干貨！計算疲勞時要不要考慮壓應(yīng)力？

估計大家經(jīng)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(yīng)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(xué)家協(xié)會）是怎么說的：疲勞是漸進的、局部的、永久性的一種結(jié)構(gòu)變化，這種變化發(fā)生在承受波動的應(yīng)力和應(yīng)變的材料中，這些應(yīng)力和應(yīng)變可能會在足夠數(shù)量的循環(huán)次數(shù)后導(dǎo)致裂紋或斷裂。疲勞斷裂是由循環(huán)應(yīng)力、拉伸應(yīng)力和塑性應(yīng)變?nèi)咄瑫r作用引起的，如果這其中任何一個不存在，則不會產(chǎn)生疲勞裂紋并擴展。

循環(huán)應(yīng)力促使了裂紋的產(chǎn)生；拉應(yīng)力促使了裂紋的擴展（傳播）。盡管壓應(yīng)力 (compressive stress) 不會導(dǎo)致疲勞，但壓力載荷 (compressive load) 可能會導(dǎo)致疲勞。疲勞過程包括三個階段：初始疲勞損傷導(dǎo)致裂紋成核和裂紋萌生，裂紋逐漸擴展直到剩余未破裂的截面變得太弱而無法承受施加的載荷為止，最后剩余截面突然斷裂。

通過上面這個描述我們可以總結(jié)出這么個結(jié)論：單純的壓應(yīng)力并不會對疲勞產(chǎn)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(yīng)力，不是壓力載荷，我們不能說你給一個部件施加一個循環(huán)的壓力載荷，它不會發(fā)生疲勞破壞。

有很多研究人員也做過很多的試驗研究，也發(fā)現(xiàn)了帶有缺口的試棒在施加循環(huán)壓力載荷下出現(xiàn)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）后便停止了擴展。造成裂紋出現(xiàn)并在一定程度內(nèi)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(yīng)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(yīng)力在疲勞分析中不會導(dǎo)致裂紋完全擴展至斷裂。

在我們國家的一些鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)中也有提到過相應(yīng)的內(nèi)容。比如GB50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》 中的"疲勞計算及防脆斷設(shè)計"章節(jié)。其中提到：對非焊接的構(gòu)件和連接，其應(yīng)力循環(huán)中不出現(xiàn)拉應(yīng)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(jié)構(gòu)的疲勞強度之所以與應(yīng)力幅密切相關(guān)，本質(zhì)上是由于焊接部位存在較大的殘余拉應(yīng)力，造成名義上受壓應(yīng)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(dāng)裂紋擴展到殘余拉應(yīng)力釋放后便會停止。

考慮到疲勞破壞通常發(fā)生在焊接部位，而鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點的重要性和受力的復(fù)雜性，一般不容許開裂，因此規(guī)定了僅在非焊接構(gòu)件和連接的條件下，在應(yīng)力循環(huán)中不出現(xiàn)拉應(yīng)力的部位可不計算疲勞。

相信大家根據(jù)以上的解釋，會對疲勞分析中壓應(yīng)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(yīng)力是在整個應(yīng)力循環(huán)過程中都是純壓應(yīng)力才可以。當(dāng)然，在有拉壓的情況下，壓應(yīng)力也會起到延緩裂紋擴展的好處。

來源：iMechanics機械