某起重设备疲劳评估
金属机械失效模式
机械失效包含了复杂的相互作用的负荷，时间和环境（即温度和腐蚀）
过度变形
韧性断裂
脆性断裂
冲击变形或断裂
蠕变
松弛
热冲击
屈曲
腐蚀，应力腐蚀开裂
疲劳
影响最大的失效例子第十九世纪铁路行业的重复应力失效。
“疲劳”一词是用来描述发生重复应力的失效。
德国沃勒 (August Wöhler )进行了许多铁路疲劳试验
这是第一次系统的对疲劳的调查
应力大小范围比最大应力更为重要
疲劳失效的定义是：在反复交变循环应力下的累积的脆性开裂或强度大大低于正常强度下的材料断裂的倾向。
许多书籍和文章写到，机械故障中50%-90%是疲劳失效。
大多数的疲劳失效都是突发故障。
为了避免不同的疲劳失效，在设计阶段就要考虑设计与制造过程中的情况作为一个基本要求。
疲劳荷载
加载的历史可以简单重复的，也可能是完全随机的，可以有恒定的或可变的振幅。
疲劳荷载-恒定应力幅
应力可以被替换为力矩，应力，应变，挠度和强度因子
结构疲劳强度和寿命评估方法
基于累积损伤理论的力学方法
1、应力寿命法
2、应变寿命法
累积损伤理论
基本假设：在任何循环应力(应变)下，结构都会产生疲劳损伤。损伤的严重程度和在该应力(应变)幅值下的循环数有关系。每个应力(应变)幅值下产生的损伤是永久性的，并且在不同应力(应变)幅值下循环所产生的损伤累积等于在每一应力(应变)幅值下产生损伤之和。当累积总损伤达到临界值就会产生疲劳失效。
累积损伤模型 Palmgren-Miner公式
循环计数方法
循环计数方法的目的是将实测荷载历史简化为等效的由恒幅荷载组成的荷载谱
ASTM(国际材料试验协会)推荐方法
雨流计数法
雨流计数(日本Matsuishi和Endo1968年提出)：
确定荷载-时间曲线中的峰点和谷点，将相邻的峰和谷用直线相连，把曲线简化为折线。
-时间轴垂直向下
-连接波峰和波谷的折线成多宝塔屋顶形
-假想雨水下落到多宝塔屋顶的最高点A处，以A为起点沿A-B线向左下方流动，如右图。流到屋檐B时分流：一股从屋檐落向地面；另外分出一个新股，以转折点B为起点沿下一层屋顶的上表面反向(向右下)流动。该股流动到屋檐C处又分流，新股为图中以C为起点的雨流。如此继续，直到最下层屋顶。
雨流循环计数实例 :
A=25 B=5 C=14 D=-14 E=16 F=2 G=7 H=-12 I= 25
应力寿命法
名义应力
不考虑几何不连续性(孔、槽等)的情况下，在试验的有效横截面上计算得到的应力
应力集中因子Kt
应力集中是指物体中应力局部增高的现象，一般出现在几何结构急剧变化的地方，如缺口、孔洞、沟槽以及由刚性约束处。
应力寿命法(S-N曲线)
这条曲线是18世纪70年代，德国August Wőhler经过系统疲劳试验后绘制的
S-N曲线图描述了应力幅值和远离裂口位置的失效周期的函数关系
恒定振幅( σm= 0)，这种类型的S-N曲线使用的是半对数或双对数坐标
S-N图常用术语：
疲劳寿命(
)：在一定应力或应变下试件破坏的循环次数。
疲劳强度(
)：无限多次交变荷载作用而不会发生破坏的最大应力。
1910年，O.H.Basquin提出了描述金属S-N曲线的规律：应力对疲劳循环数的双对数图
在很大的应力范围内表现为线性关系。
公式描述：
S-N曲线在MeshFree程序中的输入
可将应力0.9Su(Su为容许应力)重复次数为1000次的点和疲劳极限应力幅(Se=0.5Su)重复次数为10^6的点的连线作为S-N曲线。钢铁材料实验中疲劳极限应力幅比较明显，但是像铝一样的材料实验中不能获得明确的疲劳极限应力，此时可将疲劳寿命为5×10^8次的应力幅作为疲劳极限应力幅。
程序中输入抗拉强度，疲劳强度以及循环次数即可
平均应力系数
平均应力效应
MeshFree疲劳分析流程
示例
材料为DG20Mn,弹性模量E=210GPa，泊松比μ=0.3，质量密度7860kg/m³，屈服强度
=333MPa，抗拉强度
=510MPa
第一步：导入CAD
第二步 定义材料
MeshFree自带了常用的材料数据库
第三步定义边界和荷载
MeshFree可直接施加在几何上
程序自动计算自重
第四步运行分析及查看结果
疲劳分析参数定义
疲劳结果查看
从结果可以看出，吊钩最危险处的寿命为3.78×10^5
假设起重机使用年限约为8年，每年工作约2000小时，在M6等级下零部件每小时的循环次数约为20次，那么总循环次数为3.2×10^5，满足要求。
应变寿命法
单轴拉伸
总的真应变如下：
循环加载路径
循环应力应变曲线
循环加载下的材料行为
循环硬化指示变形阻力增加
循环软化表示抵抗力下降
缺口应变法
缺口应变法以有效缺口应变作为评估参数，用缺口应变Δε-N曲线进行疲劳寿命计算
本方法考虑了缺口的弹塑性变形，主要用于评估循环周期小于105的低周疲劳焊接元件裂纹形成寿命
应变-寿命曲线
E-N曲线在MeshFree程序中的输入
平均应力效应可以用下面的方法来考虑：
实验方法
- 应变控制下
- 压力控制下
经验方法
- 莫罗方程
- 史密斯沃森方程
