基于能量法的多轴疲劳寿命预测方法

多轴疲劳寿命预测对于确保工程构件的安全性及经济性具有重要意义,其中损伤参量的选取对于预测结果的精度具有关键影响作用.Smith-Watson-Topper (SWT)能量参数是目前常用的损伤参量,但由于仅考虑了拉伸应变能对材料损伤的贡献,因此其常做出偏于危险的预测结果.针对此问题,Glinka及Chen-Xu-Huang (CXH)能量参数被相继提出.然而试验验证表明:Glinka参数通常仅适用于以剪切型失效为主要失效模式的材料,CXH参数则易给出过于保守的预测结果.为提高SWT参数对各种材料与加载路径的适用性,论文在评估Glinka及CXH参数的基础上,提出了两个修正的SWT能量参数,并建立起了一个统一的多轴疲劳寿命预测模型.针对不同的疲劳失效形式,所提出的能量参数不仅可考虑平均应力效应,且可同时包括临界面上不同加载方向对材料损伤的影响.通过六种材料的多轴疲劳试验数据对新模型、SWT模型、Glinka模型及CXH模型进行了验证,结果显示新模型比其他三种模型具有更好的寿命预测精度及稳定性.     

基于裂纹扩展的疲劳-蠕变寿命预测

为了提高疲劳-蠕变寿命的预测精度,首次从裂纹扩展角度出发引入有效应变能密度增量,利用应力-应变迟滞回线所围图形的正值面积对其进行了定义和计算。计算表明,有效应变能密度增量与加载的应力、速率、保载时间、材料性质及疲劳-蠕变的速率相关,且随压应力增加而增大。通过将有效应变能密度增量与裂纹的长度之积定义为裂纹扩展的控制参量,建立了疲劳-蠕变下的裂纹扩展速率方程,并由此导出了疲劳-蠕变寿命与有效应变能密度增量之间的关系式。该式中的疲劳与蠕变有效应变能密度增量交叉项恰好反映了疲劳与蠕变的交互作用。最后,采用该式对1.25Cr0.5Mo钢在540℃时不同应力控制下的疲劳-蠕变寿命进行了预测,发现83.3%的预测值在实验值的1.3倍分散带以内,预测结果良好。     

一种基于耗散能计算的高周疲劳参数预测方法

在热力学框架下,基于薄板假设,建立金属材料薄板试样在高周疲劳载荷作用下的热传导方程,将试样温度场数据和实时载荷信号导入,准确计算与高周疲劳损伤相关的单个循环内耗散能. 基于该方法,以316L不锈钢材料为例,通过实时监测试样不同应力水平下高周疲劳破坏全过程中耗散能的变化,拟合出耗散能-疲劳寿命曲线,呈现与传统的应力-疲劳寿命曲线相同的规律;提出一种新的预测高周疲劳极限的能量法,确定的疲劳极限与实验值相近.     

基于耗散能密度的疲劳裂纹扩展规律研究

在疲劳裂纹扩展过程中,裂纹尖端的能量耗散决定了裂纹扩展能力.研究基于耗散能密度的裂纹扩展规律更有物理意义.耗散能密度是材料疲劳性能的一种表征参数,实验测得了镍基高温合金GH4169材料室温和450℃高温的耗散能密度与控制应力幅值的关系曲线.参照Paris公式的形式提出了基于耗散能密度的裂纹扩展方程,并通过疲劳裂纹扩展试验测量了GH4169材料在室温和450℃高温下的裂纹扩展速率与耗散能密度的关系.试验结果的总体趋势与所提出的扩展方程一致.     

基于电能耗散的金属材料疲劳损伤测量

根据电磁学原理,提出了基于电能耗散的疲劳损伤定义,指出其较能反映金属材料疲劳损伤的特征.获得了用电阻变化测量疲劳损伤的公式,应用计及疲劳极限和循环应力幅影响的非线性累积疲劳损伤模型,给出鲻了金属材料疲劳损伤的剩余寿命预测公式.通过正火45#碳钢的旋转弯曲疲劳试验,验证了本文提出的剩余寿命预测公式的可靠性,和韧性耗散测量疲劳损伤相比较,说明了用电阻测量疲劳损伤的合理性.     

点焊接头疲劳寿命预测研究进展

概述点焊接头疲劳损伤理论与寿命预测方法的研究进展,分析点焊接头的疲劳强度影响因素和裂纹萌生扩展机理,对点焊接头疲劳寿命估算方法进行了对比,对寿命估算模型进行了评价,最后对点焊接头疲劳寿命预测研究的未来发展趋势提出了看法．     

