乾貨!計算疲勞時要不要考慮壓應力?

2020-12-22 騰訊網

估計大家經常會遇到一個問題，那就是我們在計算疲勞時要不要考慮壓應力？

我們先來看看ASM international（世界上最大的以材料為中心的工程師和科學家協會）是怎麼說的：疲勞是漸進的、局部的、永久性的一種結構變化，這種變化發生在承受波動的應力和應變的材料中，這些應力和應變可能會在足夠數量的循環次數後導致裂紋或斷裂。疲勞斷裂是由循環應力、拉伸應力和塑性應變三者同時作用引起的，如果這其中任何一個不存在，則不會產生疲勞裂紋並擴展。循環應力促使了裂紋的產生；拉應力促使了裂紋的擴展（傳播）。儘管壓應力 (compressive stress) 不會導致疲勞，但壓力載荷 (compressive load) 可能會導致疲勞。疲勞過程包括三個階段：初始疲勞損傷導致裂紋成核和裂紋萌生，裂紋逐漸擴展直到剩餘未破裂的截面變得太弱而無法承受施加的載荷為止，最後剩餘截面突然斷裂。

通過上面這個描述我們可以總結出這麼個結論：單純的壓應力並不會對疲勞產生影響，計算時也是可以忽略的。但需要注意的是，我們講的是壓應力，不是壓力載荷，我們不能說你給一個部件施加一個循環的壓力載荷，它不會發生疲勞破壞。

有很多研究人員也做過很多的試驗研究，也發現了帶有缺口的試棒在施加循環壓力載荷下出現了疲勞裂紋，這些裂紋通常只是擴展到一個有限小的值（在彈塑性交界處）後便停止了擴展。造成裂紋出現並在一定程度內的擴展的原因，也有很多研究論文，目前主流觀點認為殘留應力和加載時缺口尖端處的塑性變形是主要原因。但不論如何，壓應力在疲勞分析中不會導致裂紋完全擴展至斷裂。

在我們國家的一些鋼結構標準中也有提到過相應的內容。比如GB50017-2017《鋼結構設計標準》 中的"疲勞計算及防脆斷設計"章節。其中提到：對非焊接的構件和連接，其應力循環中不出現拉應力的部位可不計算疲勞強度。但條文中也更明確指出，焊接結構的疲勞強度之所以與應力幅密切相關，本質上是由於焊接部位存在較大的殘餘拉應力，造成名義上受壓應力的部位仍舊會疲勞開裂，只是裂紋擴展的速度比較緩慢，裂紋擴展的長度有限，當裂紋擴展到殘餘拉應力釋放後便會停止。考慮到疲勞破壞通常發生在焊接部位，而鋼結構連接節點的重要性和受力的複雜性，一般不容許開裂，因此規定了僅在非焊接構件和連接的條件下，在應力循環中不出現拉應力的部位可不計算疲勞。

相信大家根據以上的解釋，會對疲勞分析中壓應力的問題有一個大概的了解。不過要提醒大家的是，上面提到的壓應力是在整個應力循環過程中都是純壓應力才可以。當然，在有拉壓的情況下，壓應力也會起到延緩裂紋擴展的好處。

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