力學(xué)競(jìng)賽-第十二章交變應(yīng)力目錄contents交變應(yīng)力基本概念材料在交變應(yīng)力下的行為交變應(yīng)力下的疲勞強(qiáng)度疲勞裂紋擴(kuò)展與斷裂機(jī)理實(shí)驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)處理技巧工程應(yīng)用與案例分析01交變應(yīng)力基本概念定義與特點(diǎn)定義交變應(yīng)力是指隨時(shí)間作周期性變化的應(yīng)力，也稱為循環(huán)應(yīng)力。特點(diǎn)交變應(yīng)力的最大值和最小值不斷交替出現(xiàn)，且通常具有一定的規(guī)律性。機(jī)械振動(dòng)機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)是交變應(yīng)力的主要來(lái)源之一。熱應(yīng)力物體內(nèi)部或表面溫度的變化會(huì)引起熱脹冷縮現(xiàn)象，從而產(chǎn)生交變應(yīng)力。電磁力電磁場(chǎng)中的導(dǎo)體受到洛倫茲力的作用，當(dāng)電磁場(chǎng)變化時(shí)，導(dǎo)體會(huì)受到交變的電磁力作用。交變應(yīng)力產(chǎn)生原因交變應(yīng)力的最大值與最小值之差的一半，反映了應(yīng)力的波動(dòng)范圍。應(yīng)力幅交變應(yīng)力在一個(gè)周期內(nèi)的平均值，反映了應(yīng)力的平均水平。應(yīng)力均值單位時(shí)間內(nèi)交變應(yīng)力變化的次數(shù)，反映了應(yīng)力的變化速度。應(yīng)力頻率交變應(yīng)力的波形可以是正弦波、余弦波等，不同波形具有不同的特點(diǎn)；相位則反映了不同交變應(yīng)力之間的相對(duì)位置關(guān)系。波形與相位周期性變化規(guī)律02材料在交變應(yīng)力下的行為123在交變應(yīng)力的作用下，材料首先經(jīng)歷彈性變形階段。在此階段，材料的應(yīng)變與應(yīng)力成正比，符合胡克定律。當(dāng)交變應(yīng)力去除后，材料的變形完全恢復(fù)，沒(méi)有殘余變形。彈性變形階段塑性變形階段01隨著交變應(yīng)力的繼續(xù)作用，材料進(jìn)入塑性變形階段。02在此階段，材料的應(yīng)變不再與應(yīng)力成正比，出現(xiàn)不可恢復(fù)的塑性變形。塑性變形逐漸累積，導(dǎo)致材料產(chǎn)生疲勞損傷。03010203在交變應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下，材料最終進(jìn)入疲勞斷裂階段。在此階段，材料內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，并逐漸擴(kuò)展直至斷裂。疲勞斷裂是交變應(yīng)力下材料失效的主要形式，具有突發(fā)性和危險(xiǎn)性。疲勞斷裂階段03交變應(yīng)力下的疲勞強(qiáng)度疲勞極限是指材料在交變應(yīng)力作用下，經(jīng)過(guò)無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生破壞的最大應(yīng)力值。它是衡量材料疲勞性能的重要指標(biāo)。疲勞極限概念疲勞極限的測(cè)定通常采用疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。在試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)試樣施加交變應(yīng)力，記錄試樣在不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命，通過(guò)數(shù)據(jù)分析確定疲勞極限。測(cè)定方法疲勞極限概念及測(cè)定方法應(yīng)力集中表面狀態(tài)加載頻率溫度和環(huán)境影響疲勞強(qiáng)度因素分析構(gòu)件表面的粗糙度、氧化、腐蝕等因素會(huì)影響疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，進(jìn)而影響疲勞強(qiáng)度。交變應(yīng)力的加載頻率對(duì)疲勞強(qiáng)度也有影響。一般來(lái)說(shuō)，加載頻率越高，材料的疲勞強(qiáng)度越低。高溫、低溫以及腐蝕性環(huán)境都會(huì)對(duì)材料的疲勞性能產(chǎn)生不利影響。構(gòu)件的幾何形狀突變、缺口、裂紋等因素會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，使局部應(yīng)力增大，從而降低疲勞強(qiáng)度。ABCD降低應(yīng)力集中通過(guò)改進(jìn)構(gòu)件的幾何形狀、提高表面光潔度等措施，可以降低應(yīng)力集中，提高疲勞強(qiáng)度。選擇高強(qiáng)度材料選用具有較高疲勞強(qiáng)度的材料，如合金鋼、鈦合金等，可以提高構(gòu)件的疲勞性能?？刂萍虞d頻率和幅度在設(shè)計(jì)和使用過(guò)程中，合理控制交變應(yīng)力的加載頻率和幅度，避免過(guò)高的應(yīng)力水平，有助于提高疲勞強(qiáng)度。表面強(qiáng)化處理采用噴丸、滾壓等表面強(qiáng)化處理方法，可以提高構(gòu)件表面的殘余壓應(yīng)力，從而提高疲勞強(qiáng)度。提高疲勞強(qiáng)度措施04疲勞裂紋擴(kuò)展與斷裂機(jī)理在交變應(yīng)力作用下，材料內(nèi)部或表面的缺陷處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)材料的疲勞極限時(shí)，裂紋開(kāi)始萌生。一旦裂紋萌生，交變應(yīng)力的繼續(xù)作用會(huì)使裂紋逐漸擴(kuò)展。擴(kuò)展速率受到應(yīng)力幅、平均應(yīng)力、材料性能、環(huán)境等因素的影響。疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展過(guò)程疲勞裂紋擴(kuò)展疲勞裂紋萌生斷裂力學(xué)基本概念01斷裂力學(xué)是研究含裂紋體在載荷作用下的裂紋擴(kuò)展、失穩(wěn)斷裂及止裂的學(xué)科。它提供了定量描述裂紋擴(kuò)展和斷裂行為的方法。應(yīng)力強(qiáng)度因子與裂紋擴(kuò)展速率02應(yīng)力強(qiáng)度因子是描述裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)弱的參量，它與裂紋長(zhǎng)度、形狀和載荷有關(guān)。裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍之間存在冪律關(guān)系。斷裂韌性測(cè)試與評(píng)估03斷裂韌性是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力，可通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定。對(duì)于工程結(jié)構(gòu)，需要評(píng)估其斷裂韌性以確保安全。