基于能量法的多轴疲劳寿命预测方法

摘 要：有效的疲劳寿命预测方法是确保处于多轴循环载荷作用下的工程构件安全性的关键。结合临界平面思想，提出了一种基于能量法的多轴疲劳寿命预测模型；该模型针对不同的疲劳失效形式采用不同的临界面上能量参数作为损伤参量，可体现多轴加载条件下的平均应力效应以及临界面上各方向参量对材料疲劳损伤的影响。通过六种材料的多轴疲劳试验数据对所提出的模型及其它三种经典能量模型进行了评估与验证，结果显示所提出的模型相较于其他模型具有更好的寿命预测精度及工程适用性。     

一种考虑非比例附加损伤的多轴低周疲劳模型

在实际工作环境中,机械结构往往承受着多轴非比例循环载荷.相比多轴比例循环加载,多轴非比例循环加载由于产生了附加强化现象,造成机械结构疲劳寿命下降.通过分析薄壁圆筒管件在非比例加载工况下应力应变变化规律和发生破坏位置,本文基于临界面法提出一种考虑多轴非比例附加损伤的疲劳模型.该模型将最大剪切应变幅平面作为临界面,提出一个新的附加强化因子,结合临界面上切应变幅和正应变幅组成新的多轴疲劳损伤参量.此参量不仅考虑了非比例加载下临界面上正应变幅和切应变幅对材料造成的疲劳损伤,还考虑到应变路径的变化和材料非比例加载敏感特性对材料疲劳寿命的影响.考虑到实际情况下模型所需材料附加强化系数有时难以获得的情况,给出了材料附加强化系数的有关近似计算公式.只需要材料基本力学参数便可得到材料附加强化系数,方便工程实际应用.采用8种材料的多轴疲劳寿命数据对提出的新模型进行检验,结果表明所提出的新模型与传统多轴疲劳模型相比预测寿命精度更高.      

一种新的多轴非比例低周疲劳寿命预测临界面模型

工程结构在服役过程中往往承受着复杂的多轴非比例循环荷载,在长期动力载荷作用下结构构件的失效主要为多轴非比例疲劳破坏. 文中基于圆管薄壁试件在拉-扭复合加载情况下的多轴疲劳试验结果,对比了广泛讨论的Kandil-Brown-Miller (KBM) 模型和Fatemi-Socie (FS) 模型对多轴非比例疲劳寿命的预测能力,分析了非比例加载条件引起多轴疲劳附加损伤的原因;针对FS 模型对不存在非比例附加强化的材料多轴疲劳寿命预测的不足,提出了一个能考虑非比例加载路径变化和材料附加强化效应双重作用的非比例影响因子,参照FS 准则提出了一种新的多轴非比例低周疲劳寿命预测临界面模型. 利用5 种材料的多轴非比例疲劳试验数据对该模型进行了试验验证,结果表明:采用文中提出的临界面模型预测的多轴非比例疲劳寿命与试验结果符合较好,预测精度优于FS 模型;同时,该模型对不存在非比例附加强化的材料的多轴疲劳寿命预测表现出更好的适用性,且能有效的提高不同类型材料的多轴非比例疲劳寿命预测精度.      

一种考虑非比例附加损伤的多轴低周疲劳模型

在实际工作环境中,机械结构往往承受着多轴非比例循环载荷.相比多轴比例循环加载,多轴非比例循环加载由于产生了附加强化现象,造成机械结构疲劳寿命下降.通过分析薄壁圆筒管件在非比例加载工况下应力应变变化规律和发生破坏位置,本文基于临界面法提出一种考虑多轴非比例附加损伤的疲劳模型.该模型将最大剪切应变幅平面作为临界面,提出一个新的附加强化因子,结合临界面上切应变幅和正应变幅组成新的多轴疲劳损伤参量.此参量不仅考虑了非比例加载下临界面上正应变幅和切应变幅对材料造成的疲劳损伤,还考虑到应变路径的变化和材料非比例加载敏感特性对材料疲劳寿命的影响.考虑到实际情况下模型所需材料附加强化系数有时难以获得的情况,给出了材料附加强化系数的有关近似计算公式.只需要材料基本力学参数便可得到材料附加强化系数,方便工程实际应用.采用8种材料的多轴疲劳寿命数据对提出的新模型进行检验,结果表明所提出的新模型与传统多轴疲劳模型相比预测寿命精度更高.     

