一種基于臨界面法疲勞破壞準(zhǔn)則的高周多軸疲勞壽命預(yù)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及金屬多軸疲勞強(qiáng)度領(lǐng)域，特指在多軸恒幅載荷下的高周疲勞壽命預(yù)測(cè) 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)械的疲勞失效問題，是造成服役中的機(jī)械零件和構(gòu)件失效的主要原因之一。例 如在飛機(jī)、船舶、工程機(jī)械等領(lǐng)域，機(jī)械零件及構(gòu)件往往長期承受復(fù)雜交變載荷的作用，最 終由于疲勞失效導(dǎo)致事故占到總故障因素的百分之八十以上。目前在單軸疲勞領(lǐng)域有比較 完善的理論并積累了大量數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，但實(shí)際服役中的各主要機(jī)械零部件通常承受復(fù)雜的 多軸比例和非比例循環(huán)載荷的作用。由于多軸應(yīng)力狀態(tài)、裂紋擴(kuò)展方向的變動(dòng)、載荷歷程的 復(fù)雜性，所以傳統(tǒng)的單軸疲勞強(qiáng)度理論已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)在的設(shè)計(jì)要求，取而代之的多軸疲勞 強(qiáng)度理論，尤其是高周多軸疲勞壽命預(yù)測(cè)方法成為解決實(shí)際服役中機(jī)械零部件失效問題的 重要方法。傳統(tǒng)的高周多軸疲勞壽命預(yù)測(cè)往往忽視平均應(yīng)力的影響，因此考慮平均應(yīng)力影 響的高周多軸疲勞壽命預(yù)測(cè)方法值得研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明目的在于針對(duì)多軸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)的要求，提出一種基于臨界面法疲勞破壞 準(zhǔn)則的高周多軸疲勞壽命預(yù)測(cè)方法。
[0004] 本發(fā)明所提供的一種基于臨界面法疲勞破壞準(zhǔn)則的高周多軸疲勞壽命預(yù)測(cè)方法， 其步驟為：
[0005] 步驟1):薄壁管試件受到拉-扭非比例正弦波加載，以最大剪應(yīng)力所在面為臨界 面，利用該面上的疲勞損傷參量：剪應(yīng)力幅C a，正應(yīng)力幅Na，平均正應(yīng)力Nni構(gòu)造一個(gè)非線性 組合形式為
的高周多軸疲勞準(zhǔn)則。
[0006] 步驟2):求解式中的α，β，λ。通過代入兩種單軸加載情形，分別為單軸拉伸疲 勞極限加載和純扭疲勞極限t i加載，推出
再通過脈動(dòng)循環(huán) 加載情形，利用Goodman方程修正得致
式中σ。為單軸拉伸強(qiáng)度極限。 綜上推出一種基于臨界面法高周多軸疲勞破壞準(zhǔn)則：
[0007]
[0008] 步驟3):讀取高周多軸恒幅加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)。每組試驗(yàn)數(shù)據(jù)中包含加載正應(yīng)力幅 〇a，剪應(yīng)力幅T a，平均正應(yīng)力ση，平均剪應(yīng)力τη，相位差δ。
[0009] 步驟4):確定臨界面位置。為了考慮加載平均剪應(yīng)力對(duì)疲勞損傷的影響，認(rèn)為裂 紋在最大剪應(yīng)力所在平面萌生和擴(kuò)展，即以最大剪應(yīng)力所在面為臨界面。
[0010] 步驟5):通過計(jì)算出的臨界面上的剪應(yīng)力幅Ca，正應(yīng)力幅凡和平均正應(yīng)力Nni，利用 公式計(jì)算出等效應(yīng)力幅：
[0012] 步驟6):利用等效應(yīng)力幅Teq與應(yīng)力比為-1的應(yīng)力-壽命曲線，計(jì)算出多軸恒幅 載荷下的高周疲勞壽命。
[0013] 所述步驟1)和步驟2)構(gòu)造了含有三個(gè)損傷參量（剪應(yīng)力幅Ca，正應(yīng)力幅N a，平均 正應(yīng)力NJ的非線性組合形式為
的高周多軸疲勞準(zhǔn)則，該方 法通過將常見的最大正應(yīng)力這一損傷參量分解為正應(yīng)力幅和平均正應(yīng)力，分別考慮了對(duì)疲 勞損傷產(chǎn)生的不同影響。
