疲劳强度设计
&&&疲劳与断裂是引起工程结构或构件失效的最主要的原因。如：轴的失效有百分之五十是由疲劳破坏的，在机架、传动杆、曲轴、、轴承、、弹簧、螺栓、焊接结构…等机械零件的断裂之中，疲劳破坏也占据着重要的位置。
&对于钢材，在疲劳破坏之前并没有明显的变形，是一种突然发生的断裂，断口平直，属于反复荷载作用下的脆性破坏。&
&金属的疲劳破坏和静应力失效有着本质的不同，疲劳破坏有以下的特点：
&金属承受的交变应力在远小于其静载荷下的强度限时，破坏就有可能发生。如：45#钢承受弯曲交变应力，当σmax=－σmin≈260
MPa时，大约经历10^7次循环即可发生断裂，而45#钢在静载下的强度限却高达600 MPa。
&金属疲劳破坏时，其断口（剖面）上呈现2个区域：光滑区和粗糙区。即便是塑性材料，在疲劳破坏前也没有显著的塑性变形。如下图示：
&金属疲劳破坏的过程可分为三个阶段：
& &一是疲劳裂纹成 “核”
&二是微观裂纹（长度小于2mm，宽度小于0.2mm）的扩展阶段；
&三是宏观裂纹（长度2～5mm，
宽度0.2～0.5mm）的扩展阶段。
& &（长度大于5mm，宽度大于0.5mm的为；全宽度上的则称为“开裂”）&&
&当金属承受的值高于其时，某些位于表面的在交变力的作用下出现滑移带，随着次数的增多，滑移带变宽并加剧，从而出现沿滑移带裂开的现象，这样就形成了裂纹。
&在裂纹根部的将使裂纹扩大，其裂纹扩展是一个复杂现象，与试件的外形、材料、应力类型和周围介质有关系。裂纹扩展约占整个疲劳寿命的绝大部分，而其扩展一般是缓慢的。
&历史上曾多次发生过多次疲劳破坏的事例，尤其是在高速运转的构件，像动力机械…。
&疲劳的定义：材料在循环应力或循环应变的作用下，由于某点或某些点产生了局部的永久性结构变化，从而在一定的循环次数以后形成裂纹或发生断裂的过程称为疲劳。&&
&的定义：金属材料在无限多次交变载荷的作用下而不被破坏的最大应力称为或。即：机械零件或构件对疲劳破坏的抗力。
&&一般试验规定：钢在经受10^7次、非铁（有色）经受10^8次交变载荷的作用下不产生断裂时的最大应力称为。当施加的交变应力是对称循环应力时，所得的疲劳强度用&σ&1&表示。&
&交变载荷即在工作过程中所受到的大小和方向都随时间呈周期性变化的载荷：
&一般是随时间呈周期性的变化，且变化的波形通常是正弦波——这种应力可能是弯曲应力、扭转应力、或者是两者的复合。
&对称，指所受的正应力与负应力对称相等。
&大多数轴类零件，通常受到的就是交变对称循环应力。而大多数的支撑件受到的是不对称循环应力（脉动应力），比如：拉应力小，压应力大。
&疲劳的分类：
&(1)按研究对象: 材料疲劳和结构疲劳
&(2)按失效周次: 高周疲劳和低周疲劳
&(3)按应力状态: 单轴疲劳和多轴疲劳
&(4)按载荷变化情况:
恒幅疲劳、变幅疲劳、随机疲劳
&(5)按载荷工况和工作环境:
常规疲劳、高低温疲劳、热疲劳、热—机械疲劳、
&腐蚀疲劳、接触疲劳、微动磨损疲劳和冲击疲劳。
&&在进入21世纪的今天，人们对传统强度（静载荷、无缺陷材料的强度）的认识已经相当深刻，工程中强度设计的实践经验和积累也十分丰富，对于传统强度的控制能力也大大增强。因此，由疲劳与断裂引起的失效在工程失效中越来越突出。
&结构在一定载荷的作用下会发生破坏，这是静力强度和疲劳强度都存在的问题，但两者的载荷条件和破坏情况有原则上的不同。这就是疲劳强度的问题区别于静力强度问题的矛盾特殊性。
