疲勞強(qiáng)度計(jì)算

     疲勞強(qiáng)度計(jì)算是指，零件和構(gòu)件在低于材料屈服極限的交變應(yīng)力（或應(yīng)變）的反復(fù)作用下，經(jīng)過(guò)一定的循環(huán)次數(shù)以后，在應(yīng)力集中部位萌生裂紋。裂紋在一定條件下擴(kuò)展，最終突然斷裂，這一失效過(guò)程稱(chēng)為疲勞破壞。材料在疲勞破壞前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)數(shù)稱(chēng)為疲勞壽命。

     根據(jù)應(yīng)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(guò)屈服極限，斷裂前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)一般少于10^4-10^5，每次循環(huán)過(guò)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(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的屈服極限，斷裂前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)大于10^5，通常用疲勞曲線（S-N曲線）來(lái)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(jì)算方法。

計(jì)算

      常規(guī)疲勞強(qiáng)度計(jì)算假設(shè)零件沒(méi)有初始裂紋，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)試樣實(shí)驗(yàn)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(yīng)力集中等因素。下圖示以最大應(yīng)力σ （max）為縱坐標(biāo)，疲勞壽命N為橫坐標(biāo)，根據(jù)試驗(yàn)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(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值稱(chēng)為疲勞極限。疲勞極限表明，只要最大應(yīng)力小于疲勞極限，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)可以無(wú)限大而不發(fā)生破壞。水平線起始點(diǎn)的橫坐標(biāo)Ne大約為10^7，N>=Ne的區(qū)域稱(chēng)為無(wú)限壽命區(qū)。根據(jù)S-N曲線水平線段進(jìn)行的疲勞強(qiáng)度計(jì)算稱(chēng)為無(wú)限壽命計(jì)算。
      疲勞曲線的左側(cè)是一條近似斜線，在斜線段N<Ns，稱(chēng)為有限壽命區(qū)，根據(jù)這段斜線所作的疲勞強(qiáng)度計(jì)算稱(chēng)為有限壽命計(jì)算。
準(zhǔn)則
1.如果零件的應(yīng)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(duì)應(yīng)的循環(huán)數(shù)，一般取Ns≈10^5，零件受靜強(qiáng)度條件控制，不需作疲勞強(qiáng)度計(jì)算。
2.如果零件的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N大于Ns，但是小于Ne（Ne稱(chēng)為應(yīng)力循環(huán)基數(shù)），對(duì)于鋼材Ne≈10^7。根據(jù)零件對(duì)應(yīng)的疲勞強(qiáng)度σ [rk]′ 對(duì)零件進(jìn)行有限壽命疲勞計(jì)算。
3.如果零件的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N>=Ne，根據(jù)疲勞極限σ [rk]對(duì)零件進(jìn)行無(wú)限壽命疲勞計(jì)算。
     工作級(jí)別為M1-M3的機(jī)構(gòu)，由于應(yīng)力循環(huán)數(shù)少，不做疲勞計(jì)算。工作級(jí)別M4、M5的機(jī)構(gòu)根據(jù)應(yīng)力循環(huán)數(shù)N決定是否需要進(jìn)行疲勞計(jì)算。工作級(jí)別M5以上的機(jī)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)零件和金屬結(jié)構(gòu)都需要作疲勞計(jì)算。非工作機(jī)構(gòu)可不做疲勞計(jì)算。沿海地區(qū)、臺(tái)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(jī)，如果金屬結(jié)構(gòu)自振頻率小于4Hz，由于風(fēng)振作用，在自重載荷和風(fēng)載荷作用下，金屬結(jié)構(gòu)有可能發(fā)生疲勞破壞，不論起重機(jī)的工作級(jí)別如何，都需要進(jìn)行疲勞計(jì)算。
應(yīng)力循環(huán)數(shù)
     為了確保是否需要進(jìn)行疲勞計(jì)算，以及在進(jìn)行疲勞計(jì)算時(shí)確定零件的疲勞強(qiáng)度，都需要對(duì)零件在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)進(jìn)行計(jì)算。
     零件在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)的應(yīng)力循環(huán)數(shù)N位：N=FZ
          式中 Z--零件的設(shè)計(jì)壽命（h），一般按照機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)壽命選??；F--零件每小時(shí)應(yīng)力循環(huán)數(shù)，應(yīng)力變動(dòng)值小于最大應(yīng)力絕對(duì)值的10%時(shí)，不計(jì)其應(yīng)力循環(huán)數(shù)。
無(wú)限壽命疲勞
      當(dāng)零件應(yīng)力循環(huán)數(shù)N大于循環(huán)基數(shù)Ne，應(yīng)進(jìn)行無(wú)限壽命疲勞計(jì)算。這一設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求零件或結(jié)構(gòu)在無(wú)限長(zhǎng)的使用時(shí)期內(nèi)，不發(fā)生疲勞破壞。S-N曲線的水平段說(shuō)明，只要將零件部件或結(jié)構(gòu)的工作應(yīng)力限制在它們的疲勞極限以下，就可以使零件或結(jié)構(gòu)的壽命無(wú)限長(zhǎng)。無(wú)限壽命設(shè)計(jì)是最老的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，按照這種準(zhǔn)則設(shè)計(jì)的零件或部件，一般尺寸較大，比較保守。但對(duì)于地面工作、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)的機(jī)械和設(shè)備，無(wú)限壽命疲勞強(qiáng)度計(jì)算仍然獲得廣闊的應(yīng)用。疲勞強(qiáng)度計(jì)算一般在靜強(qiáng)度計(jì)算之后進(jìn)行，采用許用應(yīng)力法或安全系數(shù)法。
有限壽命疲勞
      有限壽命疲勞計(jì)算的基本思想是，在確保零部件或結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)應(yīng)力進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算。這樣能使材料的承載能力充分利用，零件或結(jié)構(gòu)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(guān)鍵之一。有時(shí)候，即使整機(jī)需要較長(zhǎng)的壽命，也情愿定期維修，用更換零件的辦法，讓某些零件設(shè)計(jì)得壽命較短，而使重量更輕。有限壽命計(jì)算是當(dāng)前許多機(jī)械設(shè)計(jì)疲勞計(jì)算時(shí)主要采用的方法。對(duì)減輕重量有較高要求的機(jī)械產(chǎn)品，都使用有限疲勞計(jì)算。