疲劳分析研究材料长期受力后的变化。材料承受反复载荷可能破坏。这种破坏称为疲劳破坏。疲劳破坏突然发生十分危险。工程师必须防止疲劳破坏。疲劳分析帮助工程师预测材料寿命。

疲劳分析有许多方法。一种方法是应力寿命法。应力寿命法使用S-N曲线。S-N曲线表示应力与循环次数的关系。应力高材料寿命短。应力低材料寿命长。应力低于某个限度材料不会疲劳。这个限度称为疲劳极限。钢铁材料有明显的疲劳极限。铝合金没有疲劳极限。铝合金即使应力很低也会疲劳。

另一种方法是应变寿命法。应变寿命法考虑局部塑性变形。应变寿命法适合低周疲劳。低周疲劳循环次数少塑性变形大。高周疲劳循环次数多应力低。应变寿命法使用应变幅与寿命的关系。曼森-科芬方程描述这种关系。曼森-科芬方程包含弹性应变和塑性应变。弹性应变主导高周疲劳。塑性应变主导低周疲劳。

断裂力学也用于疲劳分析。断裂力学研究裂纹扩展。材料可能存在微小裂纹。裂纹在循环载荷下逐渐增长。裂纹增长到临界尺寸发生断裂。帕里斯公式描述裂纹扩展速率。裂纹扩展速率与应力强度因子相关。应力强度因子反映裂纹尖端应力场。应力强度因子受载荷与裂纹尺寸影响。断裂力学方法可以计算剩余寿命。

疲劳分析需要材料数据。材料数据通过实验获得。疲劳试验机进行疲劳试验。试样承受循环载荷。记录试样破坏的循环次数。不同应力水平进行多次试验。试验数据绘制S-N曲线。试验需要大量试样。试验成本高时间长。统计方法处理数据分散性。

有限元分析辅助疲劳分析。有限元计算结构应力应变。结构形状复杂应力分布复杂。有限元模型划分网格。计算机求解应力应变。有限元结果输入疲劳分析软件。软件计算疲劳寿命。有限元与疲劳分析结合很常见。这种方法节省试验成本。设计阶段可以评估疲劳性能。

环境影响疲劳性能。腐蚀环境加速疲劳。腐蚀产生表面缺陷。缺陷成为裂纹起始点。腐蚀疲劳比空气疲劳更严重。温度也影响疲劳。高温材料强度下降。高温可能发生蠕变。蠕变与疲劳交互作用。低温材料变脆。脆性材料疲劳裂纹扩展快。这些因素必须考虑。

疲劳分析有许多实际应用。汽车零件承受循环载荷。发动机曲轴旋转受力。悬架弹簧上下运动。这些零件必须抗疲劳。飞机结构重视疲劳。飞机机翼反复弯曲。起落架着陆冲击。疲劳破坏造成事故。桥梁也承受循环载荷。车辆通过桥梁振动。风载荷引起振动。疲劳分析确保桥梁安全。轮船海洋平台都有疲劳问题。

疲劳分析的研究不断进步。新材料出现需要新数据。复合材料疲劳行为不同。复合材料层间容易脱层。复合材料的疲劳模型复杂。增材制造零件疲劳性能研究。增材制造内部可能存在孔隙。孔隙影响疲劳强度。表面粗糙度也影响疲劳。研究人员探索新方法。多轴疲劳考虑复杂应力状态。实际载荷往往多方向。多轴疲劳模型更准确。概率疲劳考虑不确定性。载荷不确定材料性能不确定。概率方法给出可靠度。

疲劳分析的标准很重要。标准提供统一方法。ASTM国际制定疲劳试验标准。ISO也有相关标准。标准规定试样尺寸。标准规定试验程序。标准规定数据处理。工程师按照标准工作。结果可以比较。设计规范包含疲劳要求。这些规范保证安全。

疲劳分析的知识很重要。工程师学习疲劳知识。大学课程讲授疲劳原理。教科书提供基础知识。研究论文提供新方法。参考文献帮助工程师。工程师查阅参考文献解决问题。

疲劳分析的参考文献很多。书籍系统介绍疲劳。福克斯的《金属疲劳》是经典。该书籍讲述疲劳基本原理。该书籍适合初学者。科林斯的《机械设计中的疲劳》侧重设计。该书籍提供设计方法。该书籍包含许多例子。安德森的《断裂力学基础》介绍断裂力学。该书籍详细讲解裂纹扩展。该书籍数学较多。

研究论文报道新成果。论文发表在期刊上。《国际疲劳》期刊专门刊登疲劳论文。《工程断裂力学》期刊刊登断裂力学论文。《材料科学与工程》期刊刊登材料疲劳论文。这些论文推动疲劳分析发展。会议论文集也重要。国际疲劳会议汇集全球专家。会议论文介绍最新研究。

疲劳分析的软件手册也是参考文献。软件如Fe-safe、nCode、ANSYSFatigue。软件手册解释分析方法。软件手册提供操作步骤。工程师需要学习软件。

疲劳分析的历史很长。十九世纪人们发现疲劳现象。铁路车轴反复旋转断裂。维勒进行系统疲劳试验。维勒提出S-N曲线概念。二十世纪断裂力学发展。帕里斯提出裂纹扩展公式。这些贡献奠定疲劳分析基础。

疲劳分析现在使用计算机。计算机计算速度快。复杂模型可以分析。未来疲劳分析会更精确。新材料新工艺需要研究。疲劳分析继续发展。工程师不断学习新知识。参考文献是重要工具。工程师阅读书籍论文。工程师掌握疲劳分析方法。工程师设计安全产品。疲劳分析帮助防止事故。疲劳分析保护人们安全。