等在结构上，减缓零件几何尺寸的突变、增大过渡圆角半径、增加卸载结构…等都可降低以提高零件的疲劳极限。当然，残余拉应力也会降低疲劳强度。&
表面越粗糙，其疲劳极限也越低。淬火，氮化、渗碳…等热处理工艺和抛光、喷丸、滚压…等冷作工艺均可提高零件的疲劳极限（但铸铁对于加工后的表面状态很不敏感）。此外，在其它条件相同时，尺寸愈大零件的疲劳强度越小。
影响疲劳强度的因素&
&疲劳破坏是零构件的主要失效形式！零件或构件在低于材料屈服极限的交变应力（或应变）的反复作用下，经过一定的循环次数以后，在部位首先萌生裂纹。裂纹在一定条件下扩展，最终突然断裂，这一失效过程就称为疲劳破坏。
&材料在疲劳破坏前所经历的应力循环数称为疲劳寿命。
&设计（Fatigue
strength design）：对承受循环应力的和，根据疲劳强度理论和疲劳试验数据，决定其合理的结构和尺寸的方法。
&由零件的局部应力状态和该处的材料性能确定，所以，设计是以零件最弱区为依据的。通过改进零件的形状以降低峰值应力，或在最弱区的表面层采用强化工艺，就能显著地提高其。
&在材料的现象未被认识之前，机械设计只考虑静强度，而不考虑变化对零件寿命的影响。这样设计出来的机械产品经常在运行一段时期后，经过一定次数的应力变化（循环）而产生疲劳，致使突然发生脆性断裂，造成灾难性事故。
&应用设计能保证机械在给定的寿命内安全地运行。&
& &金属的疲劳断裂早为人们所注意，1830年德国人Albert
就已经做了链条的疲劳试验。据目前统计，机械零部件的断裂事故中，有百分之五十至百分之八十是属于疲劳强度不够而引起的，因此，疲劳理论在机械强度设计中占有重要的位置。然而疲劳理论用于产品设计上，还只是二十世纪初的事情。随着现代工业日益向高速、高压、高温…等方面的发展，疲劳破坏也越来越严重，疲劳问题也得到了重视，疲劳强度设计也已被广泛地应用于各种专业机械的设计之中，如：航空、汽车、拖拉机、动力机械、化工机械、工程机械私和重型机械…等行业，都采用了疲劳强度设计。
&结构疲劳强度与材料疲劳强度不同，它是研究整机和零部件在各种类型的变载荷下以及不同环境下的疲劳失效机理、断裂性态、计算和试验方法、以及安全设计谁则…等的一门学科。正确地应用疲劳理论于强度设计上，可以得到合理的设计(包括选材、结构尺寸及加工工艺等)，或根据工况及给定的零部件估算共寿命。
&&&机械零部件在循环变应力下的疲劳破坏，与在静应力作用下的失效有着本质的区别：静强度失效，是由于在零部件的危险截面中，产生过大的残余变形导致最终的屈服或断裂；而疲劳破坏则是由于在零部件的高局部应力区域，较弱的在变应力的作用下形成微裂纹，微裂纹再发展成宏观裂纹……裂纹的继续扩展导致最终的疲劳破坏。
& & &绝大多数的机械零部件，都是在变载荷工况下工作的。这些零部件，疲劳破坏是主要的破坏形式。疲劳强度计算是重要的强度计算之一。应用疲劳强度计算的理论和方法，可使机械的承载能力大、重量轻、成本低和寿命长。&
&疲劳分析一般包括五种：应力疲劳分析、应变疲劳分析、多轴疲劳分析（二向应力状态或三向应力状态的疲劳分析）、焊接疲劳分析、振动疲劳分析。
& & 疲劳强度设计简史：
&&19世纪40年代，随着铁路的发展，机车车轴的疲劳破坏成为非常严重的问题。
