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1压力容器疲劳知识总结（201220630邹明铭）1.疲劳分析设计工程背景疲劳是指材料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。在工程实际中，大量的材料、构件在交变应力作用下工作，将发生疲劳破坏，因而在疲劳分析在工程设计中占有重要地位。疲劳强度分析是一个热点的研究领域，已从经典的无限寿命设计发展到有限寿命设计和可靠性分析。累积损伤观念为现代工程设计注入了新思想和新方法，损伤理论已成为一门新的学科，为解决疲劳寿命问题提供了重要理论基础与工程计算方法。2.疲劳分析的基础知识2.1交变应力图1所示的交变应力，用S代表广义应力，即它可以是正应力，也可以是切应力。图1交变应力示意图应力循环——应力值每重复变化一次成为一个循环，及应力从最小值变到最大值，再变回到最小值。循环次数——应力重复变化的次数，用N表示。最大应力——应力循环中的最大值，用maxS表示。2最小应力——应力循环中的最小值，用minS表示。平均应力——最大应力与最小值的平均值，用mS表示。即mmaxmin1()2SSS（2-1）应力幅值——应力变化幅度的均值，用aS表示。即maxmin1()2aSSS（2-2）这样，maxmaSSS（2-3）minmaSSS（2-4）循环特征——最小应力与最大应力的比值，用表示。即（2-5）2.2几种典型的交变应力图2所示的交变应力，为对称循环的交变应力。其特点是maxminmax1,,0,marSSSSS图3所示的交变应力，为脉动循环的交变应力。其特点是minmax10,0,2marSSSS图4所示的为静应力，可视为应力幅值为零的特殊交变应力。其特点是maxmin1,,0marSSSS除图2所示的对称循环的交变应力外，其它均为非对称循环交变应力，且其循环特征均在-1与+1间变化。3图2对称交变应力示意图图3脉动变应力示意图图4静变应力示意图2.3材料的疲劳极限与应力-寿命（S－N）曲线疲劳时应力远低于静载下材料的屈服强度或强度极限，因而屈服强度或强度极限已不能作为交变应力下的强度指标，需重新测定金属的疲劳强度指标。疲劳试验表明，在同一循环特征的交变应力下，循环次数N随交变应力的最大应力maxS的减小而增大，当maxS减小到某一数值时，N趋于无限大。材料经历无限次应力循环而不疲劳时的交变应力的最大应力，称为材料的疲劳极限，或称持久极限。材料的疲劳极限是材料本身所固有的性质，因循环特征、试件变形的形式以及材料所处的环境等不同而不同，需疲劳试验测定。材料的疲劳极限用rS表示，即意味着对称循环下的是1S，脉动循环下的是0S，以此类推。如图5所示的曲线，称为应力-寿命曲线，简称S-N曲线。图5典型S-N曲线4S-N曲线上任一点A的纵、横坐标分别用max,AS、AN表示，这表明在交变应力的最大应力为max,AS时，试件疲劳破坏前所经历的应力循环次数为AN。所以，称AN是最大应力为max,AS时的有限疲劳寿命；而称max,AS是有限疲劳寿命为AN时材料的条件疲劳极限。图5所示的S-N曲线有一条水平渐近线，该渐近线的纵坐标用1S表示，即为材料对称循环下的疲劳极限。要“经历无限次应力循环”，这个试验是无法实现的。实际上人为地规定一个循环基数0N，若经历0N次应力循环而不破坏，即认为已满足了“经历无限次应力循环”这一条件。对于S-N曲线有水平渐近线的材料，如结构钢等，7010N；而对于像铝合金等无水平渐近线的材料，8010N。3.影响疲劳极限的主要因素3.1应力集中对疲劳极限的影响应力集中的程度，可以用理论应力集中系数描述。工程中，已将各种情况下的理论应力集中系数编成手册，tK为理论应力集中系数。理论应力集中系数只考虑了构件外形结构的影响，没有考虑材料对应力集中的敏感性。因而，根据理论应力集中系数不能直接确定应力集中对疲劳极限的影响程度。