簡介

1954年，世界上第一款商業客機deHavillandComet接連發生了兩起墜毀事故，這使得“金屬疲勞”一詞出現在新聞頭條中，引起公眾持久的關注。這種飛機也是第一批使用增壓艙的飛行器，采用的是方形窗口。增壓效應和循環飛行載荷的聯合作用導致窗角出現裂紋，隨著時間的推移，這些裂紋逐漸變寬，最后導致機艙解體。Comet空難奪去了68人的生命，這場悲劇無時無刻不在提醒著工程師創建安全、堅固的設計。

自此以后，人們發現疲勞是許多機械零部件（例如在高強度周期性循環載荷下運行的渦輪機和其他旋轉設備）失效的罪魁禍首。

事實證明，有限元分析(FEA)是用于了解、預測和避免疲勞的首要工具。

什么是疲勞？

設計人員通常認為最重要的安全因素是零部件、裝配體或產品的總體強度。為使設計達到總體強度，工程師需要使設計能夠承載可能出現的極限載荷，并在此基礎上再加上一個安全系數，以確保安全。但是，在運行過程中，設計幾乎不可能只承載靜態載荷。在絕大多數的情況下，設計所承載的載荷呈周期性變化，反復作用，隨著時間的推移，設計就會出現疲勞。

實際上，疲勞的定義為：“由單次作用不足以導致失效的載荷的循環或變化所引起的失效”。疲勞的征兆是局部區域的塑性變形所導致的裂紋。此類變形通常發生在零部件表面的應力集中部位，或者表面上或表面下業已存在但難以被檢測到的缺陷部位。盡管我們很難甚至不可能在FEA中對此類缺陷進行建模，但材料中的變化永遠都存在，很可能會有一些小缺陷。FEA可以預測應力集中區域，并可以幫助設計工程師預測他們的設計在疲勞開始之前能持續工作多長時間。

疲勞的機制可以分成三個相互關聯的過程：

1.裂紋產生

2.裂紋延伸

3.斷裂

FEA應力分析可以預測裂紋的產生。許多其他技術，包括動態非線性有限元分析可以研究與裂紋的延伸相關的應變問題。由于設計工程師最希望從一開始就防止疲勞裂紋的出現，本白皮書主要從該角度對疲勞進行闡述。關于疲勞裂紋增長的討論，請參閱附錄A。

確定材料的疲勞強度

裂紋開始出現的時間以及裂紋增長到足以導致零部件失效的時間由下面兩個主要因素決定：零部件的材料和應力場。材料疲勞測試方法可以追溯到19世紀，由AugustW?hler第一次系統地提出并進行了疲勞研究。標準實驗室測試采用周期性載荷，例如旋轉彎曲、懸臂彎曲、軸向推拉以及扭轉循環。科學家和工程師將通過此類測試獲得的數據繪制到圖表上，得出每類應力與導致失效的周期重復次數之間的關系，或稱S-N曲線。工程師可以從S-N曲線中得出在特定周期數下材料可以承受的應力水平。

該曲線分為高周疲勞和低周疲勞兩個部分。一般來說，低周疲勞發生在10,000個周期之內。曲線的形狀取決于所測試材料的類型。某些材料，例如低碳鋼，在特定應力水平（稱為耐疲勞度或疲勞極限）下的曲線比較平緩。不含鐵的材料沒有耐疲勞度極限。

大體來說，只要在設計中注意應用應力不超過已知的耐疲勞度極限，零部件一般不會在工作中出現失效。但是，耐疲勞度極限的計算不能解決可能導致局部應力集中的問題，即應力水平看起來在正常的“安全”極限以內，但仍可能導致裂紋的問題。

S-N（應力與周期）曲線示例

與通過旋轉彎曲測試確定的結果相同，疲勞載荷歷史可以提供關于平均應力和交替應力的信息。測試顯示，裂紋延伸的速度與載荷周期和載荷平均應力的應力比率有關。裂紋僅在張力載荷下才會延伸。因此，即使載荷周期在裂紋區域產生壓縮應力，也不會導致更大的損壞。但是，如果平均應力顯示整個應力周期都是張力，則整個周期都會導致損壞。