1867年，德国人A.沃勒在巴黎博览会上展出了他用旋转弯曲试验所获得的车轴疲劳试验的结果，把疲劳与应力联系起来，提出了的概念，为常规疲劳设计奠定了基础。&
&20世纪40年代以前的常规疲劳强度设计只考虑无限寿命设计。第二次世界大战战中以及战后，通过对当时发生的许多疲劳破坏事故的调查分析，逐渐形成了现代的常规疲劳强度设计，它不但提高了无限寿命设计的计算精确度，而且还可以按给定的有限寿命来设计零件——有限寿命设计的理论基础是线性损伤积累理论。早在1924年，德国人A.帕姆格伦在估算寿命时，曾假定轴承材料受到的疲劳损伤的积累与轴承转动次数（等于载荷的循环次数）成线性关系，即两者之间的关系可以用一次方程式来表示。1945年，美国M.A.迈因纳根据更多的资料和数据，明确地提出了线性损伤积累理论，也称帕姆格伦-迈因纳定理。
　　 &随着的发展，美国A.K.黑德于1953年提出了疲劳裂纹扩展的理论。1957年，美国P.C.帕里斯提出了疲劳裂纹扩展速率的半经验公式。1967年，美国R.G.福尔曼等又对此提出考虑平均应力影响的修正公式。这些工作使人们有可能计算带裂纹零件的剩余寿命，并加以具体应用，形成了损伤容限设计。&
　用概率统计方法处理疲劳试验数据，是20世纪20年代开始的。60年代后期，可靠性设计从电子产品发展到机械产品，于是在航天、航空工业的先导下，开始了理论在疲劳强度设计中的应用。&
　　1961年联邦德国H.诺伊贝尔提出的关于缺口件中名义应力-应变与局部应力-应变之间的关系，称为诺伊贝尔公式。1968年加拿大R.M.韦策尔在诺伊贝尔公式的基础上，提出了估算零件裂纹形成寿命的方法，即：局部应力-应变法，使之在疲劳强度设计中得到了应用和发展。&
1935年英国人Gough研究了交变组合载荷下金属的强度问题，以后陆续开展了多轴疲劳方面的研究。
　 　常规疲劳强度设计：
&&假设材料没有初始裂纹，经过一定的应力循环后，由于疲劳损伤的积累，才形成裂纹，裂纹在应力循环下继续扩展，直至发生全截面脆性断裂。
&&裂纹形成前的应力循环数，称为无裂纹寿命；裂纹形成后直到疲劳断裂的应力循环数，称为裂纹扩展寿命。零件总寿命为两者之和。&
　　 根据零件所用材料试样的疲劳试验结果，以最大应力&为纵坐标、以达到疲劳破坏的循环数&N为横坐标，画出一组试样在某一循环特征下的应力-寿命曲线(-N曲线)。应力－寿命曲线和应变-寿命曲线统称为S-N&曲线（图1）。曲线的斜线部分的一般表达式为：σmN=C，式中m和C为材料常数。在应力和循环数的双对数坐标中，该方程式的图形是一条直线。
　　&大多数结构钢，当&值降低到一定限度时，不再发生疲劳破坏，即疲劳寿命是无限的，这时在图中出现了水平线段。这个值，即转折点Μ的应力值，称为材料的疲劳极限，它比静强度低很多。Μ点的循环数,称为循环基数，用符号N&0表示。N&0将S-N&曲线分成两部分。其右边的区域,N≥N&0为无限寿命区；左边的区域,N&＜N&0,为有限寿命区。在S-N&曲线的倾斜部分，与给定的循环数相对应的应力为有限寿命的疲劳极限，又称条件疲劳极限。在有限寿命区内,当N&低于104～105时为低周疲劳区。&
& 从上图中可以看出：疲劳极限随的增大而减小。但是当
超过某一循环次数N0&时，曲线趋于水平。即疲劳极限不再随N&的增大而减小。
但由于N0&有时很大，所以人们在做疲劳试验时，常规定一个循环次数N0（称为循环基数），用和N0&相对应的疲劳极限σr&来近似代表&σr∞.
