疲勞與斷裂是引起工程結(jié)構(gòu)和構(gòu)件失效的最主要原因?，F(xiàn)今，人們對(duì)傳統(tǒng)強(qiáng)度（靜載荷作用、無缺陷材料的強(qiáng)度）的認(rèn)識(shí)已相當(dāng)深刻，對(duì)傳統(tǒng)強(qiáng)度的控制能力也大大增強(qiáng)。因此，疲勞與斷裂引起的失效在工程失效中越來越突出。19世紀(jì)中葉以來，人們?yōu)檎J(rèn)識(shí)和控制疲勞破壞進(jìn)行了不懈的努力，在疲勞現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)、疲勞機(jī)理的認(rèn)識(shí)、疲勞規(guī)律的研究、疲勞壽命的預(yù)測(cè)和抗疲勞設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展等方面都積累了豐富的知識(shí)，提出了各種抗疲勞設(shè)計(jì)方法。
無限壽命設(shè)計(jì)
人們第一次認(rèn)識(shí)到的疲勞破壞，是19世紀(jì)40年代的鐵路車輛輪軸在重復(fù)交變載荷作用下發(fā)生的破壞。德國工程師August Wohler進(jìn)行了一系列試驗(yàn)后指出:“對(duì)于疲勞，應(yīng)力幅比構(gòu)件承受的最大應(yīng)力更重要。應(yīng)力幅越大，疲勞壽命越短；應(yīng)力幅小于某一極限值時(shí)，將不發(fā)生疲勞破壞?！彼钕纫肓藨?yīng)力-壽命（S-N）曲線和疲勞極限的概念，并于1867年在巴黎展出其研究成果。基于上述研究成果可知，對(duì)于無裂紋構(gòu)件，控制其應(yīng)力水平，使其小于疲勞持久極限（Sf），則不萌生疲勞裂紋。于是，無限壽命設(shè)計(jì)條件為S 安全壽命設(shè)計(jì) 1945年，M.A.Miner提出了變幅載荷作用下的疲勞損傷累積方法和判據(jù)，使變幅載荷作用下的疲勞壽命預(yù)測(cè)成為可能。使構(gòu)件在有限長設(shè)計(jì)壽命內(nèi)，不發(fā)生疲勞破壞的設(shè)計(jì)，稱為安全壽命設(shè)計(jì)或有限壽命設(shè)計(jì)。材料的S-N曲線和Miner累積損傷理論，是安全壽命設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。當(dāng)然，考慮到疲勞破壞的分散性等不確定因素，安全壽命設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)具有足夠的安全儲(chǔ)備。 損傷容限設(shè)計(jì) 由于裂紋的存在，安全壽命設(shè)計(jì)并不能完全確保安全。損傷容限設(shè)計(jì)，是為保證含裂紋或可能含裂紋的重要構(gòu)件的安全。這種方法的設(shè)計(jì)思路是：假定構(gòu)件中存在裂紋（依據(jù)無損探傷能力、使用經(jīng)驗(yàn)等假定其初始尺寸），用斷裂力學(xué)分析、疲勞裂紋擴(kuò)展分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，保證在定期檢查肯定能發(fā)現(xiàn)裂紋之前，裂紋不會(huì)擴(kuò)展到足以引起破壞。損傷容限設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是斷裂判據(jù)和裂紋擴(kuò)展速率方程，它希望在裂紋到達(dá)臨界尺寸前檢查出裂紋。因此，要選用韌性較好、裂紋擴(kuò)展緩慢的材料，以保證又足夠大的臨界裂紋尺寸和充分的時(shí)間，安排檢查并及時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋。 耐久性設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)使用到某一壽命時(shí)，發(fā)生了不能經(jīng)濟(jì)修理的廣布損傷，而不修理又可能引起結(jié)構(gòu)的功能問題，這一壽命稱為經(jīng)濟(jì)壽命。20世紀(jì)80年代起，以經(jīng)濟(jì)壽命控制為目標(biāo)的耐久性設(shè)計(jì)概念形成。耐久性是構(gòu)件和結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用條件下抗疲勞斷裂性能的一種定量度量。這種方法首先要定義疲勞破壞嚴(yán)重細(xì)節(jié)處的初始疲勞質(zhì)量，描繪與材料、設(shè)計(jì)、制造質(zhì)量相關(guān)的初始疲勞損傷狀態(tài)，再用疲勞或疲勞裂紋擴(kuò)展分析預(yù)測(cè)在不同使用時(shí)刻損傷狀態(tài)的變化，確定其經(jīng)濟(jì)壽命，制定使用、維修方案。 上述各種疲勞設(shè)計(jì)方法，都反映了疲勞斷裂研究的發(fā)展和進(jìn)步。但是，由于疲勞問題的復(fù)雜，影響因素多，使用條件和環(huán)境差別大，各種方法不是相互取代，而是相互補(bǔ)充的。不同構(gòu)件，不同情況，應(yīng)當(dāng)采用不同的方法。
評(píng)論