车辆结构疲劳破坏特点揭秘

疲劳破坏不同于静强度破坏，主要有以下三个方面的特点。

1.疲劳发生的外部原因是扰动应力

扰动应力是指随时间变化的应力，也可以将这一概念进行推广，称之为扰动载荷，载荷可以是力、应力、应变、位移等。

如图9-1所示，载荷随时间的变化可以是有规律的，也可以是无规律的，甚至是随机的。描述载荷-时间变化关系的图或表叫做载荷时间历程，也称为载荷谱。最简单的载荷循环历程是恒幅载荷，如图9-1a所示。

图9-1 疲劳载荷形式分类

a）恒幅循环 b）变幅循环 c）随机载荷

下面介绍载荷循环的几个重要概念。图9-2所示是正弦恒幅载荷循环。它描述一个应力循环，至少需要两个量，循环最大应力S_max和循环最小应力S_min，这是描述循环载荷的基本参量。疲劳分析中，还经常用到下述参量。

应力变程定义为ΔS=S_max-S_min；

应力幅S_a定义为S_a=ΔS/2；

平均应力S_m定义为S_m=（S_max+S_min）/2；

应力比R定义为R=S_min/S_max。(www.xing528.com)

上述各参量中，应力比R反映了载荷的循环特征，如当S_max=-S_min时，R=-1，是对称循环；当S_max=S_min时，R=1，S_a=0，是静载荷。

上述六个参量中，只需要知道其中任意两个，即可确定整个应力循环。为使用方便，在设计时，一般用最大应力和最小应力，这是由于二者比较直观，便于设计控制；在试验时，一般用平均应力和应力幅，便于施加载荷；分析时，一般用应力幅和应力比，便于按载荷的循环特征分类研究。

图9-2 正弦恒幅疲劳载荷

2.疲劳破坏产生于局部

零部件应力集中处，常常是疲劳破坏的起源，局部性是疲劳失效的特征。疲劳分析要从整体出发，注意结构细节，尽可能减少应力集中。

3.疲劳是一个发展的过程

从疲劳裂纹的形成到裂纹扩展，以致最后断裂，是疲劳损伤逐渐累积的过程。这一过程中结构经历的时间或载荷循环次数称为疲劳寿命。它不仅取决于载荷水平，还与结构的抗疲劳能力有关。需要注意的是，疲劳分析的最终目标不仅是预测寿命，而是解决疲劳问题，使结构在使用过程中不发生疲劳失效。

疲劳破坏一般分为三个发展阶段：裂纹萌生、裂纹扩展和最后失稳扩展断裂。由于裂纹失稳扩展断裂是一个很快的过程，对疲劳寿命影响很小，在疲劳分析中一般不予考虑。所以一般只考虑裂纹萌生和裂纹扩展两部分的寿命，即

N_total=N_initiation+N_propagation

进行裂纹起始寿命分析时，一般采用应变疲劳分析方法；进行裂纹扩展寿命分析时，一般采用断裂力学的方法进行计算。当疲劳载荷相对较小时，不会使材料产生宏观塑性变形，一般直接采用应力疲劳分析方法，应力疲劳分析的结果是两个阶段疲劳寿命之和。