1、疲劳基本理论及软件应用,基于Ansys-nCode Designlife,CONTENT,疲劳破坏机理及特点 疲劳问题分类 疲劳寿命的影响因素 疲劳设计方法 疲劳可靠性 GL 规范疲劳分析相关条款 有限元软件在疲劳分析中的运用,疲劳破坏机理及特点,什么是疲劳大多数工程机械零部件承受的工作荷载都是随时间而变化的波动荷载。结构零部件在循环荷载作用下，在某些高应力部位产生损伤并逐渐累积，导致性能退化，裂纹萌生、扩展直到完全断裂的失效形式，称为疲劳失效。与静强度失效相比，疲劳失效有其显著区别： 低应力性 循环应力远低于b甚至s 突发性 无论脆性塑性材料，疲劳失效总表现为脆断 时间性 疲劳破坏需要经历一
2、定甚至很长时间 敏感性 零件几何形状、表面状态、环境等影响明显 疲劳断口 疲劳源(核)、扩展区(波纹状)、瞬断区(粗粒),1、疲劳破坏机理及特点,A 裂纹源 B 扩展区 C失稳断裂区,疲劳破坏机理裂纹形成。制造过程中不可避免有初始缺陷。对于理想无缺陷结构，晶体界面滑移带的挤出侵入，或者由于氧化、腐蚀、使用中的磨损而形成损伤裂纹。 裂纹扩展。宏观裂纹形成后，在脉动荷载作用下，裂缝沿垂直于最大正应力方向扩展 失稳断裂。疲劳破坏的最终阶段，应力强度因子超过材料断裂韧度。与前两阶段不同，在一瞬间发生。疲劳裂纹的扩展是一个非线性过程。在高周疲劳中，裂纹形成一般占据疲劳寿命的90%以上。裂纹扩展起初近似线
3、性，随后扩展速度迅速增长，直至失稳断裂。,2、疲劳问题分类,按照研究对象分类材料疲劳研究材料失效机理，化学成分和微观组织对疲劳强度的影响结构疲劳研究零部件、接头以至整机，考虑形状、尺寸、工艺因素的影响按照失效周次分类高周疲劳经104105以上循环产生的失效称为高周疲劳，循环应力明显低于屈服强度低周疲劳低于104105次循环产生的失效称为低周疲劳，循环应力接近或超过屈服强度高周疲劳材料处于弹性范围，应力与应变线性相关，也称应力疲劳；低周疲劳材料有明显塑性，应力与应变呈非线性关系，采用应变作为参数可以得出较好规律，也称应变疲劳。,2、疲劳问题分类,按应力状态分类单轴疲劳单向循环应力作用下的疲劳，单
4、向拉-压、弯曲、扭转循环多轴疲劳多向应力作用下的疲劳，又可细分为荷载等比例同步加载和不等比例加载，区别在于主应力方向是否随时间改变按荷载变化情况分类 恒幅疲劳所有荷载峰值、谷值均相等 变幅疲劳荷载峰值、谷值不相等，也称谱荷载 随机疲劳荷载峰值、谷值不相等，且随机出现按照工作环境，还有热疲劳、腐蚀疲劳、接触疲劳、冲击疲劳等形式,3、疲劳寿命影响因素,疲劳寿命（N）是指疲劳失效时所经受的应力或应变的循环次数，疲劳计算时通常不考虑疲劳荷载的施加时间，而仅以循环次数为计算依据。一些疲劳基本概念: 最大应力max 最小应力min 应力范围 =max- min 应力幅a=( max- min)/2= /2
5、 平均应力m=( max+ min)/2 应力比R=min/max,R=-1 对称循环,R=0 脉动循环,0R1,-1R0,3、疲劳寿命影响因素,一般来说，应力(应变)幅或者范围是影响疲劳寿命的决定因素，其他因素亦对疲劳寿命产生影响。反映在常规设计中，用等效应力幅和许用应力幅相比较来判断结构是否疲劳破坏，其他因素会对许用应力幅的取值产生影响。许用应力幅与疲劳寿命之间的关系可以通过经验公式给出，其中最常用的公式为 =对上式两边取对数，可得= 1 1 可以看出在双对数坐标系下，与N的关系可用直线表示，也即S/N曲线，m是该直线斜率的负倒数。需要注意的是，有的规范以应力幅a为评判标准，有的以应力范围
6、为评判标准，亦有在一定应力比R下，以最大应力max作为评判标准的，使用S/N曲线时要注意。,3、疲劳寿命影响因素,S/N曲线并不是一直保持直线，当应力幅小于一定值后，结构可以在该应力幅下持续工作到无限次循环，称该应力幅为疲劳极限(fatigue limit，endurance limit)。实际中一般取某个较大的循环次数下的疲劳强度为疲劳极限，称该循环次数为ND，一般取为107。在S/N曲线图上，ND为曲线转折点对应的位置。疲劳极限的物理意义是：所有应力幅均小于该值的应力循环不产生疲劳损伤。体现在S/N曲线图上，第二段直线的斜率为零。然而对于有大于疲劳极限循环分量的变幅疲劳，低于疲劳极限的循环
