疲劳分析理论基础
据统计，因交变载荷引起的疲劳断裂事故占机械结构失效总数的80%~90%。疲劳破坏的特点在交变应力远小于静强度极限的情况下，破坏也可能发生;疲劳破坏不是立刻发生的，而是要露历一定的时间，甚至是很长时间的;疲劳破坏的危险性表现在结构到达疲劳寿命时无明显先兆就星:公突然断裂解体。为了保证产品安全工作，理解疲劳破坏的机理并对疲劳寿命进行预测是非常必要的。本章主要介绍疲劳分析的基础理论
材料的疲劳破坏大致分为三个阶段，即疲劳裂纹的萌生、疲劳裂纹扩展和材料的最终破坏。其具体表现形式如下。
1）在循环载荷作用下，材料表面发生滑移带“挤出”和“凹人”，进一步形成应力集中，导致微裂纹产生。
2）在循环载荷作用下，由持久滑移带形成的微裂纹沿45°最大剪应力作用面继续扩展或相互连接。此后，有少数几条微裂纹达到几十微米的长度，逐步汇聚成一条主裂纹，并由沿最大剪应力面扩展逐步转向沿垂直于载荷作用线的最大拉应力面扩展。
3）在拉应力的循环作用下，裂纹沿着垂直于表面的方向扩展，直至应力强度因子大于断裂韧性，结构突然断裂。
疲劳裂纹扩展如图 21-1 所示。
在一般的通用有限元疲劳分析软件中，疲劳寿命包含了结构从裂纹的萌生、裂纹的扩展直至破坏的全部过程。
图21-1 疲劳裂纹扩展示意图
疲劳分析基本术语
图21-2 恒定幅值交变应力
恒定幅值的交变应力如图 21-2所示，应力的每一个周期性变化称作一个应力循环。在应力循环中，两个极值中绝对值较大者称为“最大应力”(S.)，较小者称为“最小应力”(S..)。最大应力和最小应力的代数平均值称为“平均应力”，计算公式为
最大、最小应力值差的一半称为“应力幅值”（Sa）两倍称为“应力范围”(Sr)。应力幅值计算公式为
最小应力与最大应力的比值称为“应力比”(R)，计算公式为
R=-1为平均应力为0的交变载荷，SN曲线(S:应力幅值;N:疲劳寿命)的获取通常采用
这种载荷。
本篇内容取自HyperWorks进阶教程系列的《OptiStruct结构分析与工程应用》，版权归原作者所有，如有侵犯您的权益，请及时联系我们，我们将立即删除。
