引言：我們為什么需要進行疲勞設計？

1、避免疲勞失效

產品出現不應當發生的疲勞失效會使企業的信譽受損，經濟損失更大！

2、避免過大余量的設計

過大余量設計使得產品的成本增加，市場競爭力下降！

3、考慮了時間變量，比強度計算獲得更加符合實際的結構失效位置。

下面給大家介紹一下常用的疲勞設計方法：

一、無限壽命設計(Infinite-life design)

對于疲勞，應力幅比構件承受的最大應力更重要。應力幅越大，疲勞壽命越短；應力幅小于某一極限值時，將不發生疲勞破壞。

對于無裂紋構件，控制其應力水平，使其小于疲勞極限強度，則不萌生疲勞裂紋。于是，無限壽命設計條件為：

S

材料的疲勞持久極限Sf由S-N曲線給出，如圖1所示，對于該圖的疲勞極限強度為86.2MPa。

圖1 材料的S-N數據列表

對于需要經歷無限次循環（1e6 次）的零、構件，如發動機氣缸閥門、頂桿、彈簧，長期頻繁運行的輪軸等，無限壽命設計至今仍是一種簡單而合理的方法。

對于存在初始裂紋構件，控制應力強度因子水平，使其小于一個門檻值，則雖有裂紋但不擴展，也可實現無限壽命設計。

二、安全壽命設計(Safe-life design)

無限壽命設計要求將構件中的使用應力控制在很低的水平，材料的潛力得不到充分發揮，對于并不需要經受很多循環次數的構件，無限壽命設計就很不經濟。

使構件在有限長設計壽命內，不發生疲勞破壞的設計，稱為安全壽命設計或有限壽命設計。民用飛機，容器，管道，汽車等，大都采用安全壽命設計。

材料S-N曲線和Miner累積損傷理論，是安全壽命設計的基礎。當然，考慮到疲勞破壞的分散性等不確定因素，安全壽命設計應當具有足夠的安全儲備。

三、損傷容限設計(Damage telerence design)

由于裂紋的存在，安全壽命設計并不能完全確保安全。疲勞裂紋擴展速率可以由應力強度因子幅度ΔK 描述。使疲勞裂紋擴展壽命預測研究得到快速發展。

這種方法的設計思路是：假定構件中存在著裂紋（依據無損探傷能力、使用經驗等假定其初始尺寸），用斷裂力學分析、疲勞裂紋擴展分析和試驗驗證，證明在定期檢查肯定能發現之前，裂紋不會擴展到足以引起破壞。

斷裂判據和裂紋擴展速率方程是損傷容限設計的基礎。損傷容限設計希望在裂紋到達臨界尺寸ac前檢出裂紋。因此，要選用韌性較好、裂紋擴展緩慢的材料，以保證有足夠大的臨界裂紋尺寸ac和充分的時間，安排檢查并及時發現裂紋。

四、耐久性設計 (Durability design)

20世紀80年代起，以經濟壽命控制為目標的耐久性設計概念形成。耐久性是構件和結構在規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重細節（如孔、槽、圓弧、臺階等處）處的初始疲勞質量，描繪與材料、設計、制造質量相關的初始疲勞損傷狀態，再用疲勞或疲勞裂紋擴展分析預測在不同使用時刻損傷狀態的變化，確定其經濟壽命，制定使用、維修方案。

結構使用到某一壽命時，發生了不能經濟修理的廣布損傷，而不修理又可能引起結構的功能問題，這一壽命就稱經濟壽命。

耐久性設計由原來不考慮裂紋或僅考慮少數最嚴重的單個裂紋，發展到考慮全部可能出現的裂紋群；由僅考慮材料的疲勞抗力，發展到考慮細節設計及其制造質量對疲勞抗力的影響；由僅考慮安全，發展到綜合考慮安全、功能及使用經濟性；提供指導設計、制造、使用、維護的綜合信息。耐久性設計已經開始應用于一些飛機結構及其它重要工程構件中，是21世紀疲勞斷裂控制研究的一個主要發展方向。

圖2 疲勞耐久性設計流程圖

編輯：jq