《振動噪音科普專欄》甚麼是「疲勞破壞」 (fatigue failure)?

這個單元要來探討的主題是:甚麼是「疲勞破壞(Fatigue failure)

 

疲勞破壞」是實務上常聽到的名詞,就以4W的思維來思考,包括:

 

1.          What is? 甚麼是「疲勞破壞」?

2.          Why? 為什麼會發生「疲勞破壞」?

3.          What effect? 發生了「疲勞破壞」會有甚麼影響?

4.          HOW to prevent? 如何避免「疲勞破壞」?

 

接著,就逐項來看,第一、甚麼是「疲勞破壞」?參閱圖示左下方,考慮一個懸臂樑受到簡諧點力(harmonic force)作用的振動分析。前幾個單元都有提到,以【F GMBI R】心法,可參考圖示中間上方的「F GMBI R方塊圖」,對實際結構進行問題定義(Problem Definition)、以及建構分析的數學模型(Mathematical Model)。包括:F=Force外力負荷G=Geometry幾何M=Material材料B=Boundary邊界條件I=Interface接觸介面、以及R=Response結構響應

 

因為,F=Force外力負荷是個簡諧點力,可以畫出如圖示正下方的外力時間波形,可寫出:𝒇(𝒕)=𝑭𝐬𝐢𝐧(𝟐𝝅𝒇𝒕),其中,𝑭=簡諧外力振幅,𝒇=激振頻率。當一個懸臂樑受到這種波動的簡諧點力作用,結構的應力預期也會是有簡諧響應(harmonic response)。參閱圖示右下方,樑結構會上下來回振盪,結構應力也形成來回波動的狀態。

 

第二、為什麼會發生「疲勞破壞」?觀察圖示右上方兩個圖示,一個是向下的力,是力,而在樑結構固定端上部,是+應力。另一個是向上的力,是+力,而在樑結構固定端上部,是應力。在結構同一個位置上,持續地受到拉伸應力、壓縮應力的反覆作用,會使得結構的應力,在遠低於材料的降伏強度(yielding strength)抗拉強度(ultimate strength)時,就會破壞,這就是「疲勞破壞」原因與特徵。

 

其次,「疲勞破壞」是如何發生的呢?有怎麼樣的歷程呢?結構受往復的波動應力,常會使得結構表面產生裂縫(crack),此裂縫會持續成長(crack growth),最後使得結構斷裂(breakdown),這是典型「疲勞破壞」的發生歷程。

 

第三、發生了「疲勞破壞」會有甚麼影響?因為,「疲勞破壞」時的結構應力,常是遠低於材料的降伏強度(yielding strength),所以,容易被忽視。又,許多人有經驗,在沒有老虎鉗可以剪斷鐵線時,要彎斷鐵線,可以來回的彎曲,就是在造成鐵線的「疲勞破壞」,使得能夠以手折斷鐵線。「疲勞破壞」時,更嚴重的影響是,一旦有疲勞現象的crack破壞發展歷程,除了造成結構斷裂破損,或甚至引發造成二次損害(secondary damage)

 

疲勞破壞」在工程實務上,是不好的現象,所以,第四、要了解如何避免「疲勞破壞」?就需要進行疲勞設計分析(fatigue design analysis),再另闢單元討論。在此,先介紹兩個名詞:

 

1.      𝝈𝒂應力振幅(stress amplitude):參閱圖示右下方,𝝈𝒂就是正弦波的振幅值。

2.      𝝈𝒎,平均應力(mean stress):參閱圖示右下方,𝝈𝒎在正弦波的平均值為零,但是有些情況,𝝈𝒎不會等於零。

 

這個單元,討論的是「疲勞破壞」的議題,以4W的思維來思考,包括:

 

1.          What is? 甚麼是「疲勞破壞」?

2.          Why? 為什麼會發生「疲勞破壞」?

3.          What effect? 發生了「疲勞破壞」會有甚麼影響?

4.          HOW to prevent? 如何避免「疲勞破壞」?

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2023.01.07










 

0 意見:

張貼留言