它是表征恒幅疲勞循環(huán)載荷的一個特征量,當 ( ,-時,稱為對稱循環(huán);當 (2時稱為脈動載荷;當 為任意值時就稱為非對稱循環(huán)。
描述疲勞載荷系列可選用這 3個參數中的任意兩個(這 3個參數僅有 *個是獨立的)來表征。如前所述,對一個疲勞載荷系列(歷程)影響結構疲勞性能的主要因素是峰值、谷值的大小及其順序、數量,而與這些載荷的變化快慢無關。因此一個疲勞載荷系列只要說明其峰、谷值大小及作用次數即可。
*4 5—6曲線和疲勞極限
為了估算結構危險部位的安全壽命,需要利用構件或材料的疲勞壽命曲線,它由試驗得到。根據壽命估算方法的不同,獲取疲勞壽命曲線的試驗安排及試件的類型也不同。對于應力水平較低的材料疲勞試驗(稱高周應力疲勞),用標準的光滑試件獲得 5—6曲線。 5代表循環(huán)應力的幅值 5或最大值 5"%,6代表到斷裂時的循環(huán)周數。通常在一定頻率、振幅和一定的應力比下進行試驗,獲得斷裂時的疲勞總循環(huán)周數,
對構件的疲勞試驗,一般采用帶孔構件或缺口構件(有各種應力集中系數)進行疲勞試驗。
工程上常以 -76為橫坐標的半對數坐標系來描繪這些曲線,這些曲線是通過對試驗數據的經驗擬合而獲得的,在中等壽命段(-2* 86 8-2.),工程上常采用冪指函數關系來量化描述這些曲線,如:
指數函數 69 (:(* ,+ ,-;)冪函數 56 (:(* ,+ ,*2)公式中的參數 ,和 :都可通過線性回歸的統(tǒng)計方法來獲取。對上述公式的變形(取常用對數)可以發(fā)現, 5,6曲線在半對數或雙對數坐標系中近似于一條直線。從 * ,+ ,<中都可以看出,疲勞循環(huán)的周數 6隨 5的下降而迅速增加(呈冪指關 •*20•
圖 ""% &"’鋁合金帶孔板 ( )*&時的 +—,曲線(-(./*0* 123456)
圖 " "% 78 "鋼材(棒料)光滑試件的 +",曲線
系),但當 +下降到某一量值時,周數 ,似乎有無限壽命,這個應力水平 +一般稱為疲
勞極限,當 9) "-時,此疲勞極限用符號 "-表示。鋁合金等沒有明顯的疲勞極
限,此時一般以 , )-&:或 -&:以上對應的 +值作為其條件疲勞極限或稱為疲勞強度。
疲勞極限與材料的靜強度值大致有以下關系:普通鋼材 "-*(&*3 ;&*0)<,高強
-*
度鋁合金 " (&* ;&*)<,其他鋁合金 "-*(&* ;&*0)<。圖 " "給出了高強度鋼 78 "光滑試件的 +",曲線,圖中的黑點表示試 •&1•
驗數據,黑點加箭頭表示試驗數據大于對應的循環(huán),周數。從圖中可以看出,同一應力水平 下,實際的試件疲勞破壞周數有較大的分散性,而且隨應力水平的降低,分散性更大。對中等壽命段,工程上常用對數正態(tài)分布來描述某一應力水平 下的分散性,即概率密度函數為
% *%+ *
(")
&"’(){ &"&} (& *, *&%)
式中-—
—位置參數;
"———尺度參數。
為獲得不同應力水平下疲勞破壞的分散性,試驗標準中規(guī)定在中等壽命段采用 . /0個應力水平,每一應力水平下取大于 0個的試樣數進行疲勞試驗,再通過獲得的試驗數據進行分布參數估計,即可獲得其分散性的經驗規(guī)律;通過線性回歸即可獲得 0—1曲線。應當注意的是:通常線性回歸方法獲得的 —1曲線是中值壽命曲線,其概率意義是指 023的存活率曲線,即曲線上的一個點代表著對應該應力水平下,試樣的斷裂數為 023。這樣的 —1曲線在工程上使用是危險的。因此,工程應用中常采用高存活率戶的 —1曲線,如存活率 4 523,503,553等。這樣的 —1曲線通常稱為 4**1曲線。有了試驗數據,獲得 4**1曲線是非常容易的,有興趣的讀者可參閱有關資料中介紹的統(tǒng)計處理方法。
.6疲勞性能的若干影響因素
(%)疲勞載荷特征的影響。對于一定的平均應力水平 7,振幅 8越大,壽命 1就越短,這是一條 *1曲線描述的基本事實。振幅大即意味著材料經受的高應力值多,因此,更容易疲勞破壞。當振幅 8一定時,循環(huán)比 9的變化即意味著平均應力水平 7的變化,當 9增大時,壽命 1越短,其原因與前者相同。給定不同的 8值,變化循環(huán)比 9(或 7),我們可獲得一族 *1曲線。當 78(值一定時,9值變化意味著振幅 8和 7的變化,9值增大即 8減小、7增大,顯然 9值越小,壽命 1越短。
(&)應力集中的影響。在實際結構中,由于構造上的需要,許多零構件不可避免地存在截面的突變,如溝槽、孔以及軸肩等。在外力作用下,這些截面突變的局部區(qū)域應力會急劇增加,離開這個區(qū)域稍遠處,應力就大大降低。這種應力局部增大的現象,稱為應力集中。
應力集中對疲勞性能有著重要的影響,會使構件的疲勞強度大大降低,大量的試驗研究和許多疲勞破壞事故的調查都表明,疲勞源總是出現在孔邊等應力集中的地方。實際上,在影響疲勞性能的諸因素中,應力集中是一個最直接的主導因素,即使是光滑的材料試樣,由于材料內部組織的不均勻性或亞微觀缺陷(氣孔、夾雜等)的存在,也會導致微觀上的應力集中,此時即使光滑的材料試樣,也會在內部產生疲勞裂紋。實踐證明,為避免或減緩應力集中對疲勞性能的影響,必須充分重視受力構件的
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第二篇 /現代飛機結構綜合設計
細節(jié)設計與加工制作。應力集中對疲勞性能有顯著影響,但其影響程度并不直接由理論應力集中系數所決定,而是由所謂的“有效應力集中系數” "來決定。 "的定義為: 光滑試件的疲勞強度" 缺口試樣的疲勞強度決定 "的最直接方法是進行疲勞試驗,顯然 "是大于 的系數,與試件尺寸、缺口小半徑、材料的晶粒度等相關。不同材料對缺口的敏感性不同,塑性較好的材料 "
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