《振動噪音科普專欄》如何評估結構是否會發生「疲勞破壞」(fatigue failure)?

這個單元要來探討的主題是:如何評估「結構」是否會發生「疲勞破壞(fatigue failure)

 

在先前單元:#305甚麼是疲勞破壞(fatigue failure)】,有介紹了疲勞破壞」是如何發生的原因與特徵,以及典型「疲勞破壞」的發生歷程。這個單元著重於說明:如何評估結構是否會發生「疲勞破壞(fatigue failure)

 

首先,從情境(scenario)來看,參閱圖示右上方,顯示一個懸臂樑結構受到了上下擺動的結構波動應力(fluctuation stress)變化之動畫,動畫左側是結構之波動應力𝝈𝒔𝒕 (𝒕) 示意圖,由圖示的波動應力特徵,可以得知:

 

1.      波動應力(S)𝝈𝒂應力振幅(stress amplitude)𝝈𝒂就是正弦波的振幅值(amplitude)

2.      波動應力(S)𝝈𝒎平均應力(mean stress)𝝈𝒎在正弦波的平均值為零,但是有些情況,如圖示範例的結構波動應力(S)𝝈𝒎,就不是等於零。

 

當知道了以上的結構波動應力(fluctuation stress)𝝈𝒔𝒕 (𝒕)特徵,如果能區別出:波動應力(S)𝝈𝒂應力振幅(stress amplitude),和波動應力(S)𝝈𝒎平均應力(mean stress),就可以據以評估結構是否會發生「疲勞破壞(fatigue failure)

 

如何評估結構是否會發生「疲勞破壞(fatigue failure)?可以歸納以下四個步驟

 

1.      取得結構的材料機械性質:包括:「抗拉強度(ultimate strength)𝑺𝒖𝒕,以及對應特定壽命次數(N)材料疲勞強度(Fatigue strength)𝑺𝒆

2.      計算機械元件之「疲勞強度(Fatigue strength)𝑺𝒆

3.      分析機械元件之「結構應力(structural stress)𝝈𝒔𝒕 (𝒕)

4.      應用疲勞設計曲線,判斷結構的機械元件是否會「疲勞破壞(fatigue failure)

 

首先,如圖示範例的懸臂樑結構,必定是由某一種材料所製作,如鋼材、鋁材等。所以,第一個步驟:需要取得結構的材料機械性質:包括:「抗拉強度(ultimate strength)𝑺𝒖𝒕,以及對應特定壽命次數(N)材料疲勞強度(Fatigue strength)𝑺𝒆

 

其中,材料的「抗拉強度(ultimate strength),一般可由拉伸試驗取得,其物理意義,在「S-N 曲線圖」,當N=1時,就是應力波動一次就斷裂。如圖示範例,其承載的波動應力(S)應力振幅𝝈𝒂大約是S=325 MPa,也就是材料的「抗拉強度(ultimate strength)𝑺𝒖𝒕=325 MPa

 

同時,也需要取得材料的「疲勞強度(Fatigue strength)𝑺𝒆。因此,除了要取得材料試件(specimen)的「S-N 曲線圖(S-N diagram)外,也要定義此懸臂樑結構的設計壽命次數(N)

 

根據設定的壽命次數(N),以取得對應的波動應力(S)應力振幅𝝈𝒂。如果是選定N=無限壽命一般認定,在N=106次方以上,會有無限的壽命(infinite life),在此N值,如圖示範例,對應的波動應力(S)應力振幅𝝈𝒂大約是S=210 MPa,所以材料的「疲勞強度(Fatigue strength)𝑺𝒆=210 MPa。因為是N=無限壽命,材料的「疲勞強度」也可稱為材料的「疲勞極限(Endurance limit)𝑺𝒆=210 MPa

 

取得了材料的「疲勞強度(Fatigue strength)𝑺𝒆第二個步驟:要計算修正得到機械元件之「疲勞強度(Fatigue strength)𝑺𝒆。為什麼要做這樣的修正呢?因為材料的「疲勞強度是以標準的材料試件(specimen),進行疲勞試驗(fatigue test)所得到的,而實際結構有加工、尺寸大小、工作溫度環境、或如電鍍處理、或惡劣工作環境等之影響,會降低材料的「疲勞強度」,所以,需要計算修正得到機械元件之「疲勞強度(Fatigue strength)𝑺𝒆

 

機械元件之「疲勞強度(Fatigue strength)𝑺𝒆,修正計算方式如下:

 

𝑺𝒆=𝑲𝒂 𝑲𝒃 𝑲𝒄 𝑲𝒅 𝑲𝒆 𝑲𝒇 𝑺𝒆

 

其中,

𝑺𝒆機械元件的「疲勞強度(Fatigue strength)

