疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度是指材料在交變載荷作用下抵抗破壞的能力。疲勞強(qiáng)度是材料抵抗疲勞破壞的重要指標(biāo)，在工程設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。課程大綱11.疲勞概論介紹疲勞的概念、分類、影響因素、研究意義等。22.疲勞分析基礎(chǔ)介紹應(yīng)力、應(yīng)力分類、應(yīng)力計(jì)算方法等基本概念。33.靜態(tài)載荷下的疲勞分析分析靜態(tài)載荷下的疲勞現(xiàn)象，包括理論公式、影響因素、實(shí)例分析等。44.動(dòng)態(tài)載荷下的疲勞分析分析動(dòng)態(tài)載荷下的疲勞現(xiàn)象，包括疲勞壽命估算、S-N曲線、應(yīng)力集中系數(shù)等。55.疲勞試驗(yàn)技術(shù)介紹常用的疲勞試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)方式、數(shù)據(jù)處理等。66.疲勞壽命預(yù)測(cè)介紹疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，包括經(jīng)驗(yàn)公式、有限元分析、疲勞試驗(yàn)結(jié)果等。77.疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)介紹疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，包括設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、優(yōu)化設(shè)計(jì)、案例分析等。88.課程小結(jié)回顧課程知識(shí)要點(diǎn)，并給出實(shí)際應(yīng)用建議。1.疲勞概論材料微觀結(jié)構(gòu)疲勞是指材料在反復(fù)荷載作用下，其強(qiáng)度逐漸降低直至斷裂的過(guò)程。這種現(xiàn)象與材料的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。結(jié)構(gòu)失效疲勞是導(dǎo)致許多結(jié)構(gòu)失效的主要原因，例如橋梁、飛機(jī)和機(jī)械設(shè)備的損壞。疲勞試驗(yàn)為了評(píng)估材料和結(jié)構(gòu)的疲勞性能，需要進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，以模擬實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的載荷條件。疲勞的定義疲勞是指材料或結(jié)構(gòu)在反復(fù)載荷作用下，即使載荷大小遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，也會(huì)逐漸產(chǎn)生細(xì)微裂紋，最終導(dǎo)致斷裂的現(xiàn)象。疲勞破壞是一種常見(jiàn)的失效形式，它發(fā)生在橋梁、飛機(jī)、汽車(chē)等多種工程結(jié)構(gòu)中。疲勞破壞的發(fā)生通常需要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間的反復(fù)載荷作用，它會(huì)逐漸累積損傷，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的突然失效。疲勞的種類高周疲勞應(yīng)力幅值較小，循環(huán)次數(shù)較多。通常發(fā)生在交變載荷作用下，例如發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、飛機(jī)機(jī)翼的反復(fù)彎曲。低周疲勞應(yīng)力幅值較大，循環(huán)次數(shù)較少。通常發(fā)生在塑性變形較大的情況下，例如焊接接頭的疲勞。疲勞造成的影響結(jié)構(gòu)破壞疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)完整性喪失，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。安全隱患疲勞破壞可能導(dǎo)致橋梁、飛機(jī)、機(jī)械等結(jié)構(gòu)的突然坍塌，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。經(jīng)濟(jì)損失疲勞破壞會(huì)導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)、維修成本增加，以及生產(chǎn)效率下降，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。社會(huì)影響疲勞破壞可能導(dǎo)致交通事故、工業(yè)事故等，對(duì)社會(huì)造成負(fù)面影響。2.疲勞分析基礎(chǔ)應(yīng)力的定義應(yīng)力是指物體內(nèi)部抵抗形變的能力。當(dāng)外力作用于物體時(shí)，物體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，它是材料抵抗外力作用所產(chǎn)生的內(nèi)力。應(yīng)力分類應(yīng)力可以分為正應(yīng)力和切應(yīng)力兩種。正應(yīng)力是指垂直于物體截面的力，而切應(yīng)力是指平行于物體截面的力。應(yīng)力計(jì)算方法應(yīng)力可以通過(guò)應(yīng)力公式進(jìn)行計(jì)算，該公式通常取決于外力的大小和物體的截面積。應(yīng)力的定義11.定義應(yīng)力是指物體內(nèi)部由于外力作用而產(chǎn)生的抵抗變形的能力。