一种新的多轴高周疲劳寿命预测模型

分析和讨论3种典型载荷(单轴拉压、纯扭及90^\circ非比例)情况下的5组损伤控制参数,提出了一种以临界面上最大剪切应力幅和最大法向应力的非线性组合作为损伤控制参数的多轴高周疲劳寿命预测模型, 该模型考虑了平均应力对疲劳寿命的影响, 比现有的疲劳预测模型具有更宽的金属材料适用范围. 两种不同类型材料下的多轴非比例试验的预测结果表明,模型的预测结果与试验符合较好.      

多轴随机载荷下的疲劳寿命估算方法

现代工业的发展使得更多的构件承受着复杂的载荷形式, 将单轴疲劳模型应用到多轴载荷情况已不能满足现代工业的设计要求, 多轴随机载荷下的疲劳寿命计算日益引起人们的重视. 多轴随机载荷的寿命预测中, 如何计算载荷循环次数是其基础,目前广泛使用的是雨流计数方法, 现在已能成功的应用于多轴载荷的情况. 累积的疲劳损伤分析在各种构件和结构的载荷历史中都起着重要的作用. 自从线性损伤律提出以来已发展了数十种损伤律, 变幅载荷引起的疲劳损伤可以由许多不同的累积损伤律来计算, 虽然发展了许多损伤模型, 由于问题的复杂性, 每个模型的应用范围也是随具体情况而定. 线性损伤律方法尽管有很多不足之处, 但在设计使用中仍占有重要的位置. 两载荷水平及模式下的损伤累积以及损伤与物理机制的关系在本文中也做了介绍. 针对近年来提出的描述多轴随机载荷下疲劳寿命估算方法进行了详细的评述, 对各模型的应用范围和预测能力进行了讨论, 并对今后的工作提出了建议.      

航空涡轮盘多轴蠕变-疲劳寿命预测及对比研究

针对几种经典和新发展的蠕变-疲劳寿命模型开展综述介绍,并建立预测航空涡轮盘在循环热-机蠕变-疲劳载荷谱下蠕变-疲劳行为的数值流程,对某型航空涡轮盘的蠕变-疲劳损伤和寿命进行预测和对比．结果表明：等效应变法与临界平面法得出的疲劳损伤差距较小,等效应变法由于数值计算简单,工程适用性更强．寿命-时间分数(TF)法由于无法考虑应力松弛效应,给出了最为保守的蠕变损伤预测,其对盘体应力三轴度引起的损伤不敏感;延性耗竭法(DE)法仅以蠕变应变率作为损伤因素,虽考虑多轴蠕变因子的影响,但是给出的蠕变损伤过小;修正应变能密度耗竭(MSEDE)法综合考虑蠕变应变与应力松弛,并且考虑多轴蠕变因子与弹性跟随效应的影响,结合疲劳损伤模型可以给出合理的蠕变、疲劳损伤比例,其预测结果更加合理．     

电子封装钎料合金耦合损伤的多轴时相关低周疲劳失效研究

基于63Sn-37Pb钎料合金材料的多轴时相关循环变形行为及疲劳失效行为,提出了耦合损伤的多轴时相关理论模型及疲劳失效模型,模型引入了损伤演化方程,考虑了时相关效应及非比例路径效应,能较好地模拟材料在不同非比例加载路径下的循环变形行为及疲劳失效行为,较准确地预测多轴疲劳寿命.     

考虑非比例附加损伤的多轴低周疲劳寿命模型

基于临界面法, 提出了一种能够反映非比例疲劳寿命锐减现象的多轴低周疲劳寿命模型. 与传统临界面模型只考虑附加强化效果不同, 新的模型在疲劳损伤参量中引入新定义的非比例附加损伤系数, 能综合考虑非比例加载条件下附加强化和载荷路径两种因素对疲劳寿命减少的影响, 并且分别以最大切应变和最大损伤平面作为临界面来构建疲劳损伤参量, 反映了临界面的选取对模型预测结果的重要影响. 从已发表文献中选用8 种材料的多轴疲劳试验结果进行验证, 新模型能同时适用于比例和非比例加载, 并且具有很好的寿命预测精度和材料适用性.      