𝑺𝒆材料的「疲勞強度(Fatigue strength)

𝑲𝒂表面修正因子

𝑲𝒃尺寸因子

𝑲𝒄可靠度因子

𝑲𝒅溫度因子

𝑲𝒆應力集中因子

𝑲𝒇其他因子

 

注意:所有的𝑲值大都是介於0~1之間,也就是這些環境、條件因子會降低材料的「疲勞強度(Fatigue strength)𝑺𝒆。因此,一般的狀況:機械元件的「疲勞強度𝑺𝒆 會小於材料的「疲勞強度𝑺𝒆,也就是:𝑺𝒆 < 𝑺𝒆

 

得到了材料機械性質,包括:材料𝑺𝒖𝒕抗拉強度(ultimate strength)𝑺𝒆疲勞強度(Fatigue strength)。也取得了𝑺𝒆 機械元件的「疲勞強度」。第三個步驟,要進行分析,取得實際結構在負荷狀態下,機械元件之「結構應力(structural stress)𝝈𝒔𝒕 (𝒕),也就是隨時間變化的「結構應力」。

 

參閱圖示中間顯示的結構波動應力(fluctuation stress)𝝈𝒔𝒕 (𝒕)特徵,在此步驟,必須區別出:波動應力(S)𝝈𝒂應力振幅(stress amplitude),和波動應力(S)𝝈𝒎平均應力(mean stress)

 

最後,第四個步驟:應用疲勞設計曲線,判斷結構的機械元件是否會「疲勞破壞(fatigue failure)

 

在此,舉一個最簡單、也常採用的Goodman Line疲勞設計曲線,參閱右下方圖示,應用步驟說明如下:

 

1.      設定:水平軸𝝈𝒎平均應力(mean stress),垂直軸𝝈𝒂應力振幅(stress amplitude)

2.      在水平軸,標註:𝑺𝒖𝒕抗拉強度(ultimate strength),在垂直軸,標註:𝑺𝒆 機械元件的「疲勞強度(Fatigue strength)。將兩點連成直線,得到Goodman Line疲勞設計曲線

3.      第三個步驟,分析結構應力,所取得的𝝈𝒎平均應力(mean stress)以及𝝈𝒂應力振幅(stress amplitude),繪製取得𝝈𝒎𝝈𝒂的交點位置。

4.      判斷𝝈𝒎𝝈𝒂的交點位置,在Goodman Line疲勞設計曲線安全區(safety zone):當𝝈𝒎𝝈𝒂的交點,座落於圖示的綠色區域,也就是Goodman Line之下,表示此結構的機械元件,沒有「疲勞破壞」之虞,不會發生「疲勞破壞(fatigue failure)

5.      判斷𝝈𝒎𝝈𝒂的交點位置,在Goodman Line疲勞設計曲線的「疲勞破壞區(fatigue failure zone):當𝝈𝒎𝝈𝒂的交點,座落於圖示的紅色區域,也就是Goodman Line之上,表示此結構的機械元件,會發生「疲勞破壞(fatigue failure)

 

綜合一下本單元的討論,如何評估「結構」是否會發生「疲勞破壞(fatigue failure)?從情境(scenario)來看,結構的機械元件受到了波動應力(fluctuation stress)效應,所以,需要評估是否會發生「疲勞破壞」?

 

本單元介紹了Goodman Line疲勞設計曲線的評估方法,主要步驟如下:

 

1.      取得結構的材料機械性質:包括:「抗拉強度(ultimate strength)𝑺𝒖𝒕,以及對應特定壽命次數(N)材料疲勞強度(Fatigue strength)𝑺𝒆

2.      計算機械元件之「疲勞強度(Fatigue strength)𝑺𝒆:依據實際結構的加工、尺寸大小、工作溫度環境、或如電鍍處理、或惡劣工作環境等之影響,修正材料的「疲勞強度」,以取得機械元件之「疲勞強度」:𝑺𝒆=𝑲𝒂 𝑲𝒃 𝑲𝒄 𝑲𝒅 𝑲𝒆 𝑲𝒇 𝑺𝒆

3.      分析取得機械元件之「結構應力(structural stress)𝝈𝒔𝒕 (𝒕):區別出波動應力(S)𝝈𝒂應力振幅(stress amplitude),和波動應力(S)𝝈𝒎平均應力(mean stress)

4.      應用Goodman Line疲勞設計曲線,判斷結構的機械元件是否會「疲勞破壞(fatigue failure):由𝝈𝒎𝝈𝒂的交點,可以區別出座落於:安全區(safety zone)或是「疲勞破壞區(fatigue failure zone),據以判斷結構的機械元件是否會「疲勞破壞」。

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2023.01.09






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