斷裂力學(xué)在疲勞裂紋擴(kuò)展中應(yīng)用疲勞源區(qū)是裂紋萌生的地方，通常位于構(gòu)件表面或內(nèi)部缺陷處。該區(qū)域呈現(xiàn)光滑、細(xì)密的紋理，有時(shí)可見(jiàn)放射狀或人字紋。疲勞源區(qū)特征疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)呈現(xiàn)出明顯的疲勞條帶或疲勞輝紋，這是交變應(yīng)力作用下裂紋反復(fù)張開(kāi)和閉合的結(jié)果。條帶間距與應(yīng)力幅和循環(huán)次數(shù)有關(guān)。疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)特征瞬斷區(qū)是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展至斷裂的地方，呈現(xiàn)粗糙、顆粒狀的形貌。該區(qū)域面積較小，通常位于斷口的邊緣。瞬斷區(qū)特征疲勞斷口形貌特征分析05實(shí)驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)處理技巧電測(cè)法利用電阻應(yīng)變片等電測(cè)元件測(cè)量交變應(yīng)力。具有測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快、可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，適用于對(duì)高精度和動(dòng)態(tài)應(yīng)力的測(cè)量。光測(cè)法如光彈性法和云紋法等，通過(guò)光學(xué)原理測(cè)量應(yīng)力分布。具有直觀、非接觸式測(cè)量的特點(diǎn)，適用于復(fù)雜形狀和邊界條件的應(yīng)力分析。選擇依據(jù)根據(jù)實(shí)際需求和實(shí)驗(yàn)條件，綜合考慮測(cè)量精度、響應(yīng)速度、設(shè)備成本等因素選擇合適的實(shí)驗(yàn)方法。實(shí)驗(yàn)方法介紹及選擇依據(jù)03數(shù)據(jù)分析與挖掘運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析、時(shí)頻分析等方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，挖掘數(shù)據(jù)背后的規(guī)律和特征。01數(shù)據(jù)平滑處理采用移動(dòng)平均法、指數(shù)平滑法等對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，以消除隨機(jī)誤差，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。02數(shù)據(jù)插值與擬合利用插值法或擬合函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以獲得更精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和更好的數(shù)據(jù)可視化效果。數(shù)據(jù)處理技巧分享系統(tǒng)誤差如設(shè)備精度、環(huán)境因素等引起的誤差。隨機(jī)誤差如測(cè)量過(guò)程中的隨機(jī)波動(dòng)、電磁干擾等引起的誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差來(lái)源及減小方法02030401實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差來(lái)源及減小方法減小方法對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期校準(zhǔn)和維護(hù)，確保設(shè)備精度和穩(wěn)定性。采用合適的實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理技巧，以減小誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，以獲得更可靠和準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。06工程應(yīng)用與案例分析橋梁在車輛、風(fēng)、地震等作用下產(chǎn)生的振動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致交變應(yīng)力的產(chǎn)生，進(jìn)而影響橋梁的結(jié)構(gòu)安全和使用壽命。橋梁振動(dòng)高層建筑在風(fēng)的作用下會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這種振動(dòng)會(huì)引起交變應(yīng)力，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成不利影響。高層建筑風(fēng)振飛機(jī)在飛行過(guò)程中，機(jī)翼會(huì)受到氣動(dòng)力的作用而產(chǎn)生顫振，這種顫振會(huì)導(dǎo)致交變應(yīng)力的產(chǎn)生，對(duì)機(jī)翼結(jié)構(gòu)造成破壞。飛機(jī)機(jī)翼顫振工程結(jié)構(gòu)中的交變應(yīng)力問(wèn)題塔科馬大橋風(fēng)毀事件塔科馬大橋是一座懸索橋，在建成通車后不久就因風(fēng)振引起的交變應(yīng)力而崩塌。該事件揭示了橋梁設(shè)計(jì)中對(duì)風(fēng)振和交變應(yīng)力問(wèn)題的忽視，促使工程師們更加重視這些問(wèn)題。臺(tái)北101大廈風(fēng)振控制臺(tái)北101大廈是一座超高層建筑，在設(shè)計(jì)中充分考慮了風(fēng)振引起的交變應(yīng)力問(wèn)題。通過(guò)采用阻尼器、調(diào)諧質(zhì)量阻尼器等控制技術(shù)，有效地減小了風(fēng)振對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響。飛機(jī)機(jī)翼顫振控制飛機(jī)機(jī)翼顫振是一種危險(xiǎn)的交變應(yīng)力現(xiàn)象?，F(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)中采用了主動(dòng)控制技術(shù)，如壓電作動(dòng)器等，對(duì)機(jī)翼顫振進(jìn)行主動(dòng)抑制，提高了飛機(jī)的飛行安全性。典型案例剖析與啟示結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用隨著結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，未來(lái)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工程結(jié)構(gòu)中的交變應(yīng)力狀態(tài)，為結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估和維修決策提供科學(xué)依據(jù)。新型材料的應(yīng)用新型材料如碳纖維復(fù)合材料等具有