以疲勞分析為基礎(chǔ)的設(shè)計——壽比南

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1、以疲勞分析為基礎(chǔ)的設(shè)計壽比南全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會2007年10月26日Shou_binan@csei.org.cn一、概述疲勞失效低周疲勞的特點載荷循環(huán)應(yīng)力循環(huán)產(chǎn)生應(yīng)力循環(huán)的原因疲勞失效靜載荷設(shè)計和疲勞分析設(shè)計（1）材料強(qiáng)度：?b?s?st?D（2）金屬損傷:S-N曲線（3）分析基礎(chǔ)：低周疲勞、虛擬應(yīng)力壓力容器載荷特點（1）應(yīng)力集中：結(jié)構(gòu)、載荷、材料（2）載荷不穩(wěn)定（3）影響因素多低周疲勞的特點在循環(huán)加載條件下，發(fā)生在結(jié)構(gòu)某點處局部的、永久性的損傷遞增過程。損傷將產(chǎn)生裂紋，當(dāng)擴(kuò)展至貫穿容器的全壁厚，為疲勞失效。高應(yīng)力（大應(yīng)變）低周期載荷（工作）循環(huán)載荷由初

2、始狀態(tài)進(jìn)入新狀態(tài)，隨后又回到初始狀態(tài)的過程。（1）啟動停止循環(huán)：（2）正常工作循環(huán)：（3）異常工作循環(huán)：應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力由某初值開始，經(jīng)過代數(shù)最大值和代數(shù)最小值，然后又返回初始值的循環(huán)。一個工作循環(huán)可以引起一個或多個應(yīng)力循環(huán)產(chǎn)生應(yīng)力循環(huán)的原因間歇操作和開、停工造成工作壓力和其它載荷的變化；運(yùn)行時出現(xiàn)的壓力或其它載荷的波動；運(yùn)行時出現(xiàn)的周期性的溫度變化；在正常溫度變化時，元件的膨脹或收縮受到了約束；外加的交變機(jī)械載荷等。二、設(shè)計疲勞曲線1。確定應(yīng)力循環(huán)特性的參數(shù)2。低周疲勞中應(yīng)力變化幅與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系3。影響結(jié)構(gòu)抗低周疲勞的因素4。平均應(yīng)力的影響及修正5。設(shè)計疲勞曲線的安全

3、系數(shù)1。確定應(yīng)力循環(huán)特性的參數(shù)1．平均應(yīng)力：2．應(yīng)力變化范圍：3．交變應(yīng)力幅：4．循環(huán)特性系數(shù)：???:靜載荷????：對稱循環(huán)???：脈動循環(huán)2。低周疲勞中應(yīng)力變化幅與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系（1）以實驗為基礎(chǔ)（2）以應(yīng)變的幅度來描述2。低周疲勞中應(yīng)力變化幅與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系交變應(yīng)力幅總應(yīng)變由虛擬應(yīng)力Coffin關(guān)系式Sa-N關(guān)系3。影響結(jié)構(gòu)抗低周疲勞的因素（1）載荷類型：（2）尺寸效應(yīng)和應(yīng)力梯度：（3）表面狀況：（4）應(yīng)力集中：（5）平均應(yīng)力的影響（6）非恒定應(yīng)力幅的影響（7）環(huán)境影響4。平均應(yīng)力的影響及修正（1）實驗條件（2）Goodman修正方程（線性修正）4。平均應(yīng)力的