& 以N0&为界，曲线分为出两个区：
& &1）无限寿命区：当
时，曲线为水平直线，对应的疲劳极限是一个定值，用σr
表示。它是表征材料疲劳强度的重要指标，是疲劳设计的基本依据。可以认为：当材料受到的应力不超过σr
时，则可以经受无限次的应力循环而不疲劳破坏－－寿命是无限的。
& &2）有限寿命区：非水平段（&＜&）的疲劳极限称为条件疲劳极限，用σrN表示
。当材料受到的工作应力超过σr时，在疲劳破坏之前，只能经受有限次的应力循环－－寿命是有限的。
& &循环应力的特性用“循环特征”表示，即：以最小应力与最大应力的比值&r&＝/&表示（有的书上叫“应力比”）。不同方向的应力，用正负值区别，如：拉应力为正值，压应力为负值。
& &当r＝－1，即&＝－&时，称为对称循环应力；
& &当r＝0，即&＝0
时，称为脉动循环应力；
& &当r＝+1，即&＝&时，应力静止不变，称为静应力；
+1＞r＞－1
时，统称为不对称循环应力。当r不随时间变化时称之为稳定的非对称循环应力。
& &考虑到应力进入压应力区时，r
&变化范围扩大为
＋∝＞r＞－∝。
& &对应于不同的循环特征，有着不同的S-N&曲线、疲劳极限和有限寿命的条件疲劳极限。&
& 以σm&表示平均应力，σa&表示应力幅，则有：
式中：m&为循环应力的静力成分，而a为循环应力的动力成分。
& &对于静应力，a=0，m=；
& &对称循环应力的m=0，a=；
& &不对称循环应力的a和m都不等于零，即：既有静力成分,又有动力成分。
& &以m为横坐标、a为纵坐标，可以画出在不同循环特征下的疲劳极限曲线。因为该曲线上各点的相等，故这些曲线也称等寿命曲线。下图2是某种材料的疲劳极限曲线。A点为对称循环的疲劳极限(-1)，B点为a接近于零时的疲劳极限，它等于材料的强度极限(+1＝b)；C点为脉动循环的疲劳极限(0&)。曲线上的其他点（如D点）表示其他循环特征的疲劳极限(r)。
& &在工程上，常将这曲线简化为&ACB折线；在试验数据缺乏时，甚至简化为AB直线。这样简化，降低了设计计算的精确度，但偏于安全。
& &常规疲劳强度设计是以名义应力（Nominal stress，即：载荷除以原始截面面积得到的应力）为基础的，可分为无限寿命设计和有限寿命设计：
　　 无限寿命设计（infinite
life design）
将工作应力限制在疲劳极限以下，即应用S-N&曲线的水平段进行设计，零件的疲劳寿命假设是无限的。&
　　 在疲劳试验中，除少数试样与实际零件相同外，一般使用小直径 （5～10毫米）、规定的光滑试样。实际零件常存在由圆角、键槽…等引起的，其尺寸和表面状态与试样有差异，所以，设计时必须引入应力集中系数K、尺寸系数θ和表面系数β。有应力集中时K＞1.0；零件尺寸大于试样尺寸时θ＜1.0；表面粗糙度高于规定值时β＜1.0。用方法。如表面热处理和表面冷加工硬化…等，可使β&增大到1.0
　　 一般认为，&K、θ、β&只作用于循环应力中的动力成分σa，而对静力成分σm没有影响。因此，设计时满足疲劳强度的条件为：
& &式中：ψ&为材料对平均应力σm&的折算系数（材料常数），常用钢材的ψ值和常用的&K、θ、β&…等系数值都可从工程手册中查到；n&为所采用的，在疲劳强度设计中，当材料质量均匀优良、设计计算精确时一般取n=1.3～1.5；在材质和计算精确度较差时取n=1.5～1.8；在材质和计算精确度很差时取n=1.8～2.5。&
