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南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星©©©7-1第7章应力场强法7.17.1应力场强法基本原理应力场强法基本原理7.27.2应力场强法基本假设的实验验证应力场强法基本假设的实验验证7.37.3应力场强法对疲劳现象的描述应力场强法对疲劳现象的描述7.47.4应力场强法的应用应力场强法的应用南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星©©©7-2第7章应力场强法7.1基本原理¾“缺口”是一切工程结构的“薄弱环节”。¾应力峰值点周围的应力梯度与应力—应变场对疲劳寿命或疲劳强度的影响。¾材料的破坏机理和疲劳损伤的微观、细观与宏观研究结果。南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星©©©7-3第7章应力场强法7.1基本原理基本假定：若缺口根部的应力场强度的历程与光滑试件的应力场强度的历程相同，则两者具有相同的寿命。vfVijd)()(1FIrϕσσ∫Ω=南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星©©©7-4第7章应力场强法7.1基本原理σFI——缺口应力场强度；Ω——缺口破坏区；Ｖ——Ω的体积；f(σij)——破坏应力函数；φ(r)——权函数sfSDijd)()(1FIrϕσσ∫=南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星©©©7-5第7章应力场强法7.1基本原理缺口破坏区缺口破坏区ΩΩ：：¾Ω的大小和形状与疲劳破坏机理有关；¾疲劳裂纹的萌生与萌生处数个晶粒至数十个晶粒内疲劳损伤的累积有关；¾Ω是一个随机变量；¾破坏区是以缺口根部为圆心的一个圆或椭圆(一阶近似)；¾目前通过实验确定某一类材料的场径。南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星©©©7-6第7章应力场强法7.1基本原理破坏应力函数破坏应力函数ff((σσijij))9f(σij)反映了材料和应力场两个因素对缺口强度的影响，其具体形式涉及到材料的破坏机理；9f(σij)应充分包含了不同应力状态的影响，即使最大应力相同，但若应力状态不同，则应力强度也不同；9大多数工程结构材料为各向同性弹塑性金属材料，f(σij)可用VonMises等效应力公式：[]21213232221)()()(21)(σσσσσσσ−+−+−=ijf南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星©©©7-7第7章应力场强法7.1基本原理权函数权函数φφ((rr))::¾权函数在物理上表征Ｑ点处应力对峰值应力的贡献；¾材料的疲劳损伤的累积不是在缺口根部一“点”处进行的；¾“疲劳损伤”是材料微观结构内部的不可逆的变化，这种变化大多与形变有关，而形变在自由表面处容易，在内部由于晶粒间的相互约束相对困难。因此定性地看，自由表面处对于疲劳损伤的贡献大些，内部的贡献相对小些。南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星©©©7-8第7章应力场强法7.1基本原理权函数权函数φφ((rr))::权函数的基本约束：1.0≤φ(r)≤1，是关于|r|的广义单调降函数；2.φ(0)≡1缺口根部最大应力处对疲劳裂纹萌生的贡献最大；3.当应力梯度G=0时，φ(r)≡1，即光滑试件或全屈服试件在破坏区内各处对疲劳裂纹萌生的贡献相同。()θϕsin11)(+−=crr南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星©©©7-9第7章应力场强法7.1基本原理破坏准则破坏准则：：当σFI=σ=σf时该光滑试验件破坏，按场强法基本假定，对于缺口试验件，当其场强σFI=σ=σf时缺口试验件破坏，所以有破坏准则：σϕσσ==∫sfSDijd)()(1FIrfFIσσ≥南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星©©©7-10第7章应力场强法7.2验证实验为了验证应力场强法的基本假设是否合理，设计了两种试验件，并做了验证试验：4双孔试验件4双缺口试验件4讨论与结论南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星©©©7-11第7章应力场强法7.2.1双孔试验件试验件试验件339.020DH-B121.56.526DH-A件数腰形孔R腰形孔长W圆形孔直径Φ试验件南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星©©©7-12第7章应力场强法7.2.1双孔试验件试验结果试验结果腰形孔161597983DH-B4件圆孔1件腰形孔1件圆孔和腰形孔171981506DH-A圆孔135885806DH-A破坏部位平均寿命名义应力件数试验件南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星©©©7-13第7章应力场强法7.2.1双孔试验件应力分布计算应力分布计算ÏDH-BDH-AÒ南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星©©©7-14第7章应力场强法7.2.1双孔试验件应力场强计算应力场强计算采用弹塑性有限元计算了DH-A、DH-B两组试件的最大应力σmax和应力场强σFI。