7、分量仍然能够对结构造成损伤。实际S/N曲线为考虑这一点，第二段直线往往取一个较小的斜率，一般是m2=2m1-1。亦有规范规定，即使是变幅疲劳，其中的疲劳分量小于某一应力幅值后，也不会对结构造成疲劳损伤。这一应力幅称为截断极限(cut-off limit)。此时S/N曲线为三折线，第三段斜率为零。GL规范中并未规定截断极限。,3、疲劳寿命影响因素,除应力幅外，以下因素都会对疲劳寿命产生影响。材料属性不同材料的塑性、韧性、强度、抗腐蚀性能、高温性能、耐磨性能不同，对疲劳寿命的影响显而易见。缺口效应在机械零件中，经常存在有槽沟、轴肩、孔、拐角、切口等截面变化，统称为缺口。在这些缺口处，不可避免地要产
8、生应力集中，而应力集中又必然使零件的局部应力提高。当零件承受静载时，由于常用的结构材料都是延性材料，在破坏前有一个宏观塑性变形过程，使得应力重新分布，趋于均匀化。因此缺口对零件的静强度一般没有多大影响。而对疲劳破坏则情况完全不同，这时截面上的平均应力还没有达到屈服强度，因此破坏前不会产生明显的塑性应力重分布，这样使得缺口处疲劳强度降低。理论应力集中系数可以通过弹性力学或者有限元方法得出，但一般不能作为疲劳强度降低的标准。缺口处应力峰值往往超过屈服强度，从而发生局部塑形变形使应力重分布。不同材料对应力集中的敏感度不同，设计中应综合考虑理论应力集中系数和材料应力集中敏感系数。,3、疲劳寿命影响因素
9、,尺寸效应试样和零件的尺寸对其疲劳强度影响很大。和静强度类似，尺寸增大时疲劳强度降低。引起尺寸效应的因素很多，归纳起来可以分为两类： 工艺因素由于冶炼、锻造、热处理与机械加工中，大型零件的加工质量一般比小零件差；即使加工质量相同，从统计角度考虑，大型零件内部出现缺陷的的概率和数量都高于小零件，由于疲劳强度的局部性，从而使大零件疲劳强度降低。 比例因素如右图所示，一大一小两个圆柱试样承受弯矩荷载， 如果两个试样的最大应力max相等，则对于高应力区域 , max，大型零件处于高应力区域的材料多于小零件 从统计学角度考虑，大型零件材料缺陷出现在高应力区 的概率和个数要高于小零件，故而大型零件疲劳强度
10、低。,3、疲劳寿命影响因素,表面状态表面粗糙度零件经表面加工后所造成的表面凹凸不平，是引起应力集中的因素之一。零件承受荷载时，不论是弯曲还是扭转，往往是表面应力最大，所以疲劳源多从表面开始，故而表面粗糙度对疲劳寿命有很大影响。表面强化效应表面强化工艺可分为三类：(1)机械方法，如喷丸、辊压；(2)化学方法，如渗碳及渗氮；(3)热处理。表面强化提高零件疲劳强度的主要原因是在表面层建立了残余压应力和使表面层硬化。,3、疲劳寿命影响因素,平均应力通常的S/N曲线都是根据一定的循环特征(应力比R或者平均应力m)编制的，最常见的是R=-1，也即m=0。当循环特征改变时，材料的S/N曲线也随之发生变化。一
11、定循环次数下，随着应力比提高，许用应力幅下降。,在一定循环次数下，以平均应力m为横坐标，应力幅a为纵坐标，可以绘制出等寿命曲线，也称古德曼图。 m等于零时，应力比R=-1，故曲线在纵轴上的截距是标准S/N曲线上的应力幅，记作-1。,曲线与横轴的交点处，应力幅等于零，也即最大应力等于最小应力，R=1，相当于静载，故曲线在横轴上的截距是材料的静强度。其他点的应力比可以计算得出：= + ,3、疲劳寿命影响因素,将不同循环次数下的等寿命曲线在一张图上表示，常常利用“典型疲劳特征图”，实际上就是把等寿命曲线旋转了45，横坐标和纵坐标变为min和max 。过原点各条直线上min/max 为常数，故有相同的
