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1、.第3章疲勞載荷及分析理論13.1疲勞載荷譜13.1.1疲勞載荷譜及其編譜13.1.2統(tǒng)計分析方法23.2疲勞累積損傷理論33.2.1概述33.2.2線性累積損傷理論43.3起重機疲勞計算常用方法53.3.1應(yīng)力比法63.3.2應(yīng)力幅法63.4疲勞壽命設(shè)計方法73.4.1無限壽命設(shè)計73.4.2安全壽命設(shè)計83.4.3損傷容限設(shè)計83.4.4概率疲勞設(shè)計93.4小結(jié)10第3章疲勞載荷及分析理論疲勞載荷譜(fatigueloadspectrum)是建立疲勞設(shè)計方法的基礎(chǔ)。根據(jù)研究對象的不同，施加在對象上的疲勞載荷也是不同的，所以在應(yīng)用時要依據(jù)某種統(tǒng)計分析方法和理論進行分析。3.1疲勞載荷譜3.
2、1.1疲勞載荷譜及其編譜載荷分為靜載荷和動載荷兩大類。動載荷又分為周期載荷、非周期載荷和沖擊載荷。周期載荷和非周期載荷可統(tǒng)稱為疲勞載荷。在很多情況下，作用在結(jié)構(gòu)或機械上的載荷是隨時間變化的，這種加載過程稱為載荷—時間歷程。由于隨機載荷的不確定性，這種譜無法直接使用，必須對其進行統(tǒng)計處理。處理..后的載荷—時間—歷程稱為載荷譜。載荷譜是具有統(tǒng)計特性的圖形，它能本質(zhì)地反映零件的載荷變化情況[]。為了估算結(jié)構(gòu)的使用壽命和進行疲勞可靠性分析，以及為最后設(shè)計階段所必需的全尺寸結(jié)構(gòu)和零部件疲勞試驗，都必須有反映真實工作狀態(tài)的疲勞載荷譜。實測的應(yīng)力—時間歷程包含了外加載荷和結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)的影響，它不僅受結(jié)
3、構(gòu)系統(tǒng)的影響，而且也受應(yīng)力—時間歷程的觀測部位的影響。將實測的載荷—時間歷程處理成具有代表性的典型載荷譜的過程稱為編譜。編譜的重要一環(huán)，是用統(tǒng)計理論來處理所獲得的實測子樣[]。3.1.2統(tǒng)計分析方法對于隨機載荷，統(tǒng)計分析方法主要有兩類：計數(shù)法和功率譜法[]。由于產(chǎn)生疲勞損傷的主要原因是循環(huán)次數(shù)和應(yīng)力幅值，因此在編譜時首先必須遵循某一等效損傷原則，將隨機的應(yīng)力—時間歷程簡化為一系列不同幅值的全循環(huán)和半循環(huán)，這一簡化的過程叫做計數(shù)法。功率譜法是借助富氏變換，將連續(xù)變化的隨機載荷分解為無限多個具有各種頻率的簡單變化，得出功率譜密度函數(shù)。在抗疲勞設(shè)計中廣泛使用計數(shù)法。目前，已有的計算法有十余種之多，
4、同一應(yīng)力—時間歷程用不同計數(shù)法編制出的載荷譜有時會差別很大。當然，按照這些載荷譜來進行壽命估算或試驗，也會給出不同的結(jié)果。從統(tǒng)計觀點上看，計數(shù)法大體分為兩類：單參數(shù)法和雙參數(shù)法[]。所謂單參數(shù)法是指只考慮應(yīng)力循環(huán)中的一個變量，例如，峰谷值、變程（相鄰的峰值與谷值之差），而雙參數(shù)法則同時考慮兩個變量。由于交變載荷本身固有的特性，對任一應(yīng)力循環(huán)，總需要用兩個參數(shù)來表示。其代表是雨流計數(shù)法。雨流計數(shù)法是目前在疲勞設(shè)計和疲勞試驗中用的最廣泛的一種計數(shù)方法，是對隨機信號進行計數(shù)的一種方法的一種。雨流計數(shù)法與變程對—均值計數(shù)法一樣具有比較嚴格的力學(xué)基礎(chǔ)，計數(shù)結(jié)果介于峰值法和變程法之間，提供比較符合實際的
5、數(shù)據(jù)。雨流法是建立在對封閉的應(yīng)力—應(yīng)變遲滯回線逐個計數(shù)的基礎(chǔ)上，它認為塑性的存在是疲勞損傷的必要條件，從疲勞觀點上看它比較能夠反映隨機載荷的全過程。由載荷—時間歷程得到的應(yīng)力—應(yīng)變遲滯回線與造成的疲勞損傷是等效的[]。..應(yīng)該指出，所有現(xiàn)行計數(shù)法均未記及載荷循環(huán)先后次序的信息資料。因為載荷先后次序的影響總是存在的，但如果將簡化后的程序載荷譜的周期取短一些，則載荷先后次序的影響會減小至最小程度，這點已被荷蘭國家宇航實驗室的試驗結(jié)果證實[]。3.2疲勞累積損傷理論3.2.1概述在疲勞研究過程中，人們早就提出了“損傷”這一概念。所謂損傷，是指在疲勞過程中初期材料內(nèi)的細微結(jié)構(gòu)變化和后期裂紋的形成和擴
6、展[]。累積損傷規(guī)律是疲勞研究中最重要的課題之一，它是估算變幅載荷作用下結(jié)構(gòu)和零件疲勞壽命的基礎(chǔ)。大多數(shù)結(jié)構(gòu)和零件所受循環(huán)載荷的幅值都是變化的，也就是說，大多數(shù)結(jié)構(gòu)和零件都是在變幅載荷下工作的。變幅載荷下的疲勞破壞，是不同頻率和幅值的載荷所造成的損傷逐漸累積的結(jié)果。因此，疲勞累積損傷是有限壽命設(shè)計的核心問題。當材料承受高于疲勞極限的應(yīng)力時，每一個循環(huán)都使材料產(chǎn)生一定的損傷，每一個循環(huán)所造成的平均損傷為。這種損傷是可以積累的，次恒幅載荷所造成的損傷等于其循環(huán)比。變幅載荷的損傷等于其循環(huán)比之和，即，其中:-----變幅載荷的應(yīng)力水平等級----第級載荷的循環(huán)次數(shù)----第級載荷下的疲勞壽命當損傷
7、積累到了臨界值時，即時，就發(fā)生疲勞破壞。為臨界損傷和，簡稱損傷和。..不同研究者根據(jù)他們對損傷累積方式的不同假設(shè)，提出了不同的疲勞累積損傷理論(fatiguedamagecumulativerules)。到現(xiàn)在，已經(jīng)提出的疲勞累積損傷理論不下數(shù)十種。這些理論歸納起來大致可以分為以下四大類[18]：（1）線性疲勞累積損傷理論：這種理論假定材料各個應(yīng)力水平下的疲勞損傷是獨立進行的，總損傷可以線性疊加。最具有代表性