&有限寿命设计（finite
life design）
&　某些机械产品，例如飞机、汽车…等，因为技术发展快、更新周期短，不需要很长的使用寿命；另一些产品，如鱼雷、导弹…等，则是一次消耗性的。对于这些产品，减轻重量是提高其性能水平的关键。因此，即使整台产品需要较长的寿命，也宁愿用定期更换的办法让其某些零件设计得寿命较短从而重量较轻。有限寿命设计为保证满足使用寿命的条件下，采用超过的工作应力，以减小零件截面，减轻重量。&
设零件承受循环应力，当其最大和最小应力的数值固定不变时，有限寿命设计的方法与无限寿命设计相同，只是在强度判据中，以有限寿命的条件替代疲劳极限。材料相关之K、θ、β&…等影响系数，也需使用相应寿命下的数值。&
　　 但是，大多数机械零件的循环应力，其最大和最小应力值是变化的，需要根据（见&）用线性损伤积累理论进行寿命估算。&
　　 设在中，有应力幅为&1&、2、…i、…等各级应力，其循环数分别为&n1、n2、…ni、…，从材料的&S-N&曲线
中可以查到对应于各级应力的达到疲劳破坏的循环数&N1、N2、…Ni、…。根据疲劳损伤积累为线性关系的理论，比值&ni/Ni&为材料受到应力&i
&的损伤率。发生疲劳破坏，即损伤率达到100％的条件为：
&&这就是线性损伤积累理论
（帕姆格伦-迈因纳定理）的表达式。令N&为以循环数表示的疲劳寿命，则上式可改写为：
&式中：ni/N&
为应力i&的循环数在的总循环数中所占的比例，是已知数。线性损伤积累理论与实际情况并不完全符合，疲劳破坏时，并不恰好等于
1。但由于该理论简单、比较接近实际，得到了广泛应用。&
有限寿命设计需要先知道应力值。设计时，一般按初算结果初步确定零件尺寸，然后分析承受载荷的情况，求得危险截面上的应力变化规律，并对这截面进行疲劳寿命计算，如危险截面不能完全肯定，则可计算几个截面，加以比较。若计算结果不能满足寿命判据，或认为寿命的安全裕度不够，则可以采取改变危险截面的尺寸，或者采取降低应力集中系数、提高表面系数或改用疲劳强度高的材料…等措施予以解决。&
　　 以上所述的疲劳强度设计，是以名义应力（载荷除以原始截面面积得到的应力）为基础进行设计计算的，称为名义应力法。后来在有限寿命设计中，又发展了局部应力-应变法，其基本出发点是：认为疲劳是一种局部现象，总是在应力集中的局部区域开始发生。虽然这时有缺口的零件或构件的名义应力还在弹性范围内，但缺口处局部区域的应力往往已超过屈服极限，该局部区域内的材料已处于弹塑性状态，可以用光滑小试样模拟有缺口的零件或构件缺口处材料的疲劳性能。
　　&根据局部区域的应力－应变循环特性来估算裂纹形成阶段的零件寿命的方法，称为局部应力-应变法。这种方法已成功地用来估算下零部件的疲劳寿命，如汽车的传动轴和车架等。&
　　&损伤容限设计：
　　&常规疲劳设计假定材料是没有初始缺陷的（如：）。而实际的零件中几乎都存在各种不同性质、形状和尺寸的裂纹、夹杂…等缺陷。损伤容限设计，以（主要针对）为其理论基础，以断裂韧性试验和无损检测技术为手段，对有初始裂纹的零件，估算其剩余寿命。只要掌握裂纹扩展的规律，并采取裂纹监视和正确的断裂控制措施，剩余寿命是可以安全地加以利用的。断裂控制包括精心选材、合理安排结构布局、控制工作应力、制订适当的检验和检修程序…等。在制造和运行中，都必须严格贯彻规定的检验和检修程序。&