279.23341.402.432.75DH-B腰形孔276.06316.64982.342.44DH-B圆孔319.24366.55150239.44297.66802.683.42DH-A腰形孔320.06363.55150247.62286.11802.192.27DH-A圆孔σFIσmaxSnomKfKT试验件南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星©©©7-15第7章应力场强法7.2.1双孔试验件疲劳寿命计算疲劳寿命计算161597967464650978098198DH-B腰形孔17352327731963462121501358852027704205370689180DH-A圆孔实验应力场强法局部应力法名义应力法方法危险部位南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星©©©7-16第7章应力场强法7.2.2双缺口试验件试验件试验件南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星©©©7-17第7章应力场强法7.2.2双缺口试验件试验结果试验结果边缺口22397378.43DN-A圆孔310111506DN-B5件圆孔1件圆孔和边缺口76117806DN-B破坏部位平均寿命名义应力件数试验件南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星©©©7-18第7章应力场强法7.2.2双缺口试验件应力分布计算应力分布计算南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星©©©7-19第7章应力场强法7.2.2双缺口试验件应力场强计算应力场强计算采用弹塑性有限元计算了DN-A、DN-B两组试件的最大应力σmax和应力场强σFI。230.10266.531.571.74DN-A边缺口224.12253.4778.41.511.64DN-A圆孔292.40386.65100250.45309.31801.712.08DN-B边缺口298.93378.86100261.89303.91801.992.04DN-B圆孔σFIσmaxSnomKfKT试验件南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星©©©7-20第7章应力场强法7.2.2双缺口试验件疲劳寿命计算疲劳寿命计算2239732958027848749566978.4DN-A边缺口310115848711926124903100761171466173330232958380DN-B圆孔实验应力场强法局部应力法名义应力法方法危险部位南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星©©©7-21第7章应力场强法7.2.3讨论与结论¾¾最大应力不是疲劳裂纹形成的控制参数；最大应力不是疲劳裂纹形成的控制参数；¾¾KKTTSS不是疲劳裂纹形成的控制参数；不是疲劳裂纹形成的控制参数；¾¾应力场强度应力场强度σσFIFI是疲劳裂纹形成的控制参是疲劳裂纹形成的控制参数；数；¾¾应力场强法能够更准确地预测疲劳寿命。应力场强法能够更准确地预测疲劳寿命。南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星©©©7-22第7章应力场强法7.3场强法对疲劳现象描述解释各种疲劳现象是任何抗疲劳设计方法的重要内容之一，也是衡量抗疲劳设计方法是否合理和有效的标准之一。应力场强法可以较好地解释“机械”或者说是“力学”因素主导的疲劳现象。4疲劳缺口系数4疲劳加载方式因子4多轴比例加载疲劳极限4疲劳尺寸系数南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星©©©7-23第7章应力场强法7.3.1疲劳缺口系数Kf的基本定义是光滑试件的疲劳强度S0与缺口试件的疲劳强度SN的比值：Kf＝S0/SN对光滑试件，其场强为：00FIS=σvfVijd)()(1NFIrϕσσ∫Ω=对缺口试件，其场强为：vfVSSKijd)()(1N0frϕσ∫Ω==按定义，得到场强法下Kf的表达式：南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星©©©7-24第7章应力场强法7.3.1疲劳缺口系数¾Kf不仅与理论应力集中系数有关，还与试件的几何形状有关。这种效应在Neuber、Peterson等公式中是通过曲率半径r加以考虑的。r与Kf南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星©©©7-25第7章应力场强法7.3.1疲劳缺口系数相同KT和r，但不同应力应变场的缺口件的例子(KT=2.52，r=5mm)在Kf的表达式中，仅考虑参量r是不够的。南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星©©©7-26第7章应力场强法7.3.1疲劳缺口系数¾通常晶粒越细，材料的疲劳损伤区越小，故相对而言，晶粒越细，Kf越接近KT。¾在短寿命区，由于塑性使缺口根部区域的应力梯度趋于0，缺口根部的最大应力较之按弹性计算得到的应力小得多，故Kf还与寿命和应力—应变曲线形状有关。南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星©©©7-27第7章应力场强法7.3.1疲劳缺口系数¾实验验证。南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星©©©7-28第7章应力场强法7.3.2疲劳加载方式因子加载方式对疲劳极限的影响可用载荷修正因子CL来考虑。以旋转弯曲疲劳极限σ-1为基准，其它加载方式下的疲劳极限可用CLσ-1表示。9反复扭转下的疲劳极限9反复拉压下的疲劳极限南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星©©©7-29第7章应力场强法反复扭转在旋转弯曲载荷作用下，P点的应力为：RyxIMrij22maxz+===σσσ在反复扭转载荷作用下，P点的应力为：RyxJTrij22maxz+===τσσ南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星©©©7-30第7章应力场强法反复扭转在旋转弯曲载荷作用下，试验件中的应力场强为：sRyxSd)(22maxFIrϕσσ∫∫Ω+=yxRyxSdd)(322maxFIrϕτσ∫∫Ω+=在反复扭转载荷作用下，试验件中的应力场强为：按场强法的观点，同种材料不论其加载方式如何，疲劳损伤区相同，疲劳破坏时的场强值相同，得到：maxmax3τσ=577.0L=C即：南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星©©©7-31第7章应力场强法反复扭转30CrMnSiNi2A旋转弯曲疲劳强度σ－1和扭转疲劳τ－1强度及其CL0.5850.5920.5910.5720.578CL609.6637.0725.2831.0898.7σ-1356.7377.3428.3475.3519.4τ-11065×1052×1051055×104疲劳寿命南京航空航天大学南京航空航天大学南京航空航天大学姚卫星姚卫星姚卫星©©©7-32第7章应力场强法反复拉压反复拉压：PFIσσ=因子CL