它是表征恒幅疲劳循环载荷的一个特征量,当 ( ,-时,称为对称循环;当 (2时称为脉动载荷;当 为任意值时就称为非对称循环。
描述疲劳载荷系列可选用这 3个参数中的任意两个(这 3个参数仅有 *个是独立的)来表征。如前所述,对一个疲劳载荷系列(历程)影响结构疲劳性能的主要因素是峰值、谷值的大小及其顺序、数量,而与这些载荷的变化快慢无关。因此一个疲劳载荷系列只要说明其峰、谷值大小及作用次数即可。
*4 5—6曲线和疲劳极限
为了估算结构危险部位的安全寿命,需要利用构件或材料的疲劳寿命曲线,它由试验得到。根据寿命估算方法的不同,获取疲劳寿命曲线的试验安排及试件的类型也不同。对于应力水平较低的材料疲劳试验(称高周应力疲劳),用标准的光滑试件获得 5—6曲线。 5代表循环应力的幅值 5或最大值 5"%,6代表到断裂时的循环周数。通常在一定频率、振幅和一定的应力比下进行试验,获得断裂时的疲劳总循环周数,
对构件的疲劳试验,一般采用带孔构件或缺口构件(有各种应力集中系数)进行疲劳试验。
工程上常以 -76为横坐标的半对数坐标系来描绘这些曲线,这些曲线是通过对试验数据的经验拟合而获得的,在中等寿命段(-2* 86 8-2.),工程上常采用幂指函数关系来量化描述这些曲线,如:
指数函数 69 (:(* ,+ ,-;)幂函数 56 (:(* ,+ ,*2)公式中的参数 ,和 :都可通过线性回归的统计方法来获取。对上述公式的变形(取常用对数)可以发现, 5,6曲线在半对数或双对数坐标系中近似于一条直线。从 * ,+ ,<中都可以看出,疲劳循环的周数 6随 5的下降而迅速增加(呈幂指关 •*20•
图 ""% &"’铝合金带孔板 ( )*&时的 +—,曲线(-(./*0* 123456)
图 " "% 78 "钢材(棒料)光滑试件的 +",曲线
系),但当 +下降到某一量值时,周数 ,似乎有无限寿命,这个应力水平 +一般称为疲
劳极限,当 9) "-时,此疲劳极限用符号 "-表示。铝合金等没有明显的疲劳极
限,此时一般以 , )-&:或 -&:以上对应的 +值作为其条件疲劳极限或称为疲劳强度。
疲劳极限与材料的静强度值大致有以下关系:普通钢材 "-*(&*3 ;&*0)<,高强
-*
度铝合金 " (&* ;&*)<,其他铝合金 "-*(&* ;&*0)<。图 " "给出了高强度钢 78 "光滑试件的 +",曲线,图中的黑点表示试 •&1•
验数据,黑点加箭头表示试验数据大于对应的循环,周数。从图中可以看出,同一应力水平 下,实际的试件疲劳破坏周数有较大的分散性,而且随应力水平的降低,分散性更大。对中等寿命段,工程上常用对数正态分布来描述某一应力水平 下的分散性,即概率密度函数为
% *%+ *
(")
&"’(){ &"&} (& *, *&%)
式中-—
—位置参数;
"———尺度参数。
为获得不同应力水平下疲劳破坏的分散性,试验标准中规定在中等寿命段采用 . /0个应力水平,每一应力水平下取大于 0个的试样数进行疲劳试验,再通过获得的试验数据进行分布参数估计,即可获得其分散性的经验规律;通过线性回归即可获得 0—1曲线。应当注意的是:通常线性回归方法获得的 —1曲线是中值寿命曲线,其概率意义是指 023的存活率曲线,即曲线上的一个点代表着对应该应力水平下,试样的断裂数为 023。这样的 —1曲线在工程上使用是危险的。因此,工程应用中常采用高存活率户的 —1曲线,如存活率 4 523,503,553等。这样的 —1曲线通常称为 4**1曲线。有了试验数据,获得 4**1曲线是非常容易的,有兴趣的读者可参阅有关资料中介绍的统计处理方法。
.6疲劳性能的若干影响因素
(%)疲劳载荷特征的影响。对于一定的平均应力水平 7,振幅 8越大,寿命 1就越短,这是一条 *1曲线描述的基本事实。振幅大即意味着材料经受的高应力值多,因此,更容易疲劳破坏。当振幅 8一定时,循环比 9的变化即意味着平均应力水平 7的变化,当 9增大时,寿命 1越短,其原因与前者相同。给定不同的 8值,变化循环比 9(或 7),我们可获得一族 *1曲线。当 78(值一定时,9值变化意味着振幅 8和 7的变化,9值增大即 8减小、7增大,显然 9值越小,寿命 1越短。
(&)应力集中的影响。在实际结构中,由于构造上的需要,许多零构件不可避免地存在截面的突变,如沟槽、孔以及轴肩等。在外力作用下,这些截面突变的局部区域应力会急剧增加,离开这个区域稍远处,应力就大大降低。这种应力局部增大的现象,称为应力集中。
应力集中对疲劳性能有着重要的影响,会使构件的疲劳强度大大降低,大量的试验研究和许多疲劳破坏事故的调查都表明,疲劳源总是出现在孔边等应力集中的地方。实际上,在影响疲劳性能的诸因素中,应力集中是一个最直接的主导因素,即使是光滑的材料试样,由于材料内部组织的不均匀性或亚微观缺陷(气孔、夹杂等)的存在,也会导致微观上的应力集中,此时即使光滑的材料试样,也会在内部产生疲劳裂纹。实践证明,为避免或减缓应力集中对疲劳性能的影响,必须充分重视受力构件的
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第二篇 /现代飞机结构综合设计
细节设计与加工制作。应力集中对疲劳性能有显著影响,但其影响程度并不直接由理论应力集中系数所决定,而是由所谓的“有效应力集中系数” "来决定。 "的定义为: 光滑试件的疲劳强度" 缺口试样的疲劳强度决定 "的最直接方法是进行疲劳试验,显然 "是大于 的系数,与试件尺寸、缺口小半径、材料的晶粒度等相关。不同材料对缺口的敏感性不同,塑性较好的材料 "
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