12、应力比。可以根据所要求的疲劳寿命，在一定的循环特征(R或者m)下查找到应力幅a 为的大小；反过来，若已知a和m，或者a和R，也可以查出相应的寿命。疲劳等寿命图是根据众多实验结果绘制的，常见规范和手册往往只提供某一个循环特征下的的S/N曲线。这时可以根据经验公式表示材料的等寿命图：Goodman公式 = 1 1 Gerber公式 = 1 1 2 Soderberg公式 = 1 1 ,3、疲劳寿命影响因素,其他因素加载频率空气环境室温下，加载频率在相当大的范围内变化时，对疲劳强度基本不产生任何影响。若高频加载时试样发热，且导致材料软化，会对疲劳强度起到不利作用。腐蚀环境下，加载频率有很大影响。应力
13、波形应力循环的波形（正弦、三角、梯形、矩形等）影响到在最大应力下的停留时间，在高温和腐蚀环境下有较大影响。 过载与停歇在疲劳荷载中偶尔加入一次高载，会使裂纹尖端出现残余压应力，在 一定时间内，可以降低裂纹扩展速度，称为高载迟滞现象。中间停歇对疲劳寿命有一定影响，随材料而异，可提高疲劳寿命。环境因素腐蚀、高温、低温,4、疲劳设计方法,高周，弹性，利用S/N曲线判断疲劳寿命,低周，弹塑性，利用/N曲线判断疲劳寿命,已知初始裂纹，基于断裂力学，通过裂纹扩展速度da/dN与K的关系计算裂纹长度,N,N,K, ,4、疲劳设计方法,基于应力的方法高周疲劳下，结构处于弹性范围内，疲劳设计往往以应力为参考指标
14、。虽然用应变寿命曲线也可以得出很好的结果，但是一般不这么做。根据计算应力时考虑应力集中程度的不同，基于应力的疲劳设计方法又可进一步细分。名义应力法 所谓名义应力，是指几何形状规则的构件，按照基本力学原理 (主要是材料力学)计算得出的应力。不考虑任何情况的应力集中。,名义应力法是以零部件上的最大名义应力值为控制参数进行疲劳强度设计的准则。设计手册或规范上的S/N曲线，大多数是R=-1，标准尺寸构件，抛光表面，无应力集中情况下得出的，故而实际设计时需要计入有效应力集中系数、零件尺寸系数、表面系数和平均应力系数等因素的影响。这种影响既可以在名义应力幅上乘以相应系数以扩大应力幅，也可以对S/N曲线进行
15、折减以降低许用应力幅，不同规范的规定不尽相同，但二者只可取其一，不要重复考虑。最终结果都是得到零件的等效应力幅和许用应力幅，亦或者得到零件的损伤值，并依此进行零部件疲劳强度设计。,or,4、疲劳设计方法,真实应力法 这个名字是我自己起的，学术上并没有这种叫法。真实应力法其实和名义应力法基本相似，唯一的不同在于应力计算上。实际设计中，对于形状复杂、不规则的结构，往往很难找到一个合理的截面来定义他的名义应力，很多情况下都是借助有限元方法进行更加精确的计算。真实应力法通过有限元计算，可以直接得到应力集中处的应力峰值，从而无需考虑应力集中系数。其他各个方面，真实应力法和名义应力法一致，也需要根据平均应
16、力、表面状态、尺寸对应力幅或者S/N曲线进行修正。其中尺寸往往不是很好定义，因为结构的外形是复杂多变的，可以对结构不同部位按照最大厚度进行一个保守的估计。,4、疲劳设计方法,名义应力法和真实应力法疲劳设计一般步骤,这里以时序荷载为例，简要介绍应力疲劳设计的基本过程。得到构件的S/N曲线。材料的S/N曲线有三种方法可以得到： 手册、规范或文献 疲劳试验 经验公式由材料的S/N曲线到构件的S/N曲线，还需根据应力集中效应、尺寸效应、表面效应进行折减（如果是真实应力法，计算应力已经包括了应力集中效应，故只需考虑后两个效应）。折减方法如下：设Ks为缺口疲劳系数，为尺寸系数，为表面加工系数,则疲劳强度降
17、低系数KD为： = 原疲劳曲线公式为： = 或 = 1 1 折减后疲劳曲线公式为：( ) = 或 = 1 1 由此可以看出，只需将原S/N曲线向下平移logKD即可得到折减后的S/N曲线。实际设计中还需要考虑材料安全系数m。,4、疲劳设计方法,得到构件的应力时间历程由荷载时间历程，通过手算（名义应力法）或者有限元计算（真实应力法）得到构件关键部位的应力时间历程。应力历程与荷载历程在时间上等长，看上去像是很繁琐的计算，但由于高周疲劳下结构处于线弹性，可以采用线性叠加原理，故而只需要计算单位荷载下的应力，再乘以荷载历程就可以了。这里的荷载历程是已经乘以荷载安全系数的。如果是多个荷载的情况，应分别计
