COSMOSWorks抗疲劳设计白皮书

1954 年,世界上第一款商业客机 de Havilland Comet 接连发生了两起坠毁事故,这使得“金属疲劳”一词出现在新闻头条中,引起公众持久的关注。这种飞机也是第一批使用增压舱的飞行器,采用的是方形窗口。增压效应和循环飞行载荷的联合作用导致窗角出现裂纹,随着时间的推移,这些裂纹逐渐变宽,最后导致机舱解体。 Comet 空难夺去了 68 人的生命,这场悲剧无时无刻不在提醒着工程师创建安全、坚固的设计。
自此以后,人们发现疲劳是许多机械零部件(例如在高强度周期性循环载荷下运行的涡轮机和其他旋转设备)失效的罪魁祸首。事实证明,有限元分析 (FEA) 是用于了解、预测和避免疲劳的首要具。
什么是疲劳?
设计人员通常认为最重要的安全因素是零部件、装配体或产品的总体强度。为使设计达到总体强度,工程师需要使设计能够承载可能出现的极限载荷,并在此基础上再加上一个安全系数,以确保安全。
但是,在运行过程中,设计几乎不可能只承载静态载荷。在绝大多数的情况下,设计所承载的载荷呈周期性变化,反复作用,随着时间的推移,设计就会出现疲劳。
实际上,疲劳的定义为:“由单次作用不足以导致失效的载荷的循环或变化所引起的失效”。疲劳的征兆是局部区域的塑性变形所导致的裂纹。此类变形通常发生在零部件表面的应力集中部位,或者表面上或表面下业已存在但难以被检测到的缺陷部位。尽管我们很难甚至不可能在 FEA 中对此类缺陷进行建模,但材料中的变化永远都存在,很可能会有一些小缺陷。 FEA 可以预测应力集中区域,并可以帮助设计工程师预测他们的设计在疲劳开始之前能持续工作多长时间。
疲劳的机制可以分成三个相互关联的过程:
1. 裂纹产生
2. 裂纹延伸
3. 断裂
FEA 应力分析可以预测裂纹的产生。许多其他技术,包括动态非线性有限元分析可以研究与裂纹的延伸相关的应变问题。由于设计工程师最希望从一开始就防止疲劳裂纹的出现,本白皮书主要从该角度对疲劳进行阐述。关于疲劳裂纹增长的讨论,请参阅附录 A 。
确定材料的疲劳强度裂纹开始出现的时间以及裂纹增长到足以导致零部件失效的时间由下面两个主
要因素决定:零部件的材料和应力场。材料疲劳测试方法可以追溯到 19 世纪,由 August W ö hler 第一次系统地提出并进行了疲劳研究。标准实验室测试采用周期性载荷,例如旋转弯曲、悬臂弯曲、轴向推拉以及扭转循环。科学家和工程师将通过此类测试获得的数据绘制到图表上,得出每类应力与导致失效的周期重复次数之间的关系,或称 S-N 曲线。工程师可以从 S-N 曲线中得出在特定周期数下材料可以承受的应力水平。

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