22.公式應(yīng)力等于外力作用在物體上的面積。33.單位應(yīng)力的單位是帕斯卡（Pa），1Pa等于1牛頓/平方米。44.影響應(yīng)力的影響因素包括外力的大小、方向和作用面積。應(yīng)力分類拉伸應(yīng)力材料受到拉伸力作用時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力。壓縮應(yīng)力材料受到壓縮力作用時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力。剪切應(yīng)力材料受到平行于表面力的作用時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力。彎曲應(yīng)力材料受到彎曲力作用時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力。應(yīng)力計(jì)算方法1應(yīng)力公式根據(jù)載荷和截面積計(jì)算2有限元分析數(shù)值模擬應(yīng)力分布3實(shí)驗(yàn)測(cè)試直接測(cè)量應(yīng)力值應(yīng)力計(jì)算方法多種多樣。常用方法包括根據(jù)載荷和截面積計(jì)算應(yīng)力，使用有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬以獲得應(yīng)力分布，以及通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試直接測(cè)量應(yīng)力值。選擇合適的計(jì)算方法取決于具體的應(yīng)用場(chǎng)景和要求。3.靜態(tài)載荷下的疲勞分析靜態(tài)載荷定義靜態(tài)載荷是指大小和方向保持不變的載荷。這種載荷會(huì)產(chǎn)生一個(gè)恒定的應(yīng)力狀態(tài)，但不會(huì)引起材料的循環(huán)應(yīng)力變化。疲勞失效模式在靜態(tài)載荷下，疲勞失效通常發(fā)生在應(yīng)力集中區(qū)域，例如孔洞、缺口或焊接接頭附近。應(yīng)力集中會(huì)導(dǎo)致材料的局部應(yīng)力大幅增加，從而導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。影響因素靜態(tài)載荷下的疲勞失效受多種因素影響，包括材料的強(qiáng)度、韌性、表面質(zhì)量、應(yīng)力集中程度、環(huán)境溫度和腐蝕性等。分析方法靜態(tài)載荷下的疲勞分析通?；谟邢拊治龌驊?yīng)力集中系數(shù)法，以預(yù)測(cè)材料的疲勞壽命和失效模式。理論公式疲勞強(qiáng)度計(jì)算的理論公式是基于材料的力學(xué)性能和應(yīng)力狀態(tài)的。最常用的公式之一是巴斯勒公式，該公式考慮了應(yīng)力幅值、應(yīng)力比和材料的疲勞強(qiáng)度極限。此外，還有其他理論公式，例如米勒公式和古德曼公式，它們分別考慮了應(yīng)力范圍和應(yīng)力集中因素的影響。這些公式可以用來(lái)預(yù)測(cè)材料在特定載荷條件下的疲勞壽命。影響因素材料強(qiáng)度材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度對(duì)疲勞強(qiáng)度有重要影響。強(qiáng)度越高，疲勞強(qiáng)度也越高。表面質(zhì)量表面缺陷如裂紋、劃痕、凹坑等會(huì)降低疲勞強(qiáng)度。表面處理如拋光、噴丸等可以提高疲勞強(qiáng)度。應(yīng)力集中應(yīng)力集中是指在結(jié)構(gòu)中應(yīng)力發(fā)生局部升高的現(xiàn)象。應(yīng)力集中會(huì)顯著降低疲勞強(qiáng)度。應(yīng)力集中可通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)、采用合理的連接方式等來(lái)避免或減輕。載荷類型載荷類型包括靜態(tài)載荷和動(dòng)態(tài)載荷。動(dòng)態(tài)載荷會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)生疲勞破壞，而靜態(tài)載荷則不會(huì)。動(dòng)態(tài)載荷的頻率和幅值也會(huì)影響疲勞強(qiáng)度。實(shí)例分析以汽車(chē)車(chē)軸為例，在靜態(tài)載荷下，分析其疲勞強(qiáng)度。車(chē)軸承受著車(chē)輛的重量，并承受著道路顛簸帶來(lái)的沖擊載荷。車(chē)軸的疲勞強(qiáng)度需要滿足一定的強(qiáng)度要求，以防止其在使用過(guò)程中發(fā)生疲勞斷裂。通過(guò)計(jì)算車(chē)軸的應(yīng)力，并與材料的疲勞強(qiáng)度極限進(jìn)行比較，可以判斷車(chē)軸的疲勞強(qiáng)度是否滿足要求。如果車(chē)軸的疲勞強(qiáng)度不滿足要求，可以通過(guò)改變材料、改變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方式進(jìn)行改進(jìn)，以提高車(chē)軸的疲勞強(qiáng)度。在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要結(jié)合具體的工況條件進(jìn)行分析，以確保車(chē)軸的可靠性。4.動(dòng)態(tài)載荷下的疲勞分析循環(huán)載荷動(dòng)態(tài)載荷通常指循環(huán)載荷，在疲勞分析中起關(guān)鍵作用。應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力循環(huán)是動(dòng)態(tài)載荷下材料經(jīng)歷的應(yīng)力變化過(guò)程，影響疲勞壽命。