疲勞強度計算

疲勞強度計算是指，零件和構件在低于材料屈服極限的交變應力（或應變）的反復作用下，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)以后，在應力集中部位萌生裂紋。裂紋在一定條件下擴展，最終突然斷裂，這一失效過程稱為疲勞破壞。材料在疲勞破壞前所經(jīng)歷的應力循環(huán)數(shù)稱為疲勞壽命。

根據(jù)應力循環(huán)數(shù)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(huán)次數(shù)一般少于10^4-10^5，每次循環(huán)過程中都發(fā)生塑性變形。低周疲勞破壞就是塑性變形累積的結(jié)果。
高周疲勞是指材料所受的交變應力遠低于材料的屈服極限，斷裂前的應力循環(huán)次數(shù)大于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。高周疲勞采用常規(guī)疲勞計算方法。

計算

  常規(guī)疲勞強度計算假設零件沒有初始裂紋，應用標準試樣實驗得到的材料疲勞極限或S-N曲線為依據(jù)，再考慮零件由于表面狀態(tài)、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(jù)試驗數(shù)據(jù)得到的S-N曲線。
  鋼材的S-N曲線的右側(cè)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，只要最大應力小于疲勞極限，應力循環(huán)次數(shù)可以無限大而不發(fā)生破壞。水平線起始點的橫坐標Ne大約為10^7，N>=Ne的區(qū)域稱為無限壽命區(qū)。根據(jù)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(cè)是一條近似斜線，在斜線段N<Ns，稱為有限壽命區(qū)，根據(jù)這段斜線所作的疲勞強度計算稱為有限壽命計算。
準則
1.如果零件的應力循環(huán)次數(shù)N<=Ns（Ns為疲勞曲線上材料屈服極限σ [s]）對應的循環(huán)數(shù)，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(huán)次數(shù)N大于Ns，但是小于Ne（Ne稱為應力循環(huán)基數(shù)），對于鋼材Ne≈10^7。根據(jù)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(huán)次數(shù)N>=Ne，根據(jù)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，由于應力循環(huán)數(shù)少，不做疲勞計算。工作級別M4、M5的機構根據(jù)應力循環(huán)數(shù)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(jié)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(qū)、臺灣省、南海諸島以及內(nèi)陸山口地區(qū)自身高度大的起重機，如果金屬結(jié)構自振頻率小于4Hz，由于風振作用，在自重載荷和風載荷作用下，金屬結(jié)構有可能發(fā)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。
應力循環(huán)數(shù)
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(nèi)的應力循環(huán)次數(shù)進行計算。
零件在設計壽命期內(nèi)的應力循環(huán)數(shù)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?。籉--零件每小時應力循環(huán)數(shù)，應力變動值小于最大應力絕對值的10%時，不計其應力循環(huán)數(shù)。
無限壽命疲勞
  當零件應力循環(huán)數(shù)N大于循環(huán)基數(shù)Ne，應進行無限壽命疲勞計算。這一設計準則要求零件或結(jié)構在無限長的使用時期內(nèi)，不發(fā)生疲勞破壞。S-N曲線的水平段說明，只要將零件部件或結(jié)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(jié)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。但對于地面工作、運轉(zhuǎn)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應用。疲勞強度計算一般在靜強度計算之后進行，采用許用應力法或安全系數(shù)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(jié)構規(guī)定壽命的條件下，依據(jù)零件S-N曲線左段斜線部分，采用大于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(jié)構的自重得以減輕，而減輕重量通常是提高產(chǎn)品性能水平的關鍵之一。有時候，即使整機需要較長的壽命，也情愿定期維修，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采用的方法。對減輕重量有較高要求的機械產(chǎn)品，都使用有限疲勞計算。