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應力 - 生命週期 (S-N) 曲線

疲勞強度取決於對個別測試樣本套用的不同循環應力層級,以及測量到的失敗週期數。 疲勞資料點的圖形呈現是循環應力振幅或相對於失敗週期數 (N - 水平軸) 的其他替換應力 (S - 垂直軸)。 疲勞強度定義為在指定週期數發生疲勞失敗的應力。 典型 S-N 曲線的顯示如下。

基於典型的大範圍 N 值,通常會使用以 10 為底的週期數對數 N 而非 N。 在 SOLIDWORKS Simulation 中,您可以選擇三個內插配置來找出 S-N 曲線上的居間資料點: 對數 - 對數、半對數 - 對數及線性。 SN 內插配置的範例,請參閱 SOLIDWORKS Simulation 說明SN 內插配置的範例

樣本會在一系列減少的應力等級中測試,直到在所選的最大週期數內 (通常是 1 千萬個週期) 沒有發生失敗為止。 在曲線幾乎水平的部分就是測試材料的疲勞或持久極限。 如果套用的應力振幅低於材料的持久極限,樣本就有無限的壽命。 不過許多非鐵的金屬及合金 (例如鋁、鎂及銅合金) 並沒有一定的持久極限和曲線的低應力部分,因此將無法聚集至一條水平線。 這些材料反而會顯示一個持續減少的 S-N 曲線。

材料的 S-N 曲線會定義循環應力振幅 (或其他替換應力) 相對於在指定應力比例 R 下造成失敗所需的週期數。應力比例 R 定義為最小循環應力在最大循環應力的比例。 對於完全反轉的負載,則 R = -1。而套用並移除負載 (未反轉) 時,則 R =0。

完全反轉的負載,R = -1 零基負載,R =0
Fatigue_fully_reversed.gif

Fatigue_zero_based_positive.gif

Fatigue_zero_based_negative.gif

實驗的結果顯示平均應力下樣本的疲勞阻力具有重大的影響。 對於任何材料,您可以定義多個 S-N 曲線 (最多十個),其中每個 S-N 曲線對應至不同的應力比例 R。然後軟體會在 S-N 曲線之間使用線性內插法來擷取指定應力比例的資料。

當使用具應力比例 R = -1 的 S-N 曲線 (完全反轉或零平均應力) 來定義材料的疲勞屬性時,您可以選擇修正方法 (Goodman、Gerber 或 Soderberg) 來說明非零平均應力的效應。

S-N 曲線係根據平均疲勞壽命或指定的失敗或然率。 產生某一材料的 S-N 曲線需要執行許多次測試,才能在統計上改變其他替換應力、平均應力 (或應力比例),並計算失敗的週期數。

在控制負載的環境下執行測試來產生 S-N 曲線。 大多數情況下,S-N 曲線取自於完全反轉應力週期的單軸負載。 由於實際的負載環境通常是多軸向的,您可能需要減少疲勞強度。 軟體會在疲勞對話方塊中提供 疲勞強度降低係數,以來說明此差異。



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