疲劳强度计算

疲劳强度计算是指，零件和构件在低于材料屈服极限的交变应力（或应变）的反复作用下，经过一定的循环次数以后，在应力集中部位萌生裂纹。裂纹在一定条件下扩展，最终突然断裂，这一失效过程称为疲劳破坏。材料在疲劳破坏前所经历的应力循环数称为疲劳寿命。

分类

根据应力循环数分为高周疲劳和低周疲劳。

低周疲劳指材料所受力较高，通常接近或超过屈服极限，断裂前的应力循环次数一般少于10^4-10^5，每次循环过程中都发生塑性变形。低周疲劳破坏就是塑性变形累积的结果。

高周疲劳是指材料所受的交变应力远低于材料的屈服极限，断裂前的应力循环次数大于10^5，通常用疲劳曲线（S-N曲线）来描述该材料的疲劳特性。高周疲劳的寿命主要指的是裂纹萌生寿命。高周疲劳采用常规疲劳计算方法。

疲劳强度计算试验

常规疲劳强度计算假设零件没有初始裂纹，应用标准试样实验得到的材料疲劳极限或S-N曲线为依据，再考虑零件由于表面状态、尺寸及几何形状引起的应力集中等因素。下图示以最大应力σ （max）为纵坐标，疲劳寿命N为横坐标，根据试验数据得到的S-N曲线。

钢材的S-N曲线的右侧是一条水平渐近线，水平线起始点对应的应力值称为疲劳极限。疲劳极限表明，只要最大应力小于疲劳极限，应力循环次数可以无限大而不发生破坏。水平线起始点的横坐标Ne大约为10^7，N>=Ne的区域称为无限寿命区。根据S-N曲线水平线段进行的疲劳强度计算称为无限寿命计算。

疲劳曲线的左侧是一条近似斜线，在斜线段N

计算准则

1.如果零件的应力循环次数N<=Ns（Ns为疲劳曲线上材料屈服极限σ [s]）对应的循环数，一般取Ns≈10^5，零件受静强度条件控制，不需作疲劳强度计算。

2.如果零件的应力循环次数N大于Ns，但是小于Ne（Ne称为应力循环基数），对于钢材Ne≈10^7。根据零件对应的疲劳强度σ [rk]′ 对零件进行有限寿命疲劳计算。

3.如果零件的应力循环次数N>=Ne，根据疲劳极限σ [rk]对零件进行无限寿命疲劳计算。

工作级别为M1-M3的机构，由于应力循环数少，不做疲劳计算。工作级别M4、M5的机构根据应力循环数N决定是否需要进行疲劳计算。工作级别M5以上的机构，其机构零件和金属结构都需要作疲劳计算。非工作机构可不做疲劳计算。沿海地区、台湾省、南海诸岛以及内陆山口地区自身高度大的起重机，如果金属结构自振频率小于4Hz，由于风振作用，在自重载荷和风载荷作用下，金属结构有可能发生疲劳破坏，不论起重机的工作级别如何，都需要进行疲劳计算。

疲劳计算前提条件

为了确保是否需要进行疲劳计算，以及在进行疲劳计算时确定零件的疲劳强度，都需要对零件在设计寿命期内的应力循环次数进行计算。

零件在设计寿命期内的应力循环数N位：N=FZ

式中 Z--零件的设计寿命（h），一般按照机构的设计寿命选取；

F--零件每小时应力循环数，应力变动值小于最大应力绝对值的10%时，不计其应力循环数。

无限寿命疲劳

当零件应力循环数N大于循环基数Ne，应进行无限寿命疲劳计算。这一设计准则要求零件或结构在无限长的使用时期内，不发生疲劳破坏。S-N曲线的水平段说明，只要将零件部件或结构的工作应力限制在它们的疲劳极限以下，就可以使零件或结构的寿命无限长。无限寿命设计是最老的设计准则，按照这种准则设计的零件或部件，一般尺寸较大，比较保守。但对于地面工作、运转时间长的机械和设备，无限寿命疲劳强度计算仍然获得广阔的应用。疲劳强度计算一般在静强度计算之后进行，采用许用应力法或安全系数法。

有限寿命疲劳

有限寿命疲劳计算的基本思想是，在确保零部件或结构规定寿命的条件下，依据零件S-N曲线左段斜线部分，采用大于疲劳极限的设计应力进行疲劳强度计算。这样能使材料的承载能力充分利用，零件或结构的自重得以减轻，而减轻重量通常是提高产品性能水平的关键之一。有时候，即使整机需要较长的寿命，也情愿定期维修，用更换零件的办法，让某些零件设计得寿命较短，而使重量更轻。有限寿命计算是当前许多机械设计疲劳计算时主要采用的方法。对减轻重量有较高要求的机械产品，都使用有限疲劳计算。

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