重载货车钩舌的疲劳特性分析

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1、第一章绪论1．1前言人们认识和研究疲劳问题，已经有150年的历史。在不懈地探究材料与结构疲劳奥秘的实践中，对疲劳的认识不断地得到修正和深化。引述美国试验与材料协会(ASTM)在“疲劳试验及数据统计分析之有关术语的标准定义’’(ASTME206--72)中对疲劳所作的定义【l】：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所发生的局部的、永久结构变化的发展过程，称为疲劳。在进入21世纪的今天，人们对传统强度(静载荷作用、无缺陷材料的强度)的认识已相当深刻，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

2、大增强。而疲劳与断裂引起的失效在工程失效中越来越突出，疲劳(Fatigue)与断裂(Fracture)是引起工程结构和构件失效的最主要的原因。1．2疲劳研究方法及发展现状工程构件的破坏形式主要有三种：磨损、腐蚀和断裂。磨损和腐蚀进行得较为缓慢，一般可通过定期检查、修理、更换来解决。而断裂常常是突发性的，往往造成灾难性的设备或人身事故。根据国外统，机械零件的破坏50％一90％为疲劳破坏。例如，轴、曲轴、连杆、齿轮、弹簧、螺栓、压力容器、海洋平台、汽轮机叶片和焊接结构等；很多机械零部件和结构件的主要破坏方式都是疲劳。已有研究结果表明，军用飞机喷气发动机构件的主要

3、失效原因是高周疲劳，疲劳失效占喷气发动机全部构件损伤的49％，而高周疲劳又几乎占所有疲劳失效的一半【21。我国同类产品的使用寿命往往比发达国家低，问题更为严重。疲劳问题首先是19世纪初，由于蒸汽机车问题提出的，但在后来的其它领域，如航空航天、交通车辆

4、、轮船、桥梁、建筑等，也都出现了众多的疲劳破坏。从19世纪30年代开始，理论界和工程界一直都在研究疲劳破坏的机理及防治对策。自从德国工程师A．Wholer为解决断轴问题，试验测定第一条S_Ⅳ曲线开创现代疲劳研究以来，对于材料和结构疲劳行为的研究已有近150年的历史，研究成果不断丰富。Wholer在1871年发表

5、的论文中，系统论述了疲劳寿命与循环应力的关系，提出了洲曲线和疲劳极限的概念，确定了应力幅是疲劳破坏的主要因素。Gerberw．在1874年研究了平均应力对疲劳的影响，提出了表达极限应力幅％和平均应力仃。之间关系的抛物大连交通大学1：学硕十学位论文线方程。1899年，英国人Goodman对疲劳极限图进行了简化，提出了著名的简化曲线Goodman图，此图至今仍在广泛应用。Busqiun首先提出了指数形式的S—N曲线方程，从而奠定了常规疲劳设计的基础。1903年EwlingJ．A．和HumferyJ．C．W通过微观研究，指出了疲劳破坏是由与单调变形相类似的滑移所产

6、生的。1910年Bairstow研究了循环载荷下应力一应变曲线的变化，测定了迟滞回线，建立了循环硬化和循环软化的概念，并且进行了程序疲劳试验。对于变幅载荷下疲劳寿命的研究，1924年Palmgren．J．V，首先提出了线性累积损伤理论。1945年MinerM．A在对疲劳累积损伤问题进行大量试验的基础上，根据能量原理对累积损伤原理进行了理论推导，形成了Palmgren—Miner线性累积损伤法则(简称Miner法则)。尽管人们对疲劳累积损伤理论还在不断进行探索，并提出了很多非线性计算方法，但Miner法则由于其计算简单，至今仍被广泛应用。由于疲劳寿命的离散性，

7、人们开始从确定模型的研究转入概率模型的研究。1947年美国Freudenthfl教授首先建立了用于静强度可靠性设计的应力一强度干涉模型。疲劳可靠性设计就是把静强度可靠性设计的理论应用于疲劳设计中，只是用疲劳寿命N次循环下的疲劳强度代替静强度。1949年，Wclbullw发表了著名的对疲劳试验数据进行统计分析的方法。1959年，POPeJ．A．指出疲劳试验的寿命数据符合对数正态分布。1961年StulenF．B．等人在机械设计中考虑了材料疲劳极限的概率分布。以上研究的重点均针对高周疲劳问题，对于大应变的低周疲劳问题，1954年美国航空和航天管理局研究所的Man

8、sonS．S．和CoffinL．F在大量疲劳试验的基础上，提出了表征塑性应变范围与疲劳寿命问关系的Manson．Coffin方程。1961年Neube：H．开始用局部应力应变研究疲劳寿命，得出了描述缺口非线性应力一应变特性的Neuber定律。后由MansonsS．S．、DolanT．J．、ToPPerT．H．、WetzelR．M．和MorrowJ．等人做了进一步研究。1971年WetzeR．M．建立了用局部应力应变分析方法估算零部件疲劳寿命的方法，形成了今天的裂纹形成寿命计算方法。断裂力学的发展使得裂纹扩展寿命的研究得到突破性的进展，最有代表性的是PalrS

9、P．C．提出的裂纹扩展速率公式，给疲劳研究提供了一个