高温合金材料循环相关热机械疲劳寿命预测

在变温非线性运动强化规律所描述的高温合金材料热机械寿命应力－应变循环特性的基础上，讨论了应变控制的循环相关热机械疲劳寿命预测技术，所建模型采用了由应变以密度表示的损伤参数，并且引入了温度损伤系数，考虑了温度变化范围以及温度循环和应变循环相位关系对疲劳寿命的影响，在确定模型的一些参数，采用等温力学试验和疲劳试验的数据，为了把等温疲劳研究成果推广到变温疲劳分析领域，开辟了新的途径。     

基于应变能的复杂应力场低周疲劳分析

塑性应变能使材料微观组织结构发生不可逆变化,从而引起等效宏观应力,该应力随循环加载而增大．假定材料疲劳源处破坏是由最大拉应力引起的,最大等效宏观应力与外加应力叠加达到材料本征断裂应力时形成微裂纹．微裂纹引起上述两部分应力变化,继续加载直至宏观裂纹出现,从而得到材料的疲劳寿命．本文所建立的多轴疲劳寿命公式包含材料参数、拉应力以及塑性应变能等,以上数据可通过单轴疲劳数据和有限元方法获得．通过对SM45C材料的计算验证,表明该模型对多轴随机应变加载低周疲劳寿命,具有良好的预测结果．     

A new distortion energy-based equivalent stress for multiaxial fatigue life prediction

A new equivalent stress amplitude expression has been developed for the assessment of fatigue life in components under multiaxial loading. The expression was generated by incorporating non-linear/plastic stress–strain relation into a mechanical energy calculation, and then applying the calculation to the distortion energy theory for a cyclic loading case. Therefore, the new uniaxial equivalent stress expression determines an appropriate stress amplitude value for multiaxial cyclic loading. The purpose of the equivalent stress value is to determine multiaxial fatigue failure using an energy-based fatigue life prediction criterion. The governing understanding behind the criterion states that the physical damage quantity for failure is equal to the accumulated strain energy in a monotonic fracture, which is also equal to the accumulated strain energy during fatigue failure. Using the new equivalent stress amplitude expression and the energy-based life prediction method, a comparison is made between prediction results and multiaxial empirical data. The multiaxial data was acquired by a vibration-based biaxial bending fatigue test and a torsion fatigue test with an assumed axial misalignment. The results of the comparison provide encouragement regarding the capability of the newly developed equivalent stress amplitude expression for fatigue life prediction.     

Micromechanical modeling of low cycle fatigue under complex loadings — Part II. Applications

Motivated by the effect of the different loading paths (uniaxial and multiaxial) and the mean stress or strain effects, fatigue life is qualitatively evaluated by employing a micromechanical approach developed in the first part of this paper. Taking into account these loading conditions, a number of numerical tests are carried out to demonstrate the ability of this model to describe the inelastic-damaged behavior of low cyclic fatigue. Theoretically, the internal variables evolution on the Crystallographic Slip Systems (CSS) are recorded under these loadings up to the final fracture of the Representative Volume Element (RVE). The predicted macro-damage D^T as well as the applied macro-stress Σ are recorded and analyzed during fatigue life. It is demonstrated that, at least qualitatively, the developed model gives successful results describing the fatigue lives under employed loading paths. Quantitatively, after the identification of the material constants of the over-aged Waspaloy, two examples are taken into consideration representing the uniaxial and biaxial cyclic behavior of this alloy. It is shown that the predicted responses are in good agreement with the experimental results.     

基于临界面法的剪切式多轴疲劳寿命预测模型

基于临界平面原理,应用von-Mises准则提出一种能够同时适用于比例与非比例加载的剪切式多轴疲劳损伤参量.新的损伤参量,通过引入一个应力相关因子来考虑临界面上最大剪应变范围和正应变范围对多轴疲劳损伤贡献的不同,同时该因子还考虑了非比例附加强化对材料多轴疲劳寿命的影响.该参量不含有经验常数,便于工程应用.经1045HR钢,S45C钢,Inconel718钢,16MnR钢等四种材料的多轴疲劳试验验证,预测结果与试验结果吻合较好.     