工程中，应力集中对疲劳极限的影响程度用有效应力集中系数fK表示，它是在材料、尺寸、加载条均相同的前提下，光滑小试件与有应力集中小试件疲劳极限的比值，即（3-1）式（3-1）中，1S是材料的疲劳极限；1()KS是有应力集中小试件的疲劳极限。3.2表面加工质量对疲劳极限的影响5机械加工会给构件表面留下刀痕、擦伤等各种缺陷，由此造成应力集中；对构件作渗氮、渗碳、淬火等表面处理，会提高表面层材料的强度。一般情况下，最大应力出现在构件表面层，裂纹的产生也是从浅表层开始的，这样，构件表面加工质量将影响疲劳极限。加工质量对疲劳极限影响程度用表面质量系数表示，即（3-2）式（3-2）中，1()S为有别于光滑小试件加工（磨削加工）的疲劳极限。表面质量系数可查有关手册得到，表面加工质量愈低，对疲极限降低得愈多；材料的静强度愈高，加工质量对疲劳极限影响得愈显著。3.3变幅交变应力图6变幅交变应力变幅交变应力，其应力幅值或平均应力不为常值。对于变幅交变应力谱可以简化成分级等幅交变应力谱，并可分成两类：图6a所示的交变应力，其平均应力为零，称为变幅对称循环交变应力；而图6b所示的交变应力，其平均应力不为零，称为变幅非对称循环交变应力。交变应力的大小和频率都对疲劳破坏有直接的影响。3.4其它因素对疲劳极限的影响构件所处的周围环境，如温度、腐蚀性与放射性介质等；载荷大小、频率等因素均对疲劳极限有影响。其影响程度亦可通过疲劳试验用相应的影响系数表示。64.疲劳设计方法4.1无限寿命设计与有限寿命设计图7应力-寿命曲线应力循环次数N，也称寿命。在图7所示的应力-寿命曲线中，0N（781010）为循环基数。0N将曲线分成两部分，右边部分循环次数N大于0N，称为无限寿命区；左边部分循环次数N小于0N，称为有限寿命区。按照疲劳极限进行疲劳强度设计，称为无限寿命设计；若按照条件疲劳极限进行疲劳强度设计，称为有限寿命设计。4.2变幅对称循环交变应力的疲劳强度变幅交变应力，最大应力有时超过疲劳极限，有时低于疲劳极限，且在多数情况下高幅应力的循环次数小于低幅应力的循环次数。在这种情况下若仍然采取前面的无限寿命设计思想，显然是过于保守的，需要采取新的设计思想与方法。7图7变幅对称循环交变应力示意图当构件危险点处应力循环中的最大应力值超过疲劳极限时，整个构件并没有完全发生疲劳失效，而是产生了一定量的损伤。随着应力循环的继续，这种损伤会累积起来，当累积达到某一临界值时，构件才最终发生疲劳失效。这就是累积损伤观点。如果构件在等幅交变应力1S单独作用下，有限寿命为1N，那么应力1S每循环一次对构件的损伤将是11/N，循环了次对构件产生总的损伤为11/nN。同样，2S、...、iS、...kS分别单独作用对构件产生总的损伤依次为22/nN、...、/iinN、...、/kknN。线性累积损伤的理论认为，这些损伤可以叠加，疲劳失效的条件为（4-1）引入疲劳工作安全系数sn，考虑到应力集中、尺寸和表面质量对疲劳极限的影响，最终得到变幅对称循环交变应力的疲劳强度条件（4-2）式（4-2）中，sn为工作安全系数，S为广义应力，1S为对称循环下材料的疲劳极限，0N为循环基数，为疲劳失效时的循环周期数。可以再静力学分析的基础上，运用工作安全系数，完成相应的设计。5.提高机械零件疲劳强度的措施1）降低零件上的应力集中的影响，保证零件表面光滑，是提高零件疲劳强度的首要措施。在应力集中的结构处，可采用缓和的过度形式来降低应力集中的程度。2）裂纹的发生发展多在表面和浅表层，故在实际中配以适当的热处理和各种方法，完成表面强化处理，有助于大幅提高疲劳寿命。83）对于在特殊环境工作的零部件，应当采取适当的防护措施，如喷漆防腐等多种有效措施，能够有效的减少疲劳裂纹的产生。4）减少或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸，对于延长零件的疲劳寿命有着比提高材料性能更为显著的作用。5）采用合理的结构，减小最大应力的绝对值，也对对于延长零件的疲劳寿命有着显著的作用。