网架结构疲劳读书报告.docx

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网架结构疲劳读书报告

读书报告

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2015.4.15

中文文献

主题

文献题目

金属疲劳

空间网格结构整体疲劳分析的研究

报告内容：

一．阅读收获

（1）对疲劳的理解

1.疲劳的定义：

金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫做疲劳

一般情况下,这个术语特指那些导致开裂或破坏的性能变化。

2.疲劳的形式：

A．加应力或应变波动造成的机械疲劳

B．循环荷载同高温联合作用引起的蠕变一疲劳

C．循环受载部件的温度也变动时引入的热机械疲劳,即热疲劳与机械疲劳的组合在存

D．在侵蚀性化学介质或致脆介质的环境中施加反复荷载时的腐蚀疲劳

E．荷载的反复作用与材料之间的滚动接触相结合产生滚动接触疲劳脉。

F．动应力与表面间的来回相对运动和摩擦滑动共同作用产生的微动疲劳。

3.疲劳的研究内容

疲劳是一门综合性学科,涉及的知识面很广,它不仅跟固体力学中的弹性力学、塑性力学、断裂力学、应力分析关系很密切,还跟数学、物理、化学、冶金、机械、土木、金属物理等学科有千丝万缕的联系。

疲劳,是固体力学的一个分支,它主要研究材料或结构在交变荷载作用下的强度问题,研究材料或结构的应力状态与寿命的关系。

4.疲劳设计方法简介

A.总寿命法：

经典的疲劳设计方法是用循环应力范围一曲线方法或总应变范围来描述导致疲劳破坏的总寿命。

在这种方法中,通过控制应力幅或应变幅来获得初始无裂纹的实验室试样产生疲劳破坏所需的应力循环或应变循环数。

以此为参考,并用各种方法处理平均应力、应力集中、环境、多轴应力和应力变幅的影响,估算结构的寿命。

B.损伤容限法:

用损伤容限法预测裂纹扩展寿命时需要应用断裂力学的裂纹扩展经验规律。

根据线弹性力学的要求,只有在满足小范围屈服条件远离塑性应变场,且与带裂纹构件的特征尺寸相比,裂纹顶端塑性区较小,弹性加载条件占的情况下,才可以应用损伤容限法。

在估计裂纹扩展的有用寿命中,可以用各种方法来处理平均应力、应力集中、环境、变幅荷载谱和多轴应力的影响。

这种方法本质上偏于保守。

5.网架、网壳疲劳研究的必要性

动荷载的存在,结构内部的应力交替变化,可能形成结构的疲劳损伤,疲劳损伤削弱了结构构件的有效截面,使实际刚度退化,其积累到一定程度就有可能造成疲劳破坏。

而在目前具体的设计过程按承载能力和正常使用两种极限状态来进行。

这种方法可以确保结构在动荷载参与作用的情况下,某一概率保证时不发生强度破坏,而没有考虑结构的耐久性问题,即没有把结构由于动荷载的作用可能遭受的疲劳损伤考虑在内。

而且建筑结构中所采用的材料并非是均匀和连续的,实际上存在许多微小的缺陷,在循环荷载作用下,这些微缺陷会逐渐发展、合并形成损伤,并逐步在材料中形成宏观裂纹。

如果宏观裂纹得不到有效控制,极有可能会引起材料脆性断裂。

早期疲劳损伤往往不易被检测到,但其带来的后果往往是灾难性的。

因此,为了保证结构的安全使用,有必要对结构进行整体疲劳分析,评估其在设计年限内的疲劳损伤程度。

（2）.疲劳分析的基本原理

1.疲劳的基本概念

A．疲劳破坏的特征：

a.静力破坏是一次最大荷载作用下的破坏疲劳破坏是多反复荷载作用下产生的破坏,它不是短期内发生的,而是要经过一定的时间,甚至很长时间才发生破坏。

b．当静应力小于屈服极限或强度极限时,不会发生静力破坏而交变应力在远小于静强度极限,甚至小于屈服极限的情况下,疲劳破坏就可能发生。

c．静力破坏通常有明显的塑性变形产生疲劳破坏通常没有外在宏观的显著塑性变形迹象,那怕是塑性良好的金属,就像脆性破坏一样,事先不易察觉出来,这就表明疲劳破坏具有很大的危险性.d．在静力破坏的断口上,通常只呈现粗粒状或纤维状特征而在疲劳破坏的断口上,总是呈现两个区域特征,一部分是平滑的,另一部分是粗粒状或纤维状。

e．静力破坏的抗力主要取决于材料本身而疲劳破坏的抗力与材料的组成、构件的形状或尺寸、表面状况、使用条件以及外界环境等都有关系。

B.疲劳荷载:

疲劳荷载是多次重复作用,荷载的大小和方向是变化的。

疲劳荷载一般分为确定荷载和随机荷载。

确定荷载又分为两类一类是荷载幅值永远不变的叫常幅荷载，另一类是荷载按一定规律变化的叫程序荷载。

随机荷载就是指荷载幅值随机任意变化的荷载

C．交变应力和交变应变：

随时间而交替变化的应力叫交变应力。

交变应力是十分常见的应力,当结构承受交变荷载的作用,构件中的应力也随着荷载按一定规律交替变化着。

交变应力有时又定义为在两个极值之间随时间作周期性变化的应力。

应力的每个周期性变化叫一个应力循环。

在应力循环中,代数值最大的叫做最大应力Smax,代数值最小的叫做最小应力Smin。

最大应力和最小应力的代数平均值叫做平均应力Sm。

最大应力与平均应力的差值,或平均应力与最小应力的差值的绝对值叫做应力振幅Sa。

最小应力与最大应力之比R叫做循环特征或应力比,它是应力变化情况的一种表征。

应力振幅的二倍叫做应力范围∆S。

上面这些应力之间存在着下列关系:

Smax=Sm+Sa;Smin=Sm-Sa

Sm=1/2（Smax+Smin）

Sa=1 /2（Smax-Smin）

R=Smin/smax

D．疲劳强度,疲劳极限与疲劳寿命

疲劳强度的大小又用疲劳极限来衡量的,所谓疲劳极限就是指在一定循环特

征R下,材料或构件可以承受无限次循环而不发生疲劳破坏的最大应力Smax。

疲劳极限主要通过疲劳试验测定。

而发生疲劳破坏时的应力循环次数,或从开始受载到发生断裂所经过的时间称为该材料或构件的疲劳寿命。

E.疲劳曲线

表示应力振幅或最大应力与疲劳寿命之间的关系的曲线称为疲劳曲线或S

一N曲线。

在交变应力的作用下,材料抵抗疲劳破坏的能力可以用疲劳曲线来衡量。

疲劳曲线一般是通过试验测定的,即在一定的循环特征下,用一组标准的试件,分别在不同的最大应力Smax下受交变应力作用,直至破坏,几下每根试验破坏时的循环次数N,然后以Smax为纵坐标,以为横坐标作出的曲线,

就是材料在指定循环次数下的疲劳曲线,如图所示。

材料疲劳曲线

双对数下的S-N曲线

F.疲劳破坏的过程和形式

疲劳裂纹一般是由构件表面或内部某一缺陷开始的,当受力构件内部应力递不均匀时,局部区域就会出现较大的应力,这就叫应力集中。

在应力集中处材料能够承受反复荷载的次数最少,因此在使用荷载的反复作用下,这里最先现裂纹。

裂纹使构件的一部分材料丧失承载能力,使余下能够承力的材料中的平均应力提高。

由于构件一般都有一定的剩余强度,所以出现裂纹并不会立刻造成破坏,但是在裂纹的尖端形成尖锐的缺口,又造成新的应力集中区。

在连续使用,此处又会继续裂开,这样裂纹变得越来越大,构件上能够传递应力的材料越来越小,直到剩下的材料不足于传递荷载时,构件就突然破坏了。

因此,疲劳破坏的过程大致可以理解为应力集中一微观裂纹形成一造成新的应力集中一促使裂纹扩展一最后断裂。

或者把疲劳破坏过程划分为疲劳成核一微观裂纹生长一宏观裂纹出现一最后断裂.

疲劳破坏可分成两个阶段,第一阶段为微观裂纹形成和扩展阶段,在这一阶段中,裂纹滑移带的主滑移面向内延伸,一般与主应力轴成'的方向。

当滑移受到阻塞如遇到晶界等,裂纹进入第二阶段,即宏观裂纹扩展阶段,在这阶段中,裂纹与拉伸轴方向垂直。

2.抗疲劳性能的测定

A.S一N曲线

下图画出了两种基本类型的S一N曲线,随着应力幅值的下降,所有材料的破坏寿命都增大,但对于软钢类材料,存在着这样一个应力,低于此应力值,疲劳绝不会发生,这个应力叫做疲劳极限。

