国内外疲劳寿命分析技术综述

尚其刚 李彦红

【摘 要】因疲劳而引发的机械零件破坏约占80%，因此疲劳破坏的问题得到了国内外的极大关注，其中疲劳寿命的预测尤其重要，本文简单探讨国内外关于疲劳现象的系统研究。

【关键词】疲劳寿命；研究

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”（ASTM E206-72）中给出疲劳的定义：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永久结构变化的发展过程，称为疲劳。1964年，日内瓦的国际标准化组织在《金属疲劳试验的一般原理》中给疲劳下了一个描述性的定义：金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫做疲劳。据统计，机械零件破坏的80%由疲劳引起的，特别是随着机械零件向大型、复杂化和高温、高速使用环境的方向发展，大量的随机因素增加，疲劳破坏更是层出不穷，因此关于疲劳破坏问题的研究得到了极大的关注，其中疲劳寿命的预测尤为重要。

1847年，德国人W?hler用旋转疲劳试验机首先对疲劳现象进行了系统研究，提出S-N曲线及疲劳极限的概念，奠定了疲劳破坏的经典强度理论基础。1874年，W. Gerber等研究平均应力的影响，画出相应的疲劳极限线图—Gerber抛物线。1929年，英国人Haigh发表了高强度钢与低碳钢有不同的缺口敏感性的论文，他所采用的缺口应变分析及“残余应力”的概念，被后人加以补充和发展。1930年，英国人Goodman简化了疲劳极限图，即用直线将纵轴上的对称循环疲劳极限点和横轴上的强度极限点连接，以此来替代Gerber抛物线；由于Goodman的疲劳极限图相对简单，所以至今仍在常规疲劳强度设计中被广泛使用。20世纪20-30年代人们已经开始研究疲劳机理，把疲劳过程划分为裂纹萌生、裂纹扩展及断裂三个阶段。1945年，M. A. Miner（US）提出了损伤与循环次数成线性关系即Palmgren-Miner线性累积损伤准则。

1953年，澳大利亚人赫德提出了疲劳裂纹扩展理论，但未经过实验验证。1957年，美国人欧文研究了中心裂纹板在垂直于裂纹方向上受拉伸的情况，基于裂纹尖端附近的弹性力学应力分析，欧文把裂纹长度的平方根与应力的乘积定义为应力强度因子。由此，应力强度因子成为了描述材料在裂纹尖端受力程度的一个重要参量。并根据应力强度因子存在一临界值，当达到或大于此临界值时，裂纹发生失稳扩展的现象，定义此临界值为断裂韧性，从而确定了断裂力学的断裂准则。1957年，美国人Paris指出，在循环载荷作用下，裂纹尖端处的应力强度因子的变化幅度是控制构件疲劳裂纹扩展速率的基本参量，Paris并于1963年提出了疲劳裂纹扩展速度的指数幂定律（Paris定律）。1968年由日本的Matsuishi M和Endo T 认为塑性的存在是造成疲劳损伤的必要条件，这种塑性性质由应力—应变迟滞回线表现出来，而一个大的应力—应变循环对材料造成的损伤，不受小的循环的影响，基于此他们提出了雨流计数法。

20世纪60年代末和70年代初，发展起来两种疲劳寿命估算方法。其一就是著名的Manson-Coffin局部应变法，此方法试图描述和预测裂纹萌生寿命，从而奠定了低周疲劳的基础，而另一种方法是基于断裂力学（如线弹性断裂力学EFM）的裂纹扩展计算方法。

从20世纪80年代以来，在复杂工作条件下的可靠性寿命预测模型研究成为疲劳问题的研究的重点，即着力探讨在变幅载荷、腐蚀环境、高低温及多轴应力状态等特殊环境下的疲劳问题。

根据研究对象的不同，疲劳问题可以分为材料疲劳和结构疲劳。材料疲劳的研究包括材料的失效机理、化学成分和微观组织对疲劳强度的影响、标准试样的疲劳试验方法和数据处理方法、材料的基本疲劳特性、环境和工况的影响以及材料断口的宏观和微观形貌等，材料疲劳的特点是使用标准试样进行试验研究；结构疲劳则以零部件、接头以至整机为对象，研究它们的疲劳性能、抗疲劳设计方法、寿命估计方法和疲劳试验方法，形状、尺寸和工艺因素的影响，以及提高疲劳强度的方法。此外，根据材料疲劳破坏前所经历的循环次数（即寿命）的不同，可以分为高周疲劳和低周疲劳。

国内疲劳方面的研究比较少，而且已有的研究主要在集中在理论分析和试验验证上。赵永翔等发现了“随机循环应力-应变响应”现象，应变疲劳可靠性分析以及随机疲劳极限的试验测定做了较多的研究，建立了应变疲劳可靠性分析方法新体系。赵少汴通过试验比较了构件不同疲劳损伤累积理论下疲劳寿命估算精度。姚卫星，尚德广，王德俊等人主要对多轴疲劳损伤模型、多轴循环计数、及多轴疲劳寿命预测方法做了较深入的研究，取得了很多重要研究成果。但是，由于疲劳问题研究十分复杂，尤其是高温、变幅、随机多轴加载下疲劳问题，还需要做更系统深入的研究。