船舶疲劳课件

第一章绪论第一节什么是疲劳？1现象：铁丝反复折断2定义：美国试验与材料协会（ASTM）在“疲劳试验及数据统计分析之有关术语的标准定义”（ASTME206-72）中规定：在某点或某些点承受交变应力且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中发生的局部的永久结构变化的发展过程，称为疲劳。3疲劳问题的特点Ⅰ只有在承受交变应力作用的条件下，疲劳才会发生。随时间交替变化的应力，也可称为扰动载荷。变化可以是有规则的，也可以是不规则的，甚至是随机的。Ⅱ疲劳破坏起源于高应力或高应变的，一般是几何形状变化或材料缺陷等引起应力集中的局部细节；Ⅲ疲劳破坏是在足够多次的交变载荷作用后，形成裂纹或完全断裂的现象。Ⅳ疲劳是一个发展的过程。划分成三个阶段：裂纹萌生（起始）扩展断裂注：在疲劳分析中经常用到的参数应力范围：应力幅值：平均应力：应力比：反映循环特性当时，对称循环当时，脉动循环当时，静载荷minmaxSSS2/)(2/minmaxSSSSaminmaxmaxminSSSSR或minmaxSSminmaxSS2/)(minmaxSSSm1R0minS0R1R4疲劳研究的目的1）疲劳寿命：从结构开始使用到裂纹萌生，扩展并最后断裂，这个过程所经历的时间或交变载荷作用次数，称为“寿命”。它取决于载荷水平作用次数或时间及原材料抵抗疲劳破坏的能力。2）目的：研究寿命预报的方法Ntotal=Ninitiation+NpropagationNinitiation：起始寿命，由应力－寿命关系，应变－寿命关系Npropagation：扩展寿命，由断裂力学方法第二节疲劳破坏机理1断口的宏观特征1有裂纹源、疲劳裂纹扩展区和最后断裂区三个部分；2裂纹扩展区断面较光滑、平整，通常可见“海滩条带”，有腐蚀痕迹；3裂纹源通常在高应力局部或材料缺陷处；4与静载破坏相比,即使是延性材料也没有的明显的塑性变形；5工程实际中的表面裂纹一般称半椭圆形。2疲劳裂纹萌生机理•金属大多是多晶体，各晶粒有各自不同的排列方位。在高应力作用下，材料晶粒中易滑移平面的方位若与最大作用剪应力一致，则将发生滑移。•滑移可以在单调载荷下发生，也可以在循环载荷下发生。在较大载荷作用下发生粗滑移和在较小的循环载荷作用下发生细滑移。•在循环载荷作用下，材料表面发生滑移带“挤出”和“凹入”，进一步形成应力集中，导致微裂纹产生。应当注意，滑移主要是在晶粒内进行的。深度大于几个微米的少数几条滑移带穿过晶粒，称为“持久滑移带”，微裂纹正是由这些持久滑移带发展而成的。滑移带的发展过程与施加的载荷及循环次数有关，随着循环次数的增加，滑移线越来越密集，越来越粗。•3疲劳裂纹扩展机理•疲劳裂纹在高应力处由持久滑移带萌生，是由最大剪应力控制的。形成的微裂纹与最大剪应力方向一致。•在循环载荷作用下，由持久滑移带形成的微裂纹沿45度最大剪应力作用面继续扩展或相互连接。此后，有少数几条裂纹达到几十微米的长度，逐步汇聚成一条主裂纹，并由沿最大剪应力面扩展逐步转向沿垂直于载荷作用线的最大拉应力面扩展。裂纹沿45度最大剪应力面的扩展是第1阶段的扩展，在最大拉应力面内的扩展是第2阶段的扩展。•从第1阶段向第2阶段转变所对应的裂纹尺寸主要取决于材料和作用应力的大小，但通常都在0.05mm内，只有几个晶粒的尺寸。第1阶段裂纹扩展的尺寸虽小，对寿命的贡献却很大，对于高强度材料，尤其如此。•与第1阶段相比，第2阶段的裂纹扩展较便于观察。Laird直接观察了循环应力作用下延性材料中裂纹尖端几何形状的改变，提出了描述疲劳裂纹扩展的“塑性钝化模型”，如图所示。•（a）给出了循环开始时的裂纹尖端形状；•随着循环应力的增加，裂纹逐步张开，裂尖材料由于应力集中而沿最大剪应力方向滑移（b）；•应力进一步增大，裂纹充分张开，裂尖钝化成半圆形，开创出新的表面（c）；•卸载时已张开的裂纹要收缩，但新开创的裂纹面却不能消失，将在卸载引入的压应力作用下失稳而在裂纹尖端形成凹槽形（d）；•最后，在最大循环压应力作用下，又成为尖裂纹，但其长度已增加了一个小长度（e）。