4、影響及修正非線性修正（高應(yīng)變情況）4。平均應(yīng)力的影響及修正平均應(yīng)力的最大影響4。平均應(yīng)力的影響及修正設(shè)計疲勞曲線的修正5。設(shè)計疲勞曲線的安全系數(shù)（1）除高強(qiáng)度螺栓材料外的設(shè)計疲勞曲線安全系數(shù)（2）高強(qiáng)度螺栓材料的設(shè)計疲勞曲線安全系數(shù)（3）標(biāo)準(zhǔn)之間的差別（1）除高強(qiáng)度螺栓材料外的設(shè)計疲勞曲線安全系數(shù)壽命N：20數(shù)據(jù)分散度：2.0尺寸因素：2.5表面、環(huán)境：4.0應(yīng)力Sa:2.0（2）高強(qiáng)度螺栓材料設(shè)計疲勞曲線的安全系數(shù)壽命N：5.7實驗采用實際螺栓材料和尺寸考慮螺栓的疲勞強(qiáng)度減弱系數(shù)平均應(yīng)力修正的方法不同應(yīng)力Sa:1.5（3）標(biāo)準(zhǔn)之間的差別JB4732N=20;Sa=2

5、.0Kf=4.0ASMEN=20;Sa=2.0Kf=4.0BS5500N=15;Sa=2.2Kf=2.5三、累積損傷1。工作循環(huán)與應(yīng)力循環(huán)2。加載次序的影響3。累積損傷疲勞分析設(shè)計的工況：載荷工況（載荷譜）預(yù)計循環(huán)次數(shù)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)1。工作循環(huán)與應(yīng)力循環(huán)加載次序?qū)Σ牧掀谟杏绊懙椭苎h(huán)大應(yīng)變材料的高韌性2。加載次序的影響基本假設(shè)材料損傷是可以積累的；材料損傷的最終結(jié)果與加載順序無關(guān)。3。累積損傷數(shù)學(xué)表達(dá)式3。累積損傷總損傷等于分損傷之和對于多種應(yīng)力幅四、殼體中的熱應(yīng)力棘輪作用五、疲勞分析方法及設(shè)計疲勞曲線的應(yīng)用1。載荷分析2。結(jié)構(gòu)分析3。應(yīng)力分析4。交變應(yīng)力強(qiáng)度幅的求

6、取5。設(shè)計疲勞曲線的應(yīng)用6。疲勞強(qiáng)度較核確定結(jié)構(gòu)的載荷形式、量級、作用區(qū)域和波動范圍應(yīng)力分析的計算條件：操作條件結(jié)構(gòu)“設(shè)定值”1。載荷分析分析部位的力學(xué)模型（1）分析方法（2）位移邊界條件（3）力邊界條件2。結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)力學(xué)模型計算方法計算結(jié)果和結(jié)論簽署3。應(yīng)力分析（1）主應(yīng)力方向不隨時間改變（2）主應(yīng)力方向隨時間改變4。交變應(yīng)力強(qiáng)度幅的求取A.確定所考慮點的三個主應(yīng)力與時間的關(guān)系B.計算在整個應(yīng)力循環(huán)中與時間相對應(yīng)的主應(yīng)力差（1）主應(yīng)力方向不隨時間改變C.確定主應(yīng)力差的最大波動范圍（1）主應(yīng)力方向不隨時間改變D.計算交變應(yīng)力強(qiáng)度幅Saltij=Srij/2A.確定所

7、考慮點的六個應(yīng)力分量與時間的關(guān)系B.選取極值點，定義初值C.求取與時間相對應(yīng)的波動應(yīng)力分量（2）主應(yīng)力方向隨時間改變D.求取波動主應(yīng)力E.計算在整個應(yīng)力循環(huán)中的波動主應(yīng)力差（2）主應(yīng)力方向隨時間改變F.確定所考慮點的三個主應(yīng)力與時間的關(guān)系（2）主應(yīng)力方向隨時間改變G.計算交變應(yīng)力強(qiáng)度幅Saltij=Srij/2（1）同類、同強(qiáng)度的材料具有相同的抗疲勞性能（2）JB4732附錄C給出曲線的限制：圖C-1:T??375℃的碳鋼和低合金鋼,N=106圖C-2:T??425℃的奧氏體高合金鋼,N=106圖C-3:T??420℃的碳鋼和低合金鋼,N=1011圖