基本介紹
- 中文名：疲勞強度計算
- 外文名：Fatigue strength calculation
- 套用範圍：零件和構件等
分類,疲勞強度計算試驗,計算準則,疲勞計算前提條件,無限壽命疲勞,有限壽命疲勞,
分類
根據應力循環數分為高周疲勞和低周疲勞。
低周疲勞指材料所受力較高，通常接近或超過屈服極限，斷裂前的應力循環次數一般少於10^4-10^5，每次循環過程中都發生塑性變形。低周疲勞破壞就是塑性變形累積的結果。
高周疲勞是指材料所受的交變應力遠低於材料的屈服極限，斷裂前的應力循環次數大於10^5，通常用疲勞曲線（S-N曲線）來描述該材料的疲勞特性。高周疲勞的壽命主要指的是裂紋萌生壽命。高周疲勞採用常規疲勞計算方法。
疲勞強度計算試驗
常規疲勞強度計算假設零件沒有初始裂紋，套用標準試樣實驗得到的材料疲勞極限或S-N曲線為依據，再考慮零件由於表面狀態、尺寸及幾何形狀引起的應力集中等因素。下圖示以最大應力σ （max）為縱坐標，疲勞壽命N為橫坐標，根據試驗數據得到的S-N曲線。
鋼材的S-N曲線的右側是一條水平漸近線，水平線起始點對應的應力值稱為疲勞極限。疲勞極限表明，只要最大應力小於疲勞極限，應力循環次數可以無限大而不發生破壞。水平線起始點的橫坐標Ne大約為10^7，N>=Ne的區域稱為無限壽命區。根據S-N曲線水平線段進行的疲勞強度計算稱為無限壽命計算。
疲勞曲線的左側是一條近似斜線，在斜線段N<Ns，稱為有限壽命區，根據這段斜線所作的疲勞強度計算稱為有限壽命計算。
計算準則
1.如果零件的應力循環次數N<=Ns（Ns為疲勞曲線上材料屈服極限σ [s]）對應的循環數，一般取Ns≈10^5，零件受靜強度條件控制，不需作疲勞強度計算。
2.如果零件的應力循環次數N大於Ns，但是小於Ne（Ne稱為應力循環基數），對於鋼材Ne≈10^7。根據零件對應的疲勞強度σ [rk]′ 對零件進行有限壽命疲勞計算。
3.如果零件的應力循環次數N>=Ne，根據疲勞極限σ [rk]對零件進行無限壽命疲勞計算。
工作級別為M1-M3的機構，由於應力循環數少，不做疲勞計算。工作級別M4、M5的機構根據應力循環數N決定是否需要進行疲勞計算。工作級別M5以上的機構，其機構零件和金屬結構都需要作疲勞計算。非工作機構可不做疲勞計算。沿海地區、台灣省、南海諸島以及內陸山口地區自身高度大的起重機，如果金屬結構自振頻率小於4Hz，由於風振作用，在自重載荷和風載荷作用下，金屬結構有可能發生疲勞破壞，不論起重機的工作級別如何，都需要進行疲勞計算。
疲勞計算前提條件
為了確保是否需要進行疲勞計算，以及在進行疲勞計算時確定零件的疲勞強度，都需要對零件在設計壽命期內的應力循環次數進行計算。
零件在設計壽命期內的應力循環數N位：N=FZ
式中 Z--零件的設計壽命（h），一般按照機構的設計壽命選取；
F--零件每小時應力循環數，應力變動值小於最大應力絕對值的10%時，不計其應力循環數。
無限壽命疲勞
當零件應力循環數N大於循環基數Ne，應進行無限壽命疲勞計算。這一設計準則要求零件或結構在無限長的使用時期內，不發生疲勞破壞。S-N曲線的水平段說明，只要將零件部件或結構的工作應力限制在它們的疲勞極限以下，就可以使零件或結構的壽命無限長。無限壽命設計是最老的設計準則，按照這種準則設計的零件或部件，一般尺寸較大，比較保守。但對於地面工作、運轉時間長的機械和設備，無限壽命疲勞強度計算仍然獲得廣闊的套用。疲勞強度計算一般在靜強度計算之後進行，採用許用應力法或安全係數法。
有限壽命疲勞
有限壽命疲勞計算的基本思想是，在確保零部件或結構規定壽命的條件下，依據零件S-N曲線左段斜線部分，採用大於疲勞極限的設計應力進行疲勞強度計算。這樣能使材料的承載能力充分利用，零件或結構的自重得以減輕，而減輕重量通常是提高產品性能水平的關鍵之一。有時候，即使整機需要較長的壽命，也情願定期維修，用更換零件的辦法，讓某些零件設計得壽命較短，而使重量更輕。有限壽命計算是當前許多機械設計疲勞計算時主要採用的方法。對減輕重量有較高要求的機械產品，都使用有限疲勞計算。