•下一个循环，裂纹又张开、钝化、扩展、锐化，重复上述过程。这样，每一个应力循环，将在裂纹面上留下一条痕迹。第三节疲劳断裂研究方法疲劳断裂问题需要研究载荷谱、裂纹萌生及扩展规律、构件细节应力分析，疲劳寿命预测和抗疲劳设计方法，等等。一方面，由于涉及因素多，问题复杂，难以找到解析的、普遍的寿命预报方法；另一方面，工程应用的需求迫切。因此，研究问题时必须抓住主要因素，建立简化模型，逐步深化认识。例如，对于载荷谱，先研究恒幅循环载荷的最简单情况，再考虑变幅载荷下的累积损伤，最后考虑随机载荷。对于裂纹萌生及扩展规律，则先研究不含有缺陷的光滑材料在恒幅循环载荷作用下的裂纹萌生规律，给出应力-寿命、应变-寿命以及不引发裂纹的疲劳极限等的基本关系，在讨论应用于构件时所需要进行的必要的修正，建立裂纹萌生寿命估算方法，满足无限寿命设计、安全寿命设计的要求。再讨论含有裂纹材料的断裂和疲劳裂纹扩展规律，研究断裂判据，研究在不同载荷谱作用下裂纹扩展寿命的预测，建立损伤容限设计方法。关于寿命预测和抗疲劳设计方法，是依赖于对问题的认识水平，从不考虑裂纹向考虑裂纹；从确定性分析向可靠性分析，从控制构件和结构的安全向综合控制设计-制造-使用-维修，以安全和经济为目标，逐步发展、丰富的。此外，还应研究疲劳破坏的基本机理，不断积累、深化对于疲劳断裂破坏的更本质的认识，不断提高抗疲劳设计能力。疲劳断裂研究的基本思路如下，第二章疲劳强度模型——S-N曲线1、S-N曲线•材料的疲劳性能用作用的应力范围S与到破坏时的寿命N之间的关系描述，即S-N曲线。•寿命N定义为在给定应力比R下，恒幅载荷作用下循环到破坏的循环次数。问题：如何得到S-N曲线？实验得到！！疲劳破坏有裂纹萌生，扩展至断裂三个阶段，这里破坏指的是裂纹萌生寿命。因此，破坏可以定义为：1）标准小尺寸试件断裂。对于高、中强度钢等脆性材料，从裂纹萌生到扩展至小尺寸圆截面试件断裂的时间很短，对整个寿命的影响很小，考虑到裂纹萌生时尺度小，观察困难，故这样定义是合理的。2）出现可见小裂纹，或有5％～15％应变降。对于延性较好的材料，裂纹萌生后有相当长的一段扩展阶段，不应当计入裂纹萌生寿命。小尺寸裂纹观察困难时，可以监测恒幅循环应力作用下的应变变化。当试件出现裂纹后，刚度改变，应变也随之变化，故可用应变变化量来确定是否萌生了裂纹。材料疲劳性能试验所用标准试件，（通常为7～10件），在给定的应力比R下，施加不同的应力范围S，进行疲劳试验，记录相应的寿命N，即可得到图示S-N曲线。NS由图可知，在给定的应力比下，应力范围S越小，寿命越长。当应力范围S小于某极限值时，试件不发生破坏，寿命趋于无限长。由S-N曲线确定的，对应于寿命N的应力范围，称为寿命为N循环的疲劳强度。寿命N趋于无穷大时所对应的应力范围S，称为材料的疲劳极限。由于疲劳极限是由试验确定的，试验又不可能一直做下去，故在许多试验研究的基础上，所谓的无穷大一般被定义为：钢材，107次循环，焊接件：2*106。2、S-N曲线的数学表达式NSm=A两边取对数，LogN+mLogS=LogA选取几个不同的应力范围平，……，进行n组疲劳试验，对各组实验数据1S2SnS1SS14S13S12S11N,N,N,NS1iN2SS24S23S22S21N,N,N,NS2iN3SS34S33S32S31N,N,N,NS3iN………………应力范围循环次数两个参数：m，A假定为某一概率分布（一般为Weibull分布）存活率则可求得存活率为p的，分别对应于，，……的试验次数多少S1iN，S2iNNfpdNNfNp1S2SnSpnp3p2p1N......N,N,NpnnP33p22p11N,S,......,S,N,N,S,N,S假定应