　　为了确保安全，还必须在结构上采取安全措施，以提高损伤容限设计的可靠程度。并规定剩余寿命应大于两个，以保证在发生疲劳破坏之前，至少有两次机会可以发现裂纹已扩展到危险程度（图3）。
概率疲劳设计（疲劳强度可靠性设计）：
&&　在规定的寿命内和规定的使用条件下，保证疲劳破坏不发生的概率在给定值（可靠度）以上的设计。机械产品的是考虑机械及其零件的载荷和材料强度的随机性以及设计数据的分散性，用概率统计的方法进行，其中疲劳试验数据的分散性是它所考虑的一个重要方面。&
& &&新领域
疲劳强度设计的新领域包括：
①&由反复的塑性应变产生的低周疲劳；
&&②&由反复加热和冷却引起热应力循环的热疲劳；
&&③&考虑影响的在高温下受循环应力零件的高温疲劳；
&&④&由腐蚀和疲劳联合作用所引起的腐蚀疲劳。
由两个或三个独立地随时间发生周期性变化的应力(或应变)分量构成的多轴疲劳（复合疲劳）。.
&　&在这些领域中，已提出某些裂纹形成和扩展的模型，但要将这些模型实际应用于疲劳强度设计，还需要做更多的工作。
& & 高温疲劳与热疲劳：
& &1. 高温疲劳
&高温疲劳是指零件在高于材料的0.5Tm(用绝对温度表示的熔点)或高于再结晶温度时受到交变应力的作用所引起的疲劳破坏。生产中有许多机器零件是在高温和交变载荷作用下工作。如汽轮机、燃气轮机的叶轮和叶片，柴油机的排气阀等，容易产生高温疲劳破坏。高温疲劳具有以下特点:
&(1)高温疲劳的疲劳曲线无水平部分，疲劳强度随循环周次 N
增加不断降低。因此，高温下的材料疲劳强度用规定循环周次下的疲劳强度表示，一般取5&107或108次。
&(2)高温疲劳总伴随蠕变发生，温度越高蠕变所占比例越大，疲劳和蠕变交互作用也越强烈。不同材料显著发生蠕变的温度不同，一般当材料温度超过0.3Tm时蠕变显著发生，使材料的疲劳强度急剧降低。例如，碳钢温度超过300～350℃，合金钢超过350～400℃的发生显著蠕变。
&(3)材料的高温疲劳强度与高温强度(蠕变极限和持久极限)的关系如图4-5所示。材料的
蠕变极限随温度变化曲线l与疲劳极限随温度变化曲线2相交于一点，说明当材料温度低于此点对应温度时，材料以疲劳破坏为主；高于此点对应温度则以蠕变破坏为主。
&2. 热疲劳
& &1）热应力
&零件各部分受热不同，温度不同，产生的变形也不同。同时，零件材料产生变形的金属与变形小的金属或未产生变形的金属相互约束和牵制而产生由温差引起的应力，即热应力。零件内外表面温差、同一截面上中心与边缘的温差均会产生热府力，高温面(或处)产生压应力，低温(或处)产生拉应力。例如，柴油机气缸盖底面(触火面)温度高迭40～500℃，而冷却面温度为60～80℃。底面金属受热的膨胀受冷却面未变形金属约束产生压应力，冷却面金属受高温底面变形金属的牵制产生拉应力。底面中心和边缘也会由于温差在中心处产生保应力，在边缘处产生拉应力。温差越大，热应力也越大。
&根据热应力与时间的关系分为定常热应力和不定常热应力。定常热应力是指不随时间变化的热应力。例如稳定运转的柴油机燃烧室零件的温度叫视为不变化，所产生的热应力为定常热应力。不定常热应力是指随时间变化的热应力。
&根据热应力变化的频率分为高频热应力和低频热应力。柴油机运转时，周期变化的高温燃气作用引起燃烧室零件触火面高温也是周期变化的，频率高，故产生高频热应力。柴油机起动、停车或变工况运转时，燃烧室零件产生不定常热应力，其变化周期与起动、停车或工况变化的周期相同，频率低，故为低频热应力。
