體疲勞壽命。這些方法是：

應(yīng)力壽命方法(SN)

這種方法僅基于應(yīng)力水平，只使用W?hler 方法。盡管不適用于包含塑性部位的零部件，低周疲勞的精確度也乏善可陳，但這種方法最容易實施，有豐富的數(shù)據(jù)可供使用，并且在高周疲勞中有良好的效果。

·應(yīng)變壽命(EN)

這種方法可以對局部區(qū)域的塑性變形進(jìn)行更詳細(xì)的分析，非常適合低周疲勞應(yīng)用。但是，結(jié)果存在一些不確性。

線性彈性破壞力學(xué)(LEFM)

這種方法假設(shè)裂縫已經(jīng)存在并且被檢測到，然后根據(jù)應(yīng)力強度預(yù)測裂縫的增長。借助計算機(jī)代碼和定期檢查，這種方法對大型結(jié)構(gòu)很實用。由于易于實施并且有大量的材料數(shù)據(jù)可用，SN 是最常用的方法。

設(shè)計人員使用SN 方法計算疲勞壽命

在計算疲勞壽命時，應(yīng)考慮等幅載荷和變幅載荷。

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)計人員可以快速計算導(dǎo)致零部件發(fā)生失效的此類周期數(shù)量。而對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總體的破壞值。

其結(jié)果稱為“損壞因子”，是一個失效分?jǐn)?shù)值。零部件在D = 1.0 時發(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)。

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)計人員可以快速計算導(dǎo)致零部件發(fā)生失效的此類周期數(shù)量。

而對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總體的破壞值。其結(jié)果稱為“損壞因子”，是一個失效分?jǐn)?shù)值。零部件在D = 1.0 時發(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)。

在真實的環(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，工程師使用一種稱為“雨流法計數(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，這是因為輸入由線彈性應(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 軸代表每個箱所計的周期數(shù)。

《海上平臺斜梯(CB/T 3757-1995)》由中國標(biāo)準(zhǔn)出版社出版。2100433B

內(nèi)容簡介

本書是由航空工業(yè)部組織編寫的，是在原吳富民等縮編的“飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞強度”教材的基礎(chǔ)上補充修改寫成的?？勺鳛轱w機(jī)結(jié)構(gòu)強度專業(yè)或飛機(jī)設(shè)計專業(yè)的結(jié)構(gòu)的強度課程的教材或教學(xué)參考。 吳富民 ，1930年生，浙江鎮(zhèn)海人。西北工業(yè)大學(xué)教授。1952年畢業(yè)于南京大學(xué)。陜西科技情報學(xué)會理事，中國航空學(xué)會結(jié)構(gòu)設(shè)計及強度專業(yè)委員會委員。主要論著有：《結(jié)構(gòu)疲勞強度》（西北工業(yè)大學(xué)出版社出版，1988年獲全國高等學(xué)校優(yōu)秀教材一等獎）等，數(shù)項科研成果分獲國務(wù)院國防工辦重大科技成果二等獎、陜西省科技成果二等獎、航空工業(yè)部科技進(jìn)步一等獎。2100433B