18、算每个荷载单独作用下的应力历程，再对同时刻的应力进行张量和。这里需要考虑的一个问题是多轴应力的等效。通常S/N曲线反映的是单一应力状态下应力幅与疲劳寿命的关系，例如单向拉伸，纯剪切。而一点的实际应力状态是一个二阶张量，共有9个参数，考虑到剪力互等定理（ = ）也还有6个参数：, = ,4、疲劳设计方法,这里值得一提的是，有限元建模的时候会在表面附一层足够薄的壳单元。足够薄是指他的存在与否基本不会影响到结构的变形和应力。由于壳单元的计算结果中只包含平面内应力，所以用壳单元可以很方便的捕捉到结构的表面应力状态，而不用去建立垂直于表面的局部坐标系。,然而疲劳裂纹往往是从结构表面生成并扩展的，所以我们
19、更关心表面的应力状态。对于自由表面（表面没有面荷载作用），可以认为垂直于表面方向的应力分量均为零。选择合适的坐标系，令z轴垂直于表面，则独立未知的应力分量缩减为3个：, = 0 0 0 0 0,三个应力分量如何循环计数，如何与S/N曲线里的单轴应力联系起来，是多轴应力疲劳首先需要解决的问题。,4、疲劳设计方法,对于这三种计算等效应力的方法，第一强度理论尚有方向的概念，第三、第四强度理论得出的结果已经和方向完全无关。在荷载等比例加载情况下这些方法是可行的。但对于非比例加载，主应力方向变化较大，这些方法就会暴露出缺陷。更加准确的方法是临界平面法（critical plane），该方法认为裂纹发生在
20、某一特定平面上，这一平面上的应力对疲劳裂纹扩展起到决定性作用。该方法的物理意义更加明确。实际计算中，过某一点取n个等夹角的平面，分别对每个平面上的正应力和剪应力进行某种组合以构造出等效应力，计算疲劳损伤，再取n个平面中最大的损伤值为该点的最终损伤值。,早期处理复杂应力状态下的多轴疲劳问题时，常将应力张量按照某种强度理论转化为标量，从而可以循环计数并且与S/N曲线相比较。这个过程称之为应力组合。常用的应力组合方法有： 最大拉应力理论（第一强度理论）： = 1 = + 2 + + 2 2 + 2 最大剪应力理论（第三强度理论）: = 1 3 = 2 +4 2 最大剪应变能理论（第四强度理论，Von
21、 Mises应力）： = 1 2 + 2 2 + 3 2 1 2 + 2 3 + 3 1 其中第一强度理论适用于脆性和半延性材料，第三、第四强度理论适用于延性材料。,4、疲劳设计方法,循环计数得到结构上关键点的应力时间历程后，需要将其处理为一系列不同幅值的全循环。该过程称为循环计数。最常用的方法是雨流法，该方法有一定力学依据，且易于编程。进行雨流计数法时，首先要对时程数据进行处理，从绝对值大处断开，将时程数据前后对调并首尾相连。这样使得时称数据从最大值开始，到最大值结束，以避免计数中产生发散的半循环。然后将时程曲线旋转90，时间轴垂直向下，开始循环计数。,雨流法计数规则如下： 雨流依此从每个峰
22、(谷)的内侧向下流，在下一个谷(峰)处落下，直到对面有一个比其更高的峰值(更低的谷值)停止 当雨流遇到自上面屋顶流下的雨流时即停止 取出所有的全循环，并记录其各自的范围和均值,4、疲劳设计方法,雨流法的计数结果以矩阵表示时最为方便和清楚，下左图以峰值和谷值为横纵坐标，矩阵内数字为该级荷载出现频次。也可以像下右图一样，以幅值和均值为横纵坐标。,4、疲劳设计方法,平均应力修正假如平均应力效应已经在S/N曲线中考虑（也即疲劳设计使用的是一系列不同应力比的S/N曲线，未指定的应力比按照相邻应力比插值得到），这一步就可以跳过不考虑。否则必须考虑平均应力修正。常用的修正方法有Goodman方法，在坐标系里
23、将(m, a)和(b，0)两点直线相连，延长与y轴相交，交点纵坐标即为-1。也可以采用公式计算： 1 = 如果把b替换为s，就是Soderberg方法，更加保守一些。GL规范采用的是Haigh方法。首先根据不同材料得出相应的敏感度系数M，对于铸铁，-R1范围内直线斜率为M，对于延性材料，0R1范围内直线斜率为M/3。,b,-1,(m, a),平均应力,应力幅,0,s,4、疲劳设计方法,疲劳损伤累积经过平均应力修正，将雨流法得到的不同m和a的频次矩阵，转化为R=-1( m=0) 的应力幅谱，可以很方便的用图表形式显示。转化之后就可以应用R=-1的S/N曲线进行疲劳计算。在循环荷载作用下，不同应力
