疲劳统计基础概念.docx
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疲劳统计基础概念
TheTwoBasicApproaches
小裂
疲劳是指在反复循环载荷作用下的材料退化。
对于金属主要指出现小裂纹纹的联合形成大裂纹，最终导致零件的折断或者性能严重衰退。
估计裂纹出现寿命的两种方法：
应力-寿命方法和应变-寿命方法。
根据失效模式选择分析方法：
静态失效：
结构变形大低周疲劳：
在应力集中区域存在大的塑性变形
高周疲劳：
几乎没有塑性变形
应力-寿命方法主要适用于应力低于或者不很高出材料弹性极限的工况。
应变-寿命方法主要用于出现材料屈服的工况，应力水平高于材料屈服强度
Figure1:
FailureModesareDifferentforStaticFailure,LowCycleFatigue,and
HighCycleFatigue.
ConceptsinCommon
Load
Range
Maxinuujii
■■■
D
Tini^
R-Mirnmiira/Mrannim
Figure2:
ConstantAmplitudeLoadHistory.
Figure3:
VariableAmplitudeLoadHistory.
Figure4:
ProportionalMultipleChannelLoadHistory.
Figure5:
Non-ProportionalMultipleChannelLoadHistory.
FatigueLifeandFatigueDamage
疲劳寿命：
结构承受载荷至失效所经历的载荷循环数。
疲劳损伤：
失效的损伤值等于1（累积损伤限），即所有载荷循环造成的损伤是1，其中一个循环造成的损伤称为部分损伤。
Miner线性累积损伤准则：
总损伤是单个循环造成的部分损伤的线性累积。
累积损伤限：
通常设为1,可以调整为小于1（偏保守），或大于1。
LoadingandLocalStresses
Figure7:
LoadAppliedtoaComponentInducesaNominalStressandaLocalStressattheNotch.
名义应力：
伪应力（缺口应力）：
L】（t）
Figure8:
PseudoStressforNon-ProportionalLoading
N
Xt）=2ciLi（t）
i=l
设路影响系数：
GeometricWorkSheet
DamageBasedDataReductionMethods
RateIndependentCountingMethods
基于疲劳的数据缩减方法之间的关系:
DataPreprocessing
Peak/ValleyFiltering
Figure11:
Stress-TimeHistory.
Figure12:
Peak-PickedStress-TimeHistory.
HysteresisFiltering
Discretization
把载荷幅值范围分成N个等间隔区间（bin），默认值N二100
RainflowCycleCounting
Figure14:
IllustrationofaHysteresisLoop.
雨流计数最重要的优势是与疲劳损伤的一致性。
雨流计数始于1967年（Endo）。
1969年出现程对计数法（DeJonge）。
1986
年Clormann/Seeger发表了一个变型。
还有其它雨流计数的标准方法，如
ASTM[ASTME1049-85]和SAE[SAEAE-10]。
LMSDurabilityTechnologiesGmbH开发了四点雨流计数法，与法国AFNOR标准相同。
The4-PointAlgorithm
Figure15:
The4-PointAlgorithm.
Figure16:
SchematicofFrom-toMatrixConstruction.
LoadHistograms
载荷直方图显示载荷循环的幅值和次数，可以显示在SN图上
953031
9000OB
80000*
200D0-100D0-
0.050.010001500200.0'250030003500401.3
Time[s]
Figure17:
TimeHistory.
Figure18:
CumulativeCycleCount.
LifeCurves
为了进行what-if分析，LMS定义了寿命曲线和设计点概念。
CalculateFatigueLife
设计点（Designpoint）的默认值是载荷水平（loadlevel）1，载荷水平为k是把载荷放大k倍。
BackCalculationofLoadLevels
纟合定数据块的次数，求载荷幅值。
把设计点的未知量设为LoadLevel即可。
ConsecutiveLoadHistories（TestSchedules）
Introduction
试验计划由若干信号段编制而成，通常是5至50段信号，重复编排。
FatigueBackground
疲劳损伤依赖于载荷顺序。
处理顺序效应的方法有两种：
精确法，近似法。
LMSDurabilityImplementation
在MethodParameters中，选项CalculateTSDExact为TRUE（checked）是精确法，FALSE（unchecked）是传统法。
只对时间历程信号。
Non-LocalandSurfaceEffects
基础疲劳寿命数据是用抛光的试验样件进行旋转弯曲试验得到的。
实际零件的表
面粗糙度，尺寸，载荷类型，以及平均应力水平等因素，都会影响疲劳寿命。
TheFatigueNotchFactor
只用弹性应力集中系数会导致过于保守的结果随着作用载荷的升高，有缺口和无缺口零件的疲劳寿命差别将减小。
因为局部塑性变形会降低局部应力。
因此引入疲劳缺口系数：
T7_^un-notched.^）
f_
Figure19:
ComparisonBetweentheFatigueBehaviorofanUnnotchedComponentComparedtoaNotchedComponent.
WhatareSizeEffects?
TechnologicalSizeEffects
QuenchedandTemperedSteel:
硬度分布取决于直径，而表面的耐久性极限取决于表面硬度。
Figure20:
HardnessProfileinTemperedorQuenchedSteel.
HighStrengthSteel:
非金属杂质颗粒的大小，形状和分布影响疲劳寿命。
表面越大，出现杂质颗粒的概率越大。
Figure21:
StressDistributioninHighStrengthSteelDuetoNon-MetallicInclusions.
SizeEffectofSurfaceTreatment
表面强化的相对深度取决于零件尺寸，并且影响内层的预应力
crackinitiationsite
Figure23:
DifferentPre-StressesattheInnerLayerAfterSurfaceTreatment.
HowtoAccountforSizeEffects
有很多方法，通常是用修正系数调整耐久性极限。
StressGradients
StatisticalSizeEffect
MacroscopicYielding
Neuber'sApproachtoMicroyielding
Summary
Concept
Correctionfactor
=Kf
Stressgradient
dee（x）
e_
dx
Adjustmentformacro-yielding
np
kw
Weakest-linkconcept
nw=nw（l=
巳r
A\nmaxJ
Neuber'sappoachtomicro-yielding
SurfaceEffects
表面粗糙度越大，疲劳寿命越短。
表面刮痕充当应力集中
siKCaceroughness
（depth）
ullimaietensiLestrength.MPa
Figure30:
CorrectionFactorsDuetoSurfaceRoughness.
表面修正系数为
TheStatisticalNatureofFatigue
疲劳试验结果的分散性，源自材料属性、零件尺寸、工作载荷和制造误差的不同。
客户使用情况的差异是最大的。
在中、高周区域疲劳寿命差别系数为2并非异常
Figure31:
TheLikelihoodofWeakComponentsSubjectedtoHighLoadsisMinimizedinaProbabilisticDesignApproach.
SN曲线的臵信度通常取10%,50%,和90%的失效概率。
分散度指标是失效概率90%和10%对应的载荷比：
PropertyInfluencingFatigue
Ts
TypicalScatter…
Manufacturinggeometry
1.02
Material:
controlled
1.15
Material:
welded
1.45
Appliedloads
2.00
life
Figure32:
S-NCurveofaMaterialasDeterminedfromTestDataforthe10%,50%,and90%FailureProbabilityLevels.
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