力范围水平下疲劳寿命N的分布为对数正态分布时，采用极大似然法拟合得到P-S-N曲线为其中m定值，表示存活率为p时的正态分布标准差个mlgSlgAlgNpplgAplgAmN,S,......,S,N,N,S,N,Snn332211lgAlgAppulgAlgAn,lgAm,N,Siiin1iilgAn1lgAn1i22ilgAlgAnlgA1-n1对于船海工程，一般构件)0.2u(72.97pp00mlgS2lgAlgNlgA主要构件)0.3u(99.87pp00mlgS3lgAlgNlgA•在实际设计或计算中，为了得到适合的S-N曲线，需要做实验吗？•可以查阅相关规范或资料，得到S-N曲线F2F2FF2总结：S-N曲线表征结构的抗疲劳能力，由实验得到。实验中根据结构形式和载荷类型选取S-N曲线，此时S-N曲线都是对应于一定的概率水平的！！3、平均应力的影响材料的疲劳性能，用作用应力S与到破坏时的寿命N之间的关系描述。在疲劳载荷作用下，最简单的载荷谱是恒幅循环应力。R=-1时，对称恒幅循环载荷控制下，试验给出的应力—寿命关系，是材料的基本疲劳性能曲线。•本节讨论应力比R变化对疲劳性能的影响。•如图所示，应力比R增大，表示循环平均应力Sm增大。且应力幅Sa给定时有•Sm=(1+R)Sa/(1-R)•一般趋势•当Sa给定时，R增大，平均应力Sm也增大。循环载荷中的拉伸部分增大，这对于疲劳裂纹的萌生和扩展都是不利的，将使得疲劳寿命降低。平均应力对S-N曲线影响的一般趋势如图所示。•平均应力Sm=0时的S-N曲线是基本S-N曲线。当Sm0，即拉伸平均应力作用时，S-N曲线下移，表示同样应力幅作用下的寿命下降，或者说在同样寿命下的疲劳强度降低，对疲劳有不利的影响。Sm0，即压缩平均应力作用时，S-N曲线上移，表示同样应力幅作用下的寿命增大，或者说在同样寿命下的疲劳强度提高，压缩平均应力对疲劳的影响是有利的。•在给定寿命N下，研究循环应力幅Sa与平均应力Sm之关系，可得到如图结果。当寿命给定时，平均应力Sm越大，相应的应力幅Sa就越小；但无论如何，平均应力Sm都不可能大于材料的极限强度Su。Su为高强脆性材料的极限抗拉强度或延性材料的屈服强度。•图中给出了金属材料N=107时的Sa-Sm关系，分别用疲劳极限S-1和Su进行归一化。因此，等寿命条件下的Sa-Sm关系可以表达为•(Sa/S-1)+(Sm/Su)2=1•这是图中的抛物线，称为Gerber曲线，数据点基本上在此抛物线附近。•另一表达式，是图中的直线，即•(Sa/S-1)+(Sm/Su)=1•上式称为Goodman直线，所有的试验点基本都在这一直线的上方。直线形式简单，且在给定寿命下，由此作出的Sa-Sm关系估计是偏于保守，故在工程实际中常用。•例子•构件受拉压循环应力作用，Smax=800MPa，Smin=80MPa。若已知材料的极限强度为Su=1200MPa，基本S-N曲线为S3N=1.5*1010，试估算其疲劳寿命。•解：确定循环应力幅和平均应力。Sa=（Smax-Smin）/2=360MPaSm=（Smax-Smin）/2=440MPa循环应力水平等寿命转换，用Goodman方程有（Sa/S-1）+(Sm/Su)=1代入数据，得S-1=568.4MPa估算寿命。N=C/S3=1.5*1015/568.43=8.1*106•4、影响疲劳性能的若干因素•1）载荷形式•材料的疲劳极限随载荷形式的不同有下述变化趋势：•S（弯）S（拉）S（扭）•假定作用应力水平相同，拉压时高应力区体积等于试件整个试验段的体积；弯曲情形下的高应力区体积则要小得多。我们知道疲劳破坏主要取决于作用应力的大小（外因）和材料抵抗疲劳破坏的能力（内因）二者，即疲劳破坏通常发生在高应力区或材料缺陷处。假如图中的作用的循环最大应力Smax相等，因为拉压循环时高应力区域的材料体积较大，存在缺陷并由此引发裂纹萌生的可能性也