24、幅的循环分量都会对结构裂纹扩展做出贡献，称之为损伤，损伤累积到一定程度后结构就会失效破坏。如何计算不同应力幅下的总损伤值，以及定义结构破坏时的临界损伤值，称之为疲劳损伤累积理论。归纳起来可以分为三类： 线性疲劳累积损伤理论Miner理论，材料在各个应力幅下的疲劳损伤是独立的，总损伤可以线性累加，最简便、常用的理论。假设应力幅1作用n1次，在该应力水品下材料达到破坏的循环次数为N1，则该部分应力循环对结构造成的疲劳损伤为 1 1 ，总损伤D是各级应力幅的损伤和： = 1 1 + 2 2 + 一般认为D=1是损伤累积的临界值。Miner准则忽略了荷载顺序的影响，与试验结果并不完全符合。有时为了考虑
25、到荷载前后顺序的影响，会对Miner准则进行一些经验修正，令累积损伤临界值等于某一数值a，而非1。 非线性疲劳累积损伤理论 （Corten&Dolan）疲劳损伤的累积不但决定于当前应力状况，还和过去的应力历史有关 基于试验、观测的经验、半经验理论（Levy、Kozin）,1 2 3,4、疲劳设计方法,疲劳寿命评估根据Miner法则，零件在某一时序荷载下的疲劳损伤为： = =1 所以零件可以承受的总周期数为： = 1 = 1 =1 损伤值已经可以用来判断疲劳寿命，然而工程上习惯用应力的比值来作为安全系数。对于变幅应力，需要找到一个等效疲劳应力幅来代替多级应力幅。,假设有多个级别的应力循环，应力幅
26、为i的应力循环作用了ni次，总循环次数为n，即= ，存在一个等效应力幅e，使得e循环n次造成的损伤值与多级应力循环一致。 S/N曲线的方程为： =假设在单个应力幅下材料达到疲劳破坏的循环次数分别为N1、N2Nn、Ne，则 1 1 = 2 2 = =由疲劳损伤相等可得： = =1 = =1 = =1 = =1 = = 1 ,4、疲劳设计方法,得到等效疲劳应力幅后，通过S/N曲线可以直接得到n次循环下许用疲劳应力幅D，疲劳安全系数为： = 这里做一个比较，目的是概念性分析一下疲劳安全系数s和疲劳损伤D之间的关系。假设有一个n次的变幅应力循环，等效应力幅为e，对材料造成的疲劳损伤为D=0.1。仍然采
27、用简化的S/N曲线，仅有一个斜率，m=10。根据上页公式： = = 两式相除，得到： = = = = 1 1 = 1 0.1 1 10 =1.259,可以看出，损伤虽然只有0.1，但是并不意味着疲劳荷载可以扩大10倍，相应的安全系数为1.259，当然这只是一个估算。,和应力时间历程的循环计数类似，求解荷载谱的过程也是根据一定的循环计数方法进行的，例如雨流法，不再重复叙述。荷载谱有的时候也以累积频数曲线的形式表示。累积频数曲线反映的是超越该幅值的荷载循环数。一般曲线形状是阶梯形的，当荷载幅值级数取的越来越多，阶梯越来越密，最终可以用光滑曲线来模拟。至于等效疲劳荷载，原理和把多个级别的应力幅转换为
28、等效应力幅类似。,4、疲劳设计方法,以上列出的是时序载荷下的应力疲劳分析的基本过程。实际设计中，有时对荷载时间历程做一定简化，转化为荷载谱，甚至等效疲劳荷载，其计算过程比时序荷载更为简单。对于荷载谱，可以直接计算得到结构上各点的应力幅及相应循环数，省去了对应力时程雨流计数和平均应力修正的步骤(特殊地，对于马尔科夫矩阵，还需要进行平均应力修正)；对于等效疲劳荷载，连疲劳损伤累积也省略了。这里简要介绍一下疲劳荷载谱。荷载谱与时序荷载的不同在于，他舍弃了时间信息，荷载谱只反映了各级循环荷载对应的循环数的多少，而各级循环荷载按照怎样的先后顺序出现，荷载谱里无法反映这种信息。,4、疲劳设计方法,Blad