对于另一类材料,S一N曲线一直随应力递降,所以人为地规定寿命周10^7次时对不同材料进行比较。

因此,对有疲劳极限的材料,通常用疲劳极限应力幅值作为耐久限。

对无疲劳极限的材料,通常用护次循环10^7产生破坏的应力幅值作为耐久限。

两种基本类型的S-N曲线

B．平均应力影响图

表示平均应力对疲劳寿命影响的图,是在工程设计中最流行的疲

劳经验规律之一。

平均应力影响图

3.疲劳累积损伤理论

疲劳累积损伤理论是疲劳分析的主要原理之一,也是估算变应力幅值下安全疲劳寿命的关键理论。

损伤的直接理解就是,在疲劳荷载下材料的改变包括疲劳裂纹大小的变化、循环应变硬化和残余应力的变化或材料的损坏程度。

进一步说就是材料在循环荷载下,微观裂纹不断扩展和深化,从而使试件或构件的有效工作面不断减少的程度由于损伤是一个抽象的概念,不能直接的度量,所以许多人建议用参数D来表示它,有D的变化来反映裂纹扩展程度。

而通过可以推测它与疲劳过程中某些可测量量如疲劳极限、裂纹长度、极限强度等有着某种联系。

目前已得到的表示损伤度的方法有多种,典型的方法如通过后一应力上寿命的相对变化表示损伤度。

D=（Nk-nk）/Nk

其中nk为试样在应力S1下循环作用n周后再在应力Sk下循环至破坏的周次,Nk为原始材料相对于应力Sk下的常应力寿命。

如果试样承受幅值为S1,的荷载,重复N1次破坏,则在整个过程中材料所受的损伤线性地分配给各个循环,也就是每一循环材料的损伤为D1=1/N1显然,若Sa1荷载作用n1次,则材料损伤为Dn1=n1/N1

同样,在,Sa1Sa2……下,各损伤分别为

Dn2=n2/N2Dn3=n3/N3……

当整个材料损伤完毕时

∑=（n/N）=1

就发生疲劳破坏。

5.疲劳裂纹扩展理论

抗疲劳破坏分析的传统作法是依据光滑试样的S一N曲线,考虑一定的安全储备系数进行设计,长期的实践说明这种方法还不完全可靠。

因为在光滑试样的试验中,疲劳寿命主要时间往往消耗在疲劳裂纹成核阶段,而较少的时间是消耗在裂纹扩展阶段。

在低于疲劳极限的应力下,裂纹成核根本不会发生,这种传统方法没有充分考虑到构件内部存在着宏观裂纹的可能性,也没有考虑这种宏观裂纹在交变荷载的作用下会发生亚临界扩展,所以构件仍然会发生疲劳破坏。

或者由于构件的尖缺口与缺陷使疲劳成核提早发生,或者缺陷本身就是疲劳源,使疲劳寿命缩短。

如果构件原来就存在裂纹,则疲劳破坏过程就属于疲劳裂纹扩展的问题。

疲劳裂纹扩展就是指构件在交变荷载作用下,裂纹从初始尺寸a0扩展到临界裂纹尺寸ac的过程。

疲劳裂纹扩展理论就是研究带裂纹的构件裂纹是怎样扩展的,即裂纹按照什么规律扩展以及研究影响裂纹扩展因素的理论。

应用最广泛的公式Paris公式

Da/dN=c（∆K）^m

式中da/dN为疲劳裂纹扩展速率∆K为应力强度因子幅值∆K=Kmax-Kminc和m为试验常数。

（3）疲劳分析的基本方法

1.金属的单一特性与疲劳特性

A.静态应力一应变特性

金属的单一特性分成两类工程特性和真实特性'。

工程特性是指用试样的原始横截面积和长度计算的那些特性。

真实的应力一应变特性是根据轴向加载过程中试样瞬时面积和瞬时长度计算的那些特性,如下图所示。

在工程值和真实值之间可用四个简单的公式表示应力和应变

静态应力一应变特性曲线

其中P为轴向拉伸荷载,A0为原始横截面积,∆l为相对伸长,l0为试样原始长度。

从上面的四个关系式,可以确定应力一应变曲线上的一些特定点,这些点

是弹性模量（e）一它是线弹性应变的斜率,也称为杨氏模量见图,

其值为

E=s/e=（P/A0）/（∆l/l）

抗拉屈服强度（σy）。

一它是引起额定非弹性应变的应力。

一般通过应变和零应力处作出斜率的一条线来确定。

线段与应力一应变曲线交点的应力取作为材料的屈服强度。

极限拉伸强度（σb）一它是最大荷载处的工程应力。

对于大多数延性材料来说,在最大荷载处出现颈缩现象。

延伸率（δ）一它是试样截面长度变化l-lo与原始长度lo之比,

Δ=（l-lo）/lo