变动载荷及描述参量优化方案

所谓变动载荷是指载荷的大小、方向或大小和方向同时都随时间作周期性改变的载荷，这种改变可以是规律性的或无规则随机变化的。前者称为周期变动载荷（应力）或循环载荷（应力），后者称为随机变动载荷。这些应力可以用应力-时间曲线表示，如图3-1 所示[16]。

图3-1　变动应力示意图

从图中可以看出，（a）为应力大小周期性变化，（b）、（c）为应力大小及方向都周期性变化，（d）为应力大小及方向无规则变化。

实际机器部件承受的载荷一般属后者，但就工程材料的疲劳特性分析和评定而言，为简化讨论，主要还是针对循环载荷（应力）而言的。

循环应力的波形有正弦波、三角波和矩形波，其中正弦波较为常见，其波形如图3-2 所示。

图3-2　循环应力特征

循环应力的特征主要由以下参数表示。(www.xing528.com)

（1）最大应力σmax和最小应力σmin，即循环应力中的最大值和最小值。

循环应力按照如图3-2 所示可分为下列几种典型情况：

（1）对称循环，mσ =0，R=-1，如图3-2（a）所示。大多数轴类零件，通常受到交变对称循环应力的作用。这种应力可能是弯曲应力、扭转应力，或者是两者的复合，其疲劳极限用σ-1表示。

（2）不对称循环，R≠-1，如图3-2（c）～图3-2（f）所示。有时还把循环中既出现正（拉）又出现负（压）应力的循环称为交变应力循环。其疲劳极限用rσ 表示，下标r 用相应的特性系数表示，如σ0.1。

（3）脉动循环，mσ =aσ ，R=0，如图 3-2（c）所示。齿轮的齿根和某些压力容器受到这种脉动循环应力的作用，其疲劳极限用0σ 表示。

（4）波动循环，mσ ＞aσ ，0＜R＜1，如图 3-2（e）所示。飞机机翼下翼面、钢梁的下翼缘、气缸盖螺钉以及预紧螺栓等，均承受这种循环应力的作用。

（5）脉动压缩循环（R=∝）、大压小拉循环（R＜0）等，如图 3-2（d）、图 3-2（f）所示。滚珠轴承受到脉动压缩循环应力，内燃机连杆受到大压小拉循环（不对称交变）应力的作用。