應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)幾何形狀變化可能導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，加速疲勞損傷。疲勞裂紋疲勞裂紋是動(dòng)態(tài)載荷下材料發(fā)生疲勞損傷的主要標(biāo)志。疲勞壽命估算疲勞壽命估算是在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，它可以預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)在一定載荷條件下的使用壽命，從而避免結(jié)構(gòu)過(guò)早失效。常見(jiàn)的疲勞壽命估算方法包括S-N曲線法、疲勞強(qiáng)度理論法以及有限元分析法等，每種方法都有其適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)。10^6循環(huán)次數(shù)通常情況下，疲勞壽命用循環(huán)次數(shù)表示，即結(jié)構(gòu)承受一定應(yīng)力水平下能夠承受的循環(huán)次數(shù)。10^7壽命壽命越長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)的可靠性越高，但設(shè)計(jì)成本也可能更高。10^8應(yīng)力應(yīng)力水平越低，疲勞壽命越長(zhǎng)，但應(yīng)力水平過(guò)低會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過(guò)度設(shè)計(jì)，浪費(fèi)材料。S-N曲線S-N曲線是疲勞分析的重要工具，它描述了材料在循環(huán)載荷作用下的疲勞壽命與應(yīng)力幅之間的關(guān)系。曲線橫坐標(biāo)代表應(yīng)力幅，縱坐標(biāo)代表疲勞壽命，曲線形態(tài)通常呈對(duì)數(shù)形式。S-N曲線能夠幫助工程師評(píng)估材料在不同載荷條件下的疲勞壽命，并進(jìn)行疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)。應(yīng)力集中系數(shù)應(yīng)力集中系數(shù)(Kt)表征應(yīng)力集中程度的無(wú)量綱系數(shù)。幾何形狀孔洞、缺口、圓角等幾何形狀會(huì)引起應(yīng)力集中。材料性質(zhì)材料的彈性模量、泊松比等影響應(yīng)力集中系數(shù)。載荷類型拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等載荷類型會(huì)影響應(yīng)力集中系數(shù)。應(yīng)力集中系數(shù)在疲勞分析中非常重要，它可以用來(lái)估計(jì)疲勞裂紋的萌生位置和壽命。5.疲勞試驗(yàn)技術(shù)試驗(yàn)設(shè)備疲勞試驗(yàn)需要專業(yè)的設(shè)備，包括疲勞試驗(yàn)機(jī)、傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。試驗(yàn)機(jī)用于施加循環(huán)載荷，傳感器用于測(cè)量應(yīng)力、應(yīng)變和位移等參數(shù)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于記錄和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)設(shè)備疲勞試驗(yàn)設(shè)備用于模擬實(shí)際工況下的各種復(fù)雜載荷，對(duì)材料或結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞性能測(cè)試。常見(jiàn)設(shè)備包括疲勞試驗(yàn)機(jī)、疲勞測(cè)試儀、疲勞壽命測(cè)試儀等。這些設(shè)備可以準(zhǔn)確地控制載荷類型、幅值、頻率、溫度等參數(shù)，并記錄試驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)方式11.循環(huán)加載試驗(yàn)施加周期性載荷，模擬實(shí)際工況下的載荷循環(huán)。22.應(yīng)力控制試驗(yàn)控制應(yīng)力幅值，觀察材料在不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命。33.應(yīng)變控制試驗(yàn)控制應(yīng)變幅值，考察材料在不同應(yīng)變水平下的疲勞性能。44.裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)研究裂紋在循環(huán)載荷作用下的擴(kuò)展速率。數(shù)據(jù)處理1數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)中采集數(shù)據(jù)。使用儀器采集數(shù)據(jù)，例如應(yīng)變儀、應(yīng)力儀等。2數(shù)據(jù)清洗剔除異常數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。用數(shù)據(jù)分析方法，例如離群點(diǎn)檢測(cè)，剔除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。3數(shù)據(jù)分析對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出結(jié)論。例如，使用S-N曲線分析材料疲勞壽命。6.