[0014] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：
[0015] 本發(fā)明提出了一種基于臨界面法疲勞破壞準(zhǔn)則的高周多軸疲勞壽命預(yù)測(cè)方法。該 方法通過將常見的最大正應(yīng)力這一損傷參量分解為正應(yīng)力幅和平均正應(yīng)力，分別考慮了他 們對(duì)于疲勞損傷產(chǎn)生的不同影響，構(gòu)造了一個(gè)三參量的疲勞破壞準(zhǔn)則，并且臨界面的確定 考慮了平均剪應(yīng)力的影響。適用范圍廣，并且基于臨界面法理論，物理意義明確，涉及的材 料常數(shù)較少，便于工程應(yīng)用。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，采用該方法進(jìn)行多軸恒幅載荷下的高周疲勞壽 命估算取得較好的預(yù)測(cè)效果。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明方法提供的基于臨界面法疲勞破壞準(zhǔn)則的高周多軸疲勞壽命預(yù)測(cè) 方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 結(jié)合附圖和試驗(yàn)驗(yàn)證說明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0018] 本發(fā)明所要進(jìn)行的多軸恒幅載荷下的高周疲勞壽命預(yù)測(cè)，利用了一種基于臨界面 法的疲勞破壞準(zhǔn)則和預(yù)測(cè)模型，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證其可靠度和準(zhǔn)確性。
[0019] 步驟1):薄壁管試件受到拉-扭非比例正弦波加載，利用材料力學(xué)中的斜截面公 式可以計(jì)算給定加載條件下，所確定臨界面上的各應(yīng)力值，如剪應(yīng)力幅c a，正應(yīng)力幅Na，平 均正應(yīng)力Nni。
[0020] 步驟2):以最大剪應(yīng)力所在面為臨界面，利用該面上的疲勞損傷參量：剪應(yīng)力幅 Ca，正應(yīng)力幅Na，平均正應(yīng)力Nni構(gòu)造一個(gè)非線性組合形式為
的 高周多軸疲勞準(zhǔn)則。
[0021] 步驟3):求解式中的α，β，λ。通過代入兩種單軸加載情形，分別為單軸拉伸疲 勞極限加載和純扭疲勞極限t i加載，推出
再通過脈動(dòng)循環(huán) 加載情形，利用Goodman方程修正得到
，式中σ。為單軸拉伸強(qiáng)度極限。 綜上推出一種基于臨界面法的高周多軸疲勞破壞準(zhǔn)則：
[0023] 步驟4):讀取三組材料的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)：7075-Τ651鋁合金、30CrMnSiA鋼、LY12CZ 鋁合金。利用Papadopoulos公式，確定最大剪應(yīng)力Cniax所在平面，即臨界面位置，并計(jì)算此 臨界面上的剪應(yīng)力幅C a，正應(yīng)力幅Na和平均正應(yīng)力N "。
[0024] 步驟5):通過計(jì)算出的臨界面上的剪應(yīng)力幅Ca，正應(yīng)力幅凡和平均正應(yīng)力N ni，利用 公式計(jì)算出等效應(yīng)力幅：
[0026] 步驟6):利用等效應(yīng)力幅與應(yīng)力比為-1的應(yīng)力-壽命曲線，計(jì)算出多 軸恒幅載荷下的高周疲勞壽命。例如7075-T651鋁合金的S-N曲線的表達(dá)式為τ 3= 719. 08(Nf)°·1194,式中Nf為疲勞壽命。將多軸應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為單軸應(yīng)力狀態(tài)，τ% = 719. 08 (Nf) °·1194,即可計(jì)算出疲勞壽命。