& &2）热疲劳
&&热疲劳是零件在循环热应力反复作用下产生的疲劳破坏。
&&在热疲劳过程中由于高温引起材料内部组织结构变化，降低了材料的热疲劳抗力；高温促使表面和裂纹尖端氧化，甚至局部熔化，加速热疲劳破坏;零件截面上存在温度梯度，特别足厚壁零件温度梯度更大，在温度梯度最大处造成塑性应变集中，促进热疲劳破坏的发生。
&&热疲劳裂纹是在受热表面热应变最大区域形成，一般有几个疲劳裂纹源，裂纹沿表面垂直受热方向扩展，并向表面内纵深方向发展。所以，零件热疲劳破坏是以受热表面上产生特有的龟裂裂纹为特征。热疲劳裂纹与循环温差、零件表面缺口状态和材料有关。循环温差越大、表面缺口越尖锐，就越容易发生热疲劳。
&&金属材料的热疲劳抗力不但与材料的导热性、比热等热力学性质有关，而且与弹性摸量E、屈服极限σs等力学性能关有。所以导热性差的脆性材料，如灰口铸铁容易发生热疲劳破坏。提高材料热疲劳抗力的途径主要有:
尽可能地减少甚至消除零件上的应力集中和应变集中;&
&&(2) 提高材料的高温强度;
&&(3) 提高材料的塑性;
&&(4) 降低材料的热膨胀系数。
& &热疲劳与机械疲劳的区别：
除了热应力，还有内部组织变化，使强度和塑性降低。
温度分布不均，温度梯度大塑性变形大。
温度高时，穿晶断裂会向晶间断裂过渡。
&&&在相同的塑性变形范围内，热疲劳寿命一般比机械疲劳低。
& & 结构疲劳分析的一般方法：
& &在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中发生的局部的、永久结构变化的发展过程，称为疲劳。由此，可以确定对结构进行疲劳设计的两个必要条件：
&1）扰动应力；
&2）足够多的循环。
& &如过不具备这两个条件，设计过程中就没有必要考虑结构的疲劳问题。
&目前，对结构进行疲劳分析主要有两种途径：
&1）利用分析软件直接对结构进行疲劳分析，最终求得结构的疲劳寿命；
&2）根据不同的疲劳工况，利用有限元软件分析计算出结构应力的变化，然后将其与利用规范计算出的许用疲劳应力相比较，看是否满足要求。
&对于前者，最为关键的是定义输入载荷谱或应力谱，而当结构的工况相对较为复杂时，载荷谱或应力谱的定义过程就相当于后者的前期处理过程；同时，客户一般会在协议中指定结构设计计算时必须参考的标准规范，所以为了更好地满足客户的需求，建议结构疲劳计算时采用后者的方法。
&根据标准规范对结构进行疲劳分析时一般包括以下五个方面：
&1．疲劳载荷的确定
&结构所承受的载荷可以分为三种：
&1）基本载荷，主要指设备在正常工作情况下通常出现的载荷（如结构自重、物料载荷、永久性动载等）；
&2）附加载荷，主要指设备运行或停止时可能断续出现的载荷（如设备工作风载、摩擦阻力、运行阻力、非永久性动载等）；
&3）特殊载荷，是指在设备工作和非工作状态时不应产生，但又无法避免的载荷（如非工作风载、结构碰撞、地震载荷等）。疲劳计算时只需考虑基本载荷，而且对于物料载荷或其它的基本载荷，有的标准规范中还规定了疲劳计算时载荷的缩小系数。
&2．循环次数的确定
