抗疲劳设计

抗疲劳设计1、疲劳的概念疲劳是指材料在循环应力和应变作用下，在一处或者几处逐渐产生局部永久性累计损伤，经一定循环次数产生裂纹或者突然发生完全断裂的过程。2、疲劳破坏失效的特点金属零件在使用中发生疲劳破坏的特点：（1）突发性；（2）高度局部性；（3）对各种缺陷的敏感性。3、疲劳破坏机理金属的疲劳破坏可以分为疲劳裂纹萌生、疲劳裂纹扩展和失稳断裂三个阶段。（1）疲劳裂纹萌生疲劳裂纹萌生是由塑形应变集中引起，有三种常见的萌生方式：滑移带开裂，晶界或孪晶界开裂，夹杂物或相与基体的界面开裂。其中，滑移带开裂不但是最常见的疲劳裂纹萌生方式，也是三种萌生方式中最基本的一种。（2）疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展可以分为第Ⅰ阶段裂纹扩展和第Ⅱ阶段裂纹扩展两个阶段。其中，第Ⅰ阶段裂纹扩展在断口上一般并不留下任何痕迹，第Ⅱ阶段裂纹扩展则常留下“条带”的显微特征。（3）失稳断裂失稳断裂是疲劳破坏的最终阶段，它与前两个阶段不同，是在一瞬间突然发生的。4、疲劳破坏的原因影响机械零件疲劳强度的因素很多，归纳起来可以从内因（材料的化学成分、组织、内部缺陷、材料强韧化、材料的选择及热处理状况等）和外因（零件几何形状及表面状态、装配与连接、使用环境因素、结构设计、载荷特性等）两个方面来考虑。（1）缺口效应在机械零件中，由于结构上的要求，一般都存在有槽沟、轴肩、孔、拐角、切口等截面变化，这些截面变化称之为缺口。在这些缺口处，不可避免地要产生应力集中，而应力集中又必然使零件的局部应力提高。当零件承受静载荷时，由于常用的结构材料都是延性材料，有一定的塑形，在破坏以前有一个宏观塑形变形过程，使零件上的应力重新分配，自动趋于均匀化，因此，缺口对零件的静强度一般没有多大的影响。疲劳破坏的情形完全不同，这时截面上的名义应力尚未达到材料的屈服极限，因此破坏以前不产生明显的宏观塑性变形。这样便使得应力集中处的疲劳强度比光滑部分底，常常成为零件的薄弱环节。因此，抗疲劳设计时必须考虑缺口效应。（2）尺寸效应式样和零件的尺寸对其疲劳强度影响很大，一般说来，零件和试样的尺寸增大时疲劳强度降低。这种疲劳强度随着零件尺寸增大而降低的现象称为尺寸效应。（3）表面加工方法的影响金属切削加工不仅是一个使制件得到一定尺寸和形状的过程，而且与热处理一样，对金属的性质（确切的说，是对于制件表面层的性质）也有重要影响。制件的疲劳强度多由表面层的性质决定，因此，切削用量、切削工具的几何形状等与切削加工有关的因素，都对疲劳强度的发生有影响。（4）平均应力的影响拉伸平均应力使疲劳强度和寿命降低，压缩平均应力使疲劳强度和寿命增加。（5）其它因素的影响a)加载频率的影响低频使疲劳极限降低，高频使疲劳极限升高；b)应力波形的影响循环的波形（正玄、三角形、梯形、矩形等）确定了在最大应力下停留时间。在高温与腐蚀介质条件下循环波形有较大影响。滞后回线特性与循环波形密切相关，因此，在应变伏较大的情况下，循环波形对裂纹形成寿命有很大影响，而对裂纹扩展寿命影响很小。在焊接试验时，由三角波变为方波，使寿命明显降低。c)中间停歇的影响1中间停歇对疲劳极限没有明显的影响；2中间停歇对疲劳寿命有一定影响，其影响随材料而异。