[0027] 為了驗(yàn)證本發(fā)明提出的一種基于臨界面法疲勞破壞準(zhǔn)則的高周多軸疲勞壽命預(yù) 測(cè)方法的效果，將本方法所得的預(yù)測(cè)結(jié)果與多軸試驗(yàn)所得的試驗(yàn)壽命進(jìn)行比較，結(jié)果表明， 基于提出的臨界面法疲勞破壞準(zhǔn)則，通過本發(fā)明的計(jì)算方法得出的多軸比例、非比例疲勞 壽命預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)實(shí)際壽命相比，其誤差因子絕大多數(shù)在3倍之內(nèi)。該方法基于臨界面法， 分別考慮了正應(yīng)力幅和平均正應(yīng)力對(duì)高周多軸疲勞損傷的不同影響。提出的方法進(jìn)行多軸 恒幅載荷下的高周疲勞壽命估算取得較好的預(yù)測(cè)效果。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于臨界面法疲勞破壞準(zhǔn)則的高周多軸疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于：步驟 如下， 步驟1):薄壁管試件受到拉-扭非比例正弦波加載，以最大剪應(yīng)力所在面為臨界面，利 用該面上的疲勞損傷參量：剪應(yīng)力幅ca，正應(yīng)力幅Na，平均正應(yīng)力I構(gòu)造一個(gè)非線性組合形 式關(guān)的高周多軸疲勞準(zhǔn)則； 步驟2):求解式中的α，β，λ;通過代入兩種單軸加載情形，分別為單軸拉伸疲勞極 限fi加載和純扭疲勞極限ti加載，推出α= 4 > -1，;再通過脈動(dòng)循環(huán)加載情形，利用 V./-J Goodman方程修正得I:中σ。為單軸拉伸強(qiáng)度極限；綜上推出一種 基于臨界面法高周多軸疲勞破壞準(zhǔn)則：步驟3):讀取高周多軸恒幅加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)；每組試驗(yàn)數(shù)據(jù)中包含加載正應(yīng)力幅〇a，剪 應(yīng)力幅Ta，平均正應(yīng)力ση，平均剪應(yīng)力τη，相位差δ; 步驟4):確定臨界面位置；引用王聰方法，認(rèn)為裂紋在最大剪應(yīng)力所在平面萌生和擴(kuò) 展，即以最大剪應(yīng)力所在面為臨界面，考慮了平均剪應(yīng)力對(duì)疲勞損傷的影響； 步驟5):通過計(jì)算出的臨界面上的剪應(yīng)力幅Ca，正應(yīng)力幅凡和平均正應(yīng)力N"，利用公式 計(jì)算出等效應(yīng)力幅：步驟6):利用等效應(yīng)力幅與應(yīng)力比為-1的應(yīng)力-壽命曲線， 計(jì)算出多軸恒幅載荷下的高周疲勞壽命。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于臨界面法疲勞破壞準(zhǔn)則的高周多軸疲勞壽命預(yù)測(cè) 方法，其特征在于：所述步驟1)和步驟2)構(gòu)造了含有三個(gè)損傷參量（剪應(yīng)力幅Ca，正應(yīng)力 幅凡，平均正應(yīng)力NJ的非線性組合形式?丨高周多軸疲勞準(zhǔn) 貝1J，該方法通過將常見的最大正應(yīng)力這一損傷參量分解為正應(yīng)力幅和平均正應(yīng)力，分別考 慮了對(duì)疲勞損傷產(chǎn)生的不同影響。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于臨界面法疲勞破壞準(zhǔn)則的高周多軸疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，涉及疲勞強(qiáng)度領(lǐng)域，該方法的步驟為：(1)構(gòu)造高周多軸疲勞準(zhǔn)則。(2)通過代入兩種單軸加載以及脈動(dòng)循環(huán)加載情形，推導(dǎo)出式中參數(shù)(3)讀取高周多軸恒幅加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定臨界面位置。(4)通過計(jì)算出的臨界面上的剪應(yīng)力幅，正應(yīng)力幅和平均正應(yīng)力，利用公式計(jì)算出等效應(yīng)力幅。(5)利用應(yīng)力-壽命曲線，計(jì)算出多軸恒幅載荷下的高周疲勞壽命。提出的方法進(jìn)行多軸恒幅載荷下的高周疲勞壽命估算取得較好的預(yù)測(cè)效果。
【IPC分類】G06F17/50
【公開號(hào)】CN105260574
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510780883
【發(fā)明人】尚德廣, 張嘉梁, 王曉瑋, 趙相峰, 宋明亮, 張海萌
【申請(qǐng)人】北京工業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年1月20日
【申請(qǐng)日】2015年11月15日