船舶疲勞課件.ppt

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1、第一章緒論第一節(jié)什么是疲勞？1現(xiàn)象：鐵絲反復(fù)折斷2定義：美國試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)（ASTM）在“疲勞試驗(yàn)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析之有關(guān)術(shù)語的標(biāo)準(zhǔn)定義”（ASTME206-72）中規(guī)定：在某點(diǎn)或某些點(diǎn)承受交變應(yīng)力且在足夠多的循環(huán)擾動(dòng)作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中發(fā)生的局部的永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過程，稱為疲勞。3疲勞問題的特點(diǎn)Ⅰ只有在承受交變應(yīng)力作用的條件下，疲勞才會(huì)發(fā)生。隨時(shí)間交替變化的應(yīng)力，也可稱為擾動(dòng)載荷。變化可以是有規(guī)則的，也可以是不規(guī)則的，甚至是隨機(jī)的。Ⅱ疲勞破壞起源于高應(yīng)力或高應(yīng)變的，一般是幾何形狀變化或材料缺陷等引起應(yīng)力

2、集中的局部細(xì)節(jié)；Ⅲ疲勞破壞是在足夠多次的交變載荷作用后，形成裂紋或完全斷裂的現(xiàn)象。Ⅳ疲勞是一個(gè)發(fā)展的過程。劃分成三個(gè)階段：裂紋萌生（起始）擴(kuò)展斷裂注：在疲勞分析中經(jīng)常用到的參數(shù)應(yīng)力范圍：應(yīng)力幅值：平均應(yīng)力：應(yīng)力比：反映循環(huán)特性當(dāng)時(shí)，對稱循環(huán)當(dāng)時(shí)，脈動(dòng)循環(huán)當(dāng)時(shí)，靜載荷4疲勞研究的目的1）疲勞壽命：從結(jié)構(gòu)開始使用到裂紋萌生，擴(kuò)展并最后斷裂，這個(gè)過程所經(jīng)歷的時(shí)間或交變載荷作用次數(shù)，稱為“壽命”。它取決于載荷水平作用次數(shù)或時(shí)間及原材料抵抗疲勞破壞的能力。2）目的：研究壽命預(yù)報(bào)的方法Ntotal=Ninitiation+Npr

3、opagationNinitiation：起始壽命，由應(yīng)力－壽命關(guān)系，應(yīng)變－壽命關(guān)系Npropagation：擴(kuò)展壽命，由斷裂力學(xué)方法第二節(jié)疲勞破壞機(jī)理1斷口的宏觀特征<1>有裂紋源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后斷裂區(qū)三個(gè)部分；<2>裂紋擴(kuò)展區(qū)斷面較光滑、平整，通常可見“海灘條帶”，有腐蝕痕跡；<3>裂紋源通常在高應(yīng)力局部或材料缺陷處；<4>與靜載破壞相比,即使是延性材料也沒有的明顯的塑性變形；<5>工程實(shí)際中的表面裂紋一般稱半橢圓形。2疲勞裂紋萌生機(jī)理金屬大多是多晶體，各晶粒有各自不同的排列方位。在高應(yīng)力作用下，材料晶粒中

4、易滑移平面的方位若與最大作用剪應(yīng)力一致，則將發(fā)生滑移?；瓶梢栽趩握{(diào)載荷下發(fā)生，也可以在循環(huán)載荷下發(fā)生。在較大載荷作用下發(fā)生粗滑移和在較小的循環(huán)載荷作用下發(fā)生細(xì)滑移。在循環(huán)載荷作用下，材料表面發(fā)生滑移帶“擠出”和“凹入”，進(jìn)一步形成應(yīng)力集中，導(dǎo)致微裂紋產(chǎn)生。應(yīng)當(dāng)注意，滑移主要是在晶粒內(nèi)進(jìn)行的。深度大于幾個(gè)微米的少數(shù)幾條滑移帶穿過晶粒，稱為“持久滑移帶”，微裂紋正是由這些持久滑移帶發(fā)展而成的?；茙У陌l(fā)展過程與施加的載荷及循環(huán)次數(shù)有關(guān)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，滑移線越來越密集，越來越粗。3疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)理疲勞裂紋在高應(yīng)力處