29、ed软件给出的疲劳荷载文件除了时序荷载外，还有LDD荷载和RFC荷载，他们从不同的角度提供了疲劳荷载谱的相关信息。这里简要介绍一下。这两个文件的开头是类似的，都记录了疲劳荷载所采用的时序荷载文件和相关信息。 Files used :1 : 文件名；工况名；Wind；Direction；Yaw；Rotor Pos； Pitch Bl. 1；Seed；NTM；date2 : 文件名；工况名；Wind；Direction；Yaw；Rotor Pos； Pitch Bl. 1；Seed；NTM；date58 : 文件名；工况名；Wind；Direction；Yaw；Rotor Pos； Pitch B
30、l. 1；Seed；NTM；dateLength of time series, hours of operation and time-ratio :1 : Tfile = 600.0 s, Tcase = 10086.5 h, T-R = 60519.00002 : Tfile = 600.0 s, Tcase = 10086.5 h, T-R = 60519.000058 : Tfile = 600.0 s, Tcase = 8.3 h, T-R = 49.5600LDD是Load duration distribution的缩写，即荷载持续时间分布。 ldd for sensor :1
31、7 : FxB1(kN)Blade root blade 1) Number of seconds at each level per time series :File : 1 2 58Level -1.29E+02 0.00 0.00 345.80 -1.07E+02 0.00 0.00 30.90 .6.43E+01 49.10 52.40 0.00,由于荷载时间序列是以0.1s为时间间隔的，所以这里的时间乘以10，就是该等级荷载在该工况下的时间序列里出现的次数。然而仅有这个信息还是无法知道荷载循环幅度和循环数。,4、疲劳设计方法,文件最后是对所有工况的LDD统计 *Load durat
32、ion distribution, all files*17 : FxB1(kN)Blade root blade 1) Total time at each level :Level hours hours (akk.)-1.2861925E+02 6.7552229E+03 1.7523265E+05-1.0718271E+02 1.8588795E+03 1.6847742E+05-8.5746169E+01 1.5302970E+03 1.6661854E+057.2884243E+02 2.7500000E-03 2.7500000E-03RFC是Rain Flow Counting
33、的缩写，也就是雨流计数的意思。因此RFC文件里的数据能够反映荷载循环幅度和频次相关信息。文件首先列出的是各个工况下的等效疲劳荷载: *Equivalent load range calculations * Rainflow-count for sensor :17 : FxB1 kN Blade root blade 1) Equiv. load range for damage exponents m and F-ref = 0.159 HzFile : 1 2 58m3 236.5 236.7 78.64 240.3 240.6 . 104.725 260.8 276.7 . 221.3
34、,累积时间，和累积频数曲线类似，含义是超过该级别的荷载的持续时间,等效疲劳荷载是和S/N曲线的m值相关的，下面是前文计算等效疲劳应力幅的公式，计算等效疲劳荷载原理与之类似。 = 1 ,接下来列出的是雨流计数信息，先按不同工况列出，再对所有工况汇总： * Load range spectra * Rainflow-count for sensor :17 : FxB1 kN Blade root blade 1) Number of half-cycles pr. time series :File : 1 2 58Range2.144E+01 0 0 184.287E+01 0 0 7 8.5
