疲劳特性分析方法优化

疲劳分析包括载荷谱采集及进一步的统计分析、材料疲劳特性的试验、结构的应力分析、选择疲劳分析方法以及损伤模型，然后根据疲劳损伤理论进行寿命预测。疲劳分析基本流程如图5-1所示。疲劳分析方法主要有静态、动态、随机振动疲劳分析等方法，对于选定的问题，应依据结构所承受的载荷及其动态特性差异，判别并且选择正确的疲劳分析方法。如果结构的一阶固有频率大于3倍载荷频率，可采用静态疲劳分析方法，否则必须采用动态疲劳分析方法。理论上讲，随机载荷作用下的结构可以很方便地用时域信号表达，并可以进行相应的动应力计算，但在时域内常需要非常长的信号记录去描述一个完整的随机载荷过程，进行时域中瞬态动力分析是非常困难的，针对这类问题，可以将随机载荷及响应信号用功率谱密度函数分类，将动态结构模拟成为一个线性传递函数，进而在频域内进行疲劳分析。

图5-1　疲劳分析基本流程

疲劳分析的主要方法有名义应力法和局部应力—应变法。这些传统预测疲劳寿命的模型都以材料均匀连续为前提，以材料机械性能、最大主应力、应变幅等这些宏观指标来进行疲劳分析。(www.xing528.com)

1.名义应力法

名义应力法是最早出现的一种疲劳寿命预测计算方法，它认定循环的应力是造成疲劳的原因，构件寿命为其断裂或者产生临界裂纹之前达到的全部应力循环次数。预测寿命之前，应该首先确定构件上的应力最大点。从有限元仿真分析和疲劳分析实验中可以知道，试件上的疲劳裂纹总是最早产生于应力的最大点位置，所以其寿命以这些点为计算基准。寿命预测的主要依据就是S—N曲线。

2.局部应力—应变法

传统的名义应力法是以名义应力为基本设计参数进行疲劳寿命预测的，只适用于应力水平比较低的高周疲劳问题，当应力水平较高，零件的临界点发生局部屈服时，名义应力法计算结果与实际差值很大。局部应力—应变分析法假设零件疲劳破坏是从应变集中部位的最大应变处起始，且在裂纹萌生以前都要产生一定的塑性变形，局部塑性变形是疲劳裂纹萌生、扩展的先决条件。即决定零件疲劳强度和寿命的是应变集中处的最大局部应力应变。因此，只要最大局部应力应变相同，疲劳寿命就相同，所以应力集中零件的疲劳寿命可以用光滑试样的应变—寿命曲线进行计算，也可以使用光滑试样进行疲劳试验，避免大量的结构疲劳试验。名义应力法估算的是总寿命，而局部应力—应变法估算出的是裂纹形成寿命，因此局部应力—应变法常与断裂力学法联合使用。此外，局部应力—应变法只适用于有限寿命的寿命估算，不适用于无限寿命。