5、由持久滑移帶萌生，是由最大剪應(yīng)力控制的。形成的微裂紋與最大剪應(yīng)力方向一致。在循環(huán)載荷作用下，由持久滑移帶形成的微裂紋沿45度最大剪應(yīng)力作用面繼續(xù)擴(kuò)展或相互連接。此后，有少數(shù)幾條裂紋達(dá)到幾十微米的長度，逐步匯聚成一條主裂紋，并由沿最大剪應(yīng)力面擴(kuò)展逐步轉(zhuǎn)向沿垂直于載荷作用線的最大拉應(yīng)力面擴(kuò)展。裂紋沿45度最大剪應(yīng)力面的擴(kuò)展是第1階段的擴(kuò)展，在最大拉應(yīng)力面內(nèi)的擴(kuò)展是第2階段的擴(kuò)展。從第1階段向第2階段轉(zhuǎn)變所對應(yīng)的裂紋尺寸主要取決于材料和作用應(yīng)力的大小，但通常都在0.05mm內(nèi)，只有幾個(gè)晶粒的尺寸。第1階段裂紋擴(kuò)展的尺寸雖小

6、，對壽命的貢獻(xiàn)卻很大，對于高強(qiáng)度材料，尤其如此。與第1階段相比，第2階段的裂紋擴(kuò)展較便于觀察。Laird直接觀察了循環(huán)應(yīng)力作用下延性材料中裂紋尖端幾何形狀的改變，提出了描述疲勞裂紋擴(kuò)展的“塑性鈍化模型”，如圖所示。（a）給出了循環(huán)開始時(shí)的裂紋尖端形狀；隨著循環(huán)應(yīng)力的增加，裂紋逐步張開，裂尖材料由于應(yīng)力集中而沿最大剪應(yīng)力方向滑移（b）；應(yīng)力進(jìn)一步增大，裂紋充分張開，裂尖鈍化成半圓形，開創(chuàng)出新的表面（c）；卸載時(shí)已張開的裂紋要收縮，但新開創(chuàng)的裂紋面卻不能消失，將在卸載引入的壓應(yīng)力作用下失穩(wěn)而在裂紋尖端形成凹槽形（d）；最

7、后，在最大循環(huán)壓應(yīng)力作用下，又成為尖裂紋，但其長度已增加了一個(gè)小長度（e）。下一個(gè)循環(huán)，裂紋又張開、鈍化、擴(kuò)展、銳化，重復(fù)上述過程。這樣，每一個(gè)應(yīng)力循環(huán)，將在裂紋面上留下一條痕跡。第三節(jié)疲勞斷裂研究方法疲勞斷裂問題需要研究載荷譜、裂紋萌生及擴(kuò)展規(guī)律、構(gòu)件細(xì)節(jié)應(yīng)力分析，疲勞壽命預(yù)測和抗疲勞設(shè)計(jì)方法，等等。一方面，由于涉及因素多，問題復(fù)雜，難以找到解析的、普遍的壽命預(yù)報(bào)方法；另一方面，工程應(yīng)用的需求迫切。因此，研究問題時(shí)必須抓住主要因素，建立簡化模型，逐步深化認(rèn)識。例如，對于載荷譜，先研究恒幅循環(huán)載荷的最簡單情況，再考慮

8、變幅載荷下的累積損傷，最后考慮隨機(jī)載荷。對于裂紋萌生及擴(kuò)展規(guī)律，則先研究不含有缺陷的光滑材料在恒幅循環(huán)載荷作用下的裂紋萌生規(guī)律，給出應(yīng)力-壽命、應(yīng)變-壽命以及不引發(fā)裂紋的疲勞極限等的基本關(guān)系，在討論應(yīng)用于構(gòu)件時(shí)所需要進(jìn)行的必要的修正，建立裂紋萌生壽命估算方法，滿足無限壽命設(shè)計(jì)、安全壽命設(shè)計(jì)的要求。再討論含有裂紋材料的斷裂和疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律，研究