35、75E+02 0 0 0Rainflow-count for sensor :17 : FxB1 kN Blade root blade 1) Total number of full-cycles during operation :Range N Nacc.2.143654E+01 1.443277E+05 1.037590E+084.287309E+01 1.425834E+05 1.036147E+086.430963E+01 4.076342E+04 1.034721E+08 8.574617E+02 0.000000E+00 0.000000E+00,4、疲劳设计方法,累积频数,接
36、下来列出的是所有工况下的等效疲劳荷载： Accumulated fatique, all time-series, sensor 17 :Equiv. load ranges for diff. cycle numbers incl. N-ref = 1.00E+08m N-ref N=1E7 N=1E63 2.529855E+02 5.450407E+02 1.174255E+034 2.534367E+02 4.506813E+02 8.014372E+025 2.544329E+02 4.032489E+02 6.391065E+02.25 4.390174E+02 4.813730E+
37、02 5.278150E+02要想疲劳损伤相同，循环次数低时，荷载幅值就必须高，这里RFC文件给出了三个循环次数下的等效疲劳荷载，转化基本原理和计算等效疲劳荷载一致： = 1 1 = 2 1 2 1 1 1 = 2 2 ,4、疲劳设计方法,计算等效应力幅的时候也有过类似的公式 1 1 = 2 2 =，源头都是S/N曲线的公式,接下来列出的是各工况下对总体疲劳损伤的贡献比例： Estimated relative contribution to fatigue damage pr. time series (%) :接下来是马尔科夫矩阵(Markov-matrix)，马尔科夫矩阵是时序荷载雨流统
38、计后的直接结果，其中包含了荷载变化幅度和均值的信息。前面提到过雨流计数结果的矩阵表达，与之类似。 Rainflow-count for sensor :17 : FxB1 kN Blade root blade 1) Markov-matrix for all files, number of full cycles :Mean - -1.2861926E+02 -1.0718271E+02 -8.5746170E+01 5.5735011E+02Range N-tot2.1436543E+01 1.4432772E+05 9.9120000E+01 2.7094200E+03 1.61904
39、00E+03 04.2873085E+01 1.4258340E+05 0 3.7998000E+02 1.1647200E+03 3.9064200E+036.4309628E+01 4.0763420E+04 0 4.9560000E+01 0 08.5746170E+02 0.0000000E+00 0 0 0 0马尔科夫矩阵中数字大部分都是0，RFC文件末尾把不是0的数据单独列出来： Rainflow-count for sensor :17 : FxB1 kN Blade root blade 1) Markov-matrix for all files, number of ful