Fatigue life predictions by integrating EVICD fatigue damage model and an advanced cyclic plasticity theory

An event independent cumulative damage (EVICD) fatigue prediction model was previously developed for the fatigue damage prediction under general multiaxial stress state and loading conditions. The model takes the plastic strain energy as the major contributor to the fatigue damage. The application of the EVICD model does not require a cycle counting method for general random loading. In the current effort, derivations were made to explicitly and directly relate the material constants in the fatigue model to the parameters in the Manson–Coffin equations and the cyclic stress–strain curve of the material. In addition, an advanced cyclic plasticity theory was implemented for the determination of the detailed stress–strain response that was required as the input for the EVICD fatigue model. Three metallic materials were used to demonstrate the capability of the modified fatigue model for the predictions of fatigue lives under different loading conditions. The results show that the fatigue model can provide fatigue life predictions in close agreement with the experimental observations.     

A MULTIAXIAL HIGH CYCLE FATIGUE LIFE PREDICTION MODEL CONSIDERING THE EFFECT OF MEAN STRESS FOR TENSION-TORSION LOADINGS WITH SAME FREQUENCY 1)

目前基于临界平面理论的高周疲劳寿命预测模型, 大都充分考虑了法向平均应力对材料疲劳寿命的影响, 但是没有有效反映剪切平均应力对疲劳寿命的影响. 通过分析7075-T651铝合金的试验数据发现, 与法向拉平均应力类似, 剪切平均应力同样对材料的疲劳寿命产生不利影响. 因此, 如果寿命预测模型中忽略剪切平均应力的影响, 存在明显剪切平均应力加载工况下, 预测寿命可能偏于危险. 由此, 本文定义具有较大法向应力的最大剪应力范围平面为临界平面, 建立了一个能够同时反映法向和剪切平均应力影响的高周疲劳寿命预测模型, 并给出了模型中材料常数的确定方法. 新模型首先将基于应变的Fatemi-Socie准则, 推广到材料的高周疲劳寿命预测, 给出了Fatemi-Socie准则的应力表述形式. 然后, 引入剪切和法向Walker因子, 反映剪切和法向平均应力对材料疲劳寿命的影响. 剪切和法向Walker因子的取值都介于0和1之间, 不同取值反映了材料对剪切和法向平均应力敏感程度的不同. 新模型适用于范围内的金属塑性材料. 利用5种材料在12种存在平均应力加载工况下的试验数据, 对所建模型进行了试验验证, 结果表明预测结果与试验结果吻合良好, 绝大多数寿命预测结果分布在3倍误差带以内.     

考虑平均应力的同频拉扭多轴高周疲劳寿命评价方法

目前基于临界平面理论的高周疲劳寿命预测模型, 大都充分考虑了法向平均应力对材料疲劳寿命的影响, 但是没有有效反映剪切平均应力对疲劳寿命的影响. 通过分析7075-T651铝合金的试验数据发现, 与法向拉平均应力类似, 剪切平均应力同样对材料的疲劳寿命产生不利影响. 因此, 如果寿命预测模型中忽略剪切平均应力的影响, 存在明显剪切平均应力加载工况下, 预测寿命可能偏于危险. 由此, 本文定义具有较大法向应力的最大剪应力范围平面为临界平面, 建立了一个能够同时反映法向和剪切平均应力影响的高周疲劳寿命预测模型, 并给出了模型中材料常数的确定方法. 新模型首先将基于应变的Fatemi-Socie准则, 推广到材料的高周疲劳寿命预测, 给出了Fatemi-Socie准则的应力表述形式. 然后, 引入剪切和法向Walker因子, 反映剪切和法向平均应力对材料疲劳寿命的影响. 剪切和法向Walker因子的取值都介于0和1之间, 不同取值反映了材料对剪切和法向平均应力敏感程度的不同. 新模型适用于范围内的金属塑性材料. 利用5种材料在12种存在平均应力加载工况下的试验数据, 对所建模型进行了试验验证, 结果表明预测结果与试验结果吻合良好, 绝大多数寿命预测结果分布在3倍误差带以内.