风电设备疲劳设计方法简介

　　疲劳与断裂是引起工程结构和构件失效的最主要原因。现今，人们对传统强度（静载荷作用、无缺陷材料的强度）的认识已相当深刻，对传统强度的控制能力也大大增强。因此，疲劳与断裂引起的失效在工程失效中越来越突出。19世纪中叶以来，人们为认识和控制疲劳破坏进行了不懈的努力，在疲劳现象的认识、疲劳机理的认识、疲劳规律的研究、疲劳寿命的预测和抗疲劳设计技术的发展等方面都积累了丰富的知识，提出了各种抗疲劳设计方法。

　　人们第一次认识到的疲劳破坏，是19世纪40年代的铁路车辆轮轴在重复交变载荷作用下发生的破坏。德国工程师August Wohler进行了一系列试验后指出:“对于疲劳，应力幅比构件承受的最大应力更重要。应力幅越大，疲劳寿命越短；应力幅小于某一极限值时，将不发生疲劳破坏。”他最先引入了应力-寿命（S-N）曲线和疲劳极限的概念，并于1867年在巴黎展出其研究成果。基于上述研究成果可知，对于无裂纹构件，控制其应力水平，使其小于疲劳持久极限（Sf），则不萌生疲劳裂纹。于是，无限寿命设计条件为S

　　1945年，M.A.Miner提出了变幅载荷作用下的疲劳损伤累积方法和判据，使变幅载荷作用下的疲劳寿命预测成为可能。使构件在有限长设计寿命内，不发生疲劳破坏的设计，称为安全寿命设计或有限寿命设计。材料的S-N曲线和Miner累积损伤理论，是安全寿命设计的基础。当然，考虑到疲劳破坏的分散性等不确定因素，安全寿命设计应当具有足够的安全储备。

　　由于裂纹的存在，安全寿命设计并不能完全确保安全。损伤容限设计，是为保证含裂纹或可能含裂纹的重要构件的安全。这种方法的设计思路是：假定构件中存在裂纹（依据无损探伤能力、使用经验等假定其初始尺寸），用断裂力学分析、疲劳裂纹扩展分析和试验验证，保证在定期检查肯定能发现裂纹之前，裂纹不会扩展到足以引起破坏。损伤容限设计的基础是断裂判据和裂纹扩展速率方程，它希望在裂纹到达临界尺寸前检查出裂纹。因此，要选用韧性较好、裂纹扩展缓慢的材料，以保证又足够大的临界裂纹尺寸和充分的时间，安排检查并及时发现裂纹。

　　结构使用到某一寿命时，发生了不能经济修理的广布损伤，而不修理又可能引起结构的功能问题，这一寿命称为经济寿命。20世纪80年代起，以经济寿命控制为目标的耐久性设计概念形成。耐久性是构件和结构在规定的使用条件下抗疲劳断裂性能的一种定量度量。这种方法首先要定义疲劳破坏严重细节处的初始疲劳质量，描绘与材料、设计、制造质量相关的初始疲劳损伤状态，再用疲劳或疲劳裂纹扩展分析预测在不同使用时刻损伤状态的变化，确定其经济寿命，制定使用、维修方案。

　　上述各种疲劳设计方法，都反映了疲劳断裂研究的发展和进步。但是，由于疲劳问题的复杂，影响因素多，使用条件和环境差别大，各种方法不是相互取代，而是相互补充的。不同构件，不同情况，应当采用不同的方法。

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