对低碳钢影响较大，每隔10%N停歇6-8个小时可使疲劳寿命提高一倍以上；而对于合金钢、铝合金、镁、铜等金属，则影响很小，停歇越频繁，停歇时间越长，对疲劳寿命的影响越大。停歇时若对试样进行中间加热，则提高疲劳寿命的效应加强，这时即使停歇时间很短也有明显影响。5、提高零构件疲劳强度的方法（1）合理选材底周期疲劳时，应选择塑性好的材料；高周期疲劳时，应选择强度高的材料；寿命介于高低周疲劳之间时，应兼顾强度和塑形，选择韧性好的材料。（2）改进结构和工艺a)改进结构降低零件危险截面的应力集中是提高零件疲劳强度的有效方法。另外，建立预应力和预紧力，可以降低其交变应力，也能够提高其疲劳强度。可以采取以下措施：（1）适当加大危险截面的尺寸；（2）避免尖角和适当加大过渡圆角半径；（3）设卸载孔、卸载沟或卸载槽，改进应力流线，降低应力集中；（4）将微动磨损与应力集中分离开来；（5）改善载荷的不均匀分配；（6）建立预应力及预紧力。b)改进工艺采取的改进的工艺有以下几种方式：（1）提高表面粗糙度，尽量避免擦伤和划痕；（2）使零件的加工方向与其最大主应力方向一致；（3）保持的正确配合；（4）采用适当的热处理工艺；（5）采用时效处理；（6）在零件制造过程中，不使表面层产生有害的拉伸残余应力；（7）不使毛坯材料产生偏析、脱碳、夹杂、裂纹等缺陷；（8）对焊缝进行电渣重熔，将对焊接头焊缝的凸出部切除，将焊角处打磨使其光滑过渡；（9）在焊件上加工出坡口，避免焊缝未焊透。（3）表面强化表面强化的方法有：表面热处理、表面化学热处理、表面冷作硬化。表面热处理包括火焰淬火和感应淬火；表面化学热处理包括渗碳、渗氮和氰化；表面冷作硬化包括喷丸、滚压、锤击和超载拉伸等。（4）表面防护疲劳破坏一般都自表面起始，而表面与外界接触，其疲劳强度受外界环境影响。因此，采用一定的表面防护方法，使表面与有害的外界环境隔离，可以提高其疲劳强度。a)液体涂层在金属表面涂以润滑剂薄膜或润滑油，可以将金属表面与空气中的有害成分-氧和湿气-隔开，可以提高金属的疲劳强度。b)金属镀层在钢制金属上镀以非铁金属，可以提高零件的耐磨性、防蚀和耐热性能，有时也可以修复已磨损的零件。c)阳极氧化阳极氧化是一种电解镀液过程，它能在铝合金上形成一层硬的抗蚀的氧化铝表层。（5）合理操作与定期检修合理的操作对提高零部件的疲劳强度具有重要意义，为了提高设备的使用期限，还必须对设备进行定期检修，以便及时发现问题，采取有效措施，防止设备长期在不正常的工况下运行，而加速其受力件的疲劳和磨损失效。6、有限元方法在疲劳分析设计中的应用利用有限元软件可以根据机械结构系统受到外力负载时应力、位移、温度等的变化，判断出结构是否符合设计要求。通过实测或其他方法得到机械结构工作状态下受力的变化数值，以载荷谱的形式进行有限元疲劳分析，得到疲劳寿命和动载荷应力、应变的变化，从而为结构的改进及优化提供更有效的数据。这种方法可以缩短设计周期，节约大量的试验和生产费用，降低研制成本，从而在技术上保证产品的安全型、稳定性和可靠性。现在市面上可以进行疲劳分析的通用软件有如ANSYS、HyperWorks、Abaqus、COMSOLMultiphysics等，还有一些专业的疲劳分析软件如Ncode、FE-safe、MSC-fatigue等。