疲勞壽命預(yù)測(cè)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析疲勞試驗(yàn)結(jié)果，建立材料疲勞特性曲線，并進(jìn)行預(yù)測(cè)。經(jīng)驗(yàn)公式根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式和材料特性，預(yù)測(cè)疲勞壽命。有限元分析使用有限元軟件模擬實(shí)際工況，預(yù)測(cè)疲勞壽命。經(jīng)驗(yàn)公式疲勞壽命預(yù)測(cè)常用的經(jīng)驗(yàn)公式，如Basquin公式、Coffin-Manson公式等，可以根據(jù)材料特性、載荷類型和應(yīng)力幅值等因素，預(yù)測(cè)材料的疲勞壽命。經(jīng)驗(yàn)公式是基于大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)出來(lái)的，但受材料特性、試驗(yàn)條件和實(shí)際應(yīng)用環(huán)境等因素的影響，預(yù)測(cè)結(jié)果存在一定的誤差，需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行修正。有限元分析網(wǎng)格劃分將復(fù)雜結(jié)構(gòu)離散成許多小的單元，每個(gè)單元具有特定的形狀和節(jié)點(diǎn)。單元類型根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何形狀和受力情況選擇合適的單元類型，如三角形、四邊形、三維體等。材料屬性定義每個(gè)單元的材料特性，如彈性模量、泊松比、密度等。邊界條件模擬結(jié)構(gòu)的實(shí)際約束和載荷，例如固定約束、力載荷、溫度載荷等。疲勞試驗(yàn)結(jié)果疲勞試驗(yàn)結(jié)果是評(píng)估材料或結(jié)構(gòu)疲勞壽命的關(guān)鍵信息。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可以確定材料的疲勞極限、S-N曲線以及其他重要的疲勞參數(shù)。這些信息對(duì)于預(yù)測(cè)材料或結(jié)構(gòu)的疲勞壽命、優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高可靠性至關(guān)重要。7.疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)需遵循特定的準(zhǔn)則，確保結(jié)構(gòu)在預(yù)期的使用壽命內(nèi)不會(huì)因疲勞失效。優(yōu)化設(shè)計(jì)通過(guò)合理的材料選擇、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以及疲勞分析軟件的使用，可以有效提高結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。案例分析通過(guò)實(shí)際案例的分析，可以深入理解疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)的重要性，并積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)。設(shè)計(jì)準(zhǔn)則安全系數(shù)疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)應(yīng)考慮安全系數(shù)，確保結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用過(guò)程中能夠承受預(yù)期的載荷，避免因疲勞失效而導(dǎo)致事故。疲勞壽命根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和要求，制定合理的疲勞壽命目標(biāo)，確保結(jié)構(gòu)能夠滿足預(yù)期的使用壽命，避免因疲勞破壞而提前報(bào)廢。材料選擇選擇具有良好疲勞性能的材料，例如高強(qiáng)度鋼、鋁合金等，能夠提高結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)使用壽命。結(jié)構(gòu)優(yōu)化通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減小應(yīng)力集中，提高結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能，例如采用圓角、過(guò)渡曲線等設(shè)計(jì)方式，避免應(yīng)力集中。優(yōu)化設(shè)計(jì)11.結(jié)構(gòu)優(yōu)化通過(guò)改變材料、形狀和尺寸來(lái)提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和壽命。22.過(guò)程優(yōu)化優(yōu)化制造工藝、降低成本、提高效率。33.材料選擇選擇更適合的材料，提高疲勞性能，降低成本。44.負(fù)載優(yōu)化合理控制負(fù)載，降低應(yīng)力集中，延長(zhǎng)疲勞壽命。案例分析汽車(chē)車(chē)身疲勞問(wèn)題是常見(jiàn)的工程案例。車(chē)身在行駛過(guò)程中會(huì)受到各種動(dòng)態(tài)載荷的影響，例如路面顛簸、剎車(chē)制動(dòng)等。這些載荷會(huì)導(dǎo)致車(chē)身產(chǎn)生疲勞裂紋，進(jìn)而影響車(chē)輛的安全性。課程小結(jié)本課程介紹了疲勞強(qiáng)度理論、分析方法和設(shè)計(jì)應(yīng)用。學(xué)習(xí)疲勞強(qiáng)度對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)、材料科學(xué)和