40、l cycles :Range Mean N2.144E+01 -1.286E+02 9.912E+012.144E+01 -1.072E+02 2.709E+032.144E+01 -8.575E+01 1.619E+03,4、疲劳设计方法,焊接结构疲劳分析焊接结构与普通金属结构有很大区别，主要体现在三个方面： 焊接结构存在许多先天缺陷，包括未焊透、夹渣、咬边、裂纹等。这种先天的疲劳裂纹源，使得结构直接越过疲劳裂纹萌生阶段，大大缩短疲劳断裂的进程。 焊接过程产生热残余应力，而且焊缝处一般是残余拉应力，提高了应力循环的均值，会降低疲劳寿命。 焊接接头如不经处理，往往是应力集中处，导致较大的应力
41、幅，会降低疲劳寿命。,4、疲劳设计方法,焊接结构的疲劳有一个显著特点，应力幅起主导作用，应力比(平均应力)影响不大。这是由于焊缝区在很高的残余拉应力作用下，使得无论外荷载导致的是拉应力循环、拉压循环，还是压应力循环，应力叠加后的结果都是以屈服应力为最大应力的应力循环。焊接结构设计规范中规定，如果要考虑平均应力的有利影响，必须确保结构通过热处理等手段，消除焊缝区的残余应力。,4、疲劳设计方法,焊接结构的疲劳分析方法，按照对应力集中考虑程度的不同，又分为名义应力法、热点(结构)应力法和缺口应力法。 名义应力法焊接结构的名义应力与前文所述的名义应力有细微差别，应是不包括局部结构、焊接缺陷带来的应力集
42、中，但是考虑了宏观几何形状带来的应力集中后的应力。简而言之，所有焊缝构造分类里已经考虑到的应力集中，都不用计算；所有构造分类里未加规定的应力集中，都要考虑。焊接结构的应力集中程度与构造细节有关。GB50017-2003，欧洲钢结构规范EC3，Part1-9，国际焊接委员会IIW-1823-07，挪威船级社DNV-RP-C203都对焊接接头进行了分类。分类依据主要是应力集中程度，也考虑到一些焊接工艺的因素。不同级别的焊缝对应的疲劳强度不同。正因如此，焊接结构疲劳分析的名义应力法也被称作构造分类法。,4、疲劳设计方法,4、疲劳设计方法,焊接结构疲劳寿命评定依然采用S/N曲线方法。一般来说，S/N曲
43、线两段m值分别为3和5，拐点对应的循环数不同规范稍有区别。名义应力法中，焊缝局部细节和焊接缺陷带来的应力集中都在S/N曲线中考虑。不同构造级别的焊缝由于应力集中程度不同，采用不同的S/N曲线。应力集中程度越高、焊接质量越差，S/N曲线越低。一般习惯用2.0e6次循环对应的疲劳强度来为S/N曲线命名。疲劳设计时，先根据焊缝构造确定其属于哪个构造级别，也就确定了其在2.0e6次循环下的疲劳强度，再按照m=3和5进行延拓，就可以得到该焊缝对应的S/N曲线。针对板厚还要进行疲劳强度折减，体现了对尺寸效应的考虑。,4、疲劳设计方法,接下来的雨流计数、损伤累积和非焊接结构方法一致。注意焊接结构不考虑平均应
44、力影响，因此不需要修正。当焊缝截面上正应力和剪应力同时存在时，不同规范有不同的处理方法。IIW的规定如下： 假如剪应力的等效疲劳应力幅不到正应力的等效应力幅的15%，或者剪应力造成的损伤不到正应力的10%，则剪应力可以忽略不计 假如正应力和剪应力同步变化，或者最大主应力方向变化范围小于20，则最大主应力幅可以用来进行疲劳计算 假如正应力和剪应力变化不同步，最大主应力方向变化范围大于20，正应力和剪应力的共同作用应按下式考虑： 2 + 2 其中CV的取值受到荷载形式、材料的影响，取0.5或1.0EC3里的规定比较单一：,4、疲劳设计方法,热点应力法当焊接接头形式比较奇特，难以将其归入现有规范定义
45、的构造分类时，可以采用热点应力法进行疲劳分析。热点是指结构上应力集中较为严重、疲劳破坏最易发生的点，其名称来自于高频疲劳荷载作用下，应力集中处会发热。对于焊接结构，疲劳破坏一般源自于焊趾处或者焊根处。焊接结构热点一般指的是焊趾处，现行的所有热点应力疲劳设计规范，都没有把焊根当作热点考虑，因为焊根处应力状态要复杂的多。所以说现有的热点应力法，只适用于对接焊缝和和打坡口全熔透、无明显焊根处缺陷的角焊缝，对于普通角焊缝，设计者必须意识到，还有一种焊根处破坏形式热点应力法没法验算。所谓热点应力是指焊趾处，除却焊缝本身带来的峰值应力以外，包含所有宏观结构带来的应力集中的应力，也称做结构应力、几何应力。,