&同一结构，所考虑的疲劳载荷不同时，其循环次数也不尽相同，这主要是因为不同的疲劳载荷产生的原因是不同的。例如，对于堆取料机来说，考虑物料载荷的扰动影响时是指传送皮带上物料的有无，而考虑永久性动载的扰动影响时则是指设备在工作过程中的正常启、制动，即便是同一结构的同一载荷，针对不同的工作工艺流程，其循环次数也是不同的。所以，设备的工作工艺流程是不同载荷循环次数计算的决定性因素。当载荷的循环次数确定后，首先应该判断其对结构的循环扰动作用是否足够多，当循环次数N≤103（104）（低周疲劳）时，无需对结构进行疲劳校核。
&3．构件焊接形式的选择
&工程中的钢结构多为焊接结构，构件的疲劳强度除取决于结构使用的材料外，还与接头的形状和制造方法密切相关。被连接件的形状和连接方法会影响到应力集中的形成，从而使构件的疲劳强度大为降低。不同的标准规范在经过大量试验的前提下，给出了针对不同的焊接接头形式的构件疲劳强度（如下图，为AS4100－1998标准中所列举的针对载荷循环次数为2&10^6构件的焊接形式及其许用应力幅值，左边的数字便为其疲劳强度值，单位为MPa）。因此，如何根据结构的实际焊接形式恰当地对照标准中的焊接类型来确定结构具体部分的疲劳强度值，也需要一定经验的积累。
&4．有限元计算时应力的取值
&结构按不同计算工况用有限软件计算完毕后，在后处理中可以选择的应力有很多种，究竟以哪种应力作为疲劳强度校核时的参考应力很值得探讨。在美国钢结构设计规范中明确提出，对于整个应力范围内全部承受压应力的结构，无需考虑结构的疲劳强度，因为这种情况下裂纹不会扩展出焊缝残余拉应力以外的范围。由此，应力的取值应该区分出正负值，所以原则上来说，针对不同的结构部位，只有主应力才能够严格地区分出结构局部承受的应力是拉应力还是压应力。按板壳单元计算结构的应力时，还有点的应力应该取值于板的顶面、中位面还是底面的问题。由于板壳的同一点在同一工况下当其在顶面上表现拉应力时，而底面上则可能表现为压应力，所以对于同一点，校核其疲劳强度时，该点的最大应力及最小应力值的取面应该保持一致。
&5．许用疲劳应力的确定
&就目前不同的设计标准规范来说，疲劳计算常用方法可分为两种：
&1）应力比法，一般无较大残余应力的结构，如已消除残余应力的焊接结构或用螺栓、铆钉等连接的非焊接结构适合用应力比法确定其疲劳特性（目前采用应力比法的有GB3811、ISO5049、FEM，DIN，BS等规范）。
&2）应力幅法，对有较大焊接残余应力、较多焊接初始缺陷的焊接结构,&应力幅法比应力比法更能反映其疲劳的实际状态（目前采用应力幅法的有GB50017、AS、AISC等规范）。
&由二者的名称，明显可以看出其区别所在：应力比法疲劳强度确定的关键是结构某点最小主应力与最大主应力的比值，而应力幅法疲劳强度确定的关键是结构某点最大主应力与最小主应力的差值。采用应力比法确定结构疲劳强度具有代表性的标准是FEM起重机设计规范和ISO5049移动式连续散料搬运设备钢结构设计规范；而采用应力幅法确定其疲劳强度具有代表性的标准是AS和GB钢结构设计规范。
& & SW-Simulation
进行疲劳分析/计算的一般流程：
&&参考书目：&
&&徐灏:《疲劳强度设计》,机械工业出版社,北京,1981。&
H.O.Fuchs， R.I.Stephens，Metal　Fatigue
in Engineering，John
Wiley & Sons,New York，1980.
钢结构疲劳设计和评定实用规程
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