两级变幅应变疲劳本征损伤耗散寿命预测模型研究

在变幅低周疲劳载荷条件下, 材料的疲劳损伤累积过程中呈现出了显著的载荷顺序效应. 这种现象复杂化了变幅疲劳寿命的预测, 因此, 如何更精确地预测变幅低周载荷下的疲劳寿命, 已经成为了一个亟待解决的问题. 针对变幅低周疲劳载荷下损伤累积表现的载荷顺序效应, 考虑到本征损伤耗散与疲劳损伤构成一一映射, 且刻画低周疲劳破坏的热力学本质, 基于连续介质损伤力学及其不可逆热力学框架, 推导本征损伤耗散功演化模型D型描述并以等同本征损伤耗散功作为损伤转换条件, 建立了一种考虑载荷顺序效应的变幅低周疲劳寿命预测模型. 为了验证新模型的有效性和先进性, 进行了P355NL1结构钢和Ti-6Al-4V钛合金在两级变幅载荷下的单轴低周疲劳实验验证, 并与Manson模型、Kwofie模型和Peng模型进行了比较分析. 研究结果表明, 新建模型的预测效果都在1.5倍的误差范围内, 与实验结果相当吻合, 且优于现有的预测模型. 运用本征损伤耗散理论开展变幅疲劳寿命预测, 为金属材料变幅疲劳寿命预测提供了新思路.     

Q345低周疲劳性能与疲劳寿命预测分析

本文对结构用钢Q345的低周疲劳性能进行了试验研究。试验在常温下岛津电液伺服疲劳试验机上进行,采用轴向应变控制方法,恒定应变速率为0.005s-1,应变比为-1。试验结果表明,初始阶段,Q345在高应变幅值(0.6%)循环作用下出现循环硬化效应,而在低应变幅值(0.6%)作用下出现循环软化效应;随着加载应变幅的增加,硬化和软化率呈直线上升趋势。Q345疲劳裂纹萌生阶段占其整个寿命的60%以上,其裂纹萌生寿命与应变幅存在幂函数关系。根据Coffin-Manson公式得到了Q345的应变-寿命关系公式;采用能量预测法得到了材料的塑性应变能与疲劳寿命的关系表达式。上述结果对钢结构的设计、评估具有重要的工程应用参考价值。     

疲劳寿命估算的能量法及其实验研究

根据疲劳损伤滞后能等效原理,导出了缺口件与光滑件的当量应力关系,通过Ｎｅｕｂｅｒ公式和饱和应力应变关系,可确定当量应力取值;采用定量方程随机化方程,建立了γ－ｐ－ε－Ｎ曲线（置信度－可靠度－应变－寿命曲线）公式及其实验测试方式;根据疲劳累积损伤理论和γ－ｐ－ε－Ｎ曲线公式,得到了随机载荷谱作用下构件疲劳寿命估算公式;最后,实验验证了复杂实测载荷谱作用下,ＬＹ１２ＣＺ铝合金含孔试样的疲劳寿命估算结果     

短裂纹群体行为及疲劳寿命预测

综述了疲劳短裂纹群体行为研究的进展与现状,包括短裂纹群体行为的实验观察,裂纹数密度演化与守恒,群体裂纹损伤演化的蒙特卡洛模拟以及统计方法与随机分析预测材料疲劳寿命     

线性疲劳累积损伤准则适用性评估

本文将线性疲劳累积损伤理论分为3类:(1)等损伤线性疲劳累积损伤理论;(2)变损伤线性疲劳累积理论;(3)等损伤线性分阶段疲劳累积损伤理论.对每类理论分别从理论基础、材料常数、引入的参量及工程应用等方面进行分析,归纳出典型模型,并利用金属材料的两级谱、多级谱和随机谱试验数据进行了评估.最后,从理论基础和数据评估两方面进行综合评述,得出了不同类型的模型的适用范围和计算效果,对工程实践具有参考价值.     

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 damage function used for prediction of low cyclic fatigue life

Ｉｔｉｓｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓｔｈａｔｔｈｅｄａｍａｇｅｍｅｃｈａｎｉｃｓｉｓｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｉｎｓｔｕｄｙｉｎｇｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｐｒｏｂｌｅｍｓ．Ｔｈｅｋｅｙｔｏｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｉｓｔｏｄｅｆｉｎｅａｎａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｄａｍａｇｅｖａｒｉａｂｌｅｗｈｉｃｈｈａｓａｃｌｅａｒｐｈｙｓｉｃａｌｍｅａｎｉｎｇａｎｄｓｈｏｕｌｄｂｅｍｅａｓｕｒｅｄｂｙａｓｉｍｐｌｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｒｏｃｅｄｕｒｅ,ａｎｄｔｈｅｖａｒｉａｂｌｅｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ…     

一种考虑拉伸保持效应的多轴疲劳寿命模型

通过定义考虑拉伸保载效应的CFI因子(creep-fatigue interactionfactor),将拉伸蠕变损伤和疲劳损伤进行非线性耦合. 根据断裂实验的观察,针对拉伸主导的裂纹萌生、扩展及破坏的多轴疲劳问题,给出了一个基于临界面方法的能量型高温多轴疲劳寿命预测模型. 所给出的模型可对不同温度、不同载荷特点、不同保载时间的多轴疲劳寿命进行预测,模型的材料参数不依赖于温度和载荷. 并且此方法可以很方便地推广到其它因素主导破坏的高温多轴疲劳寿命预测. 通过拟合高温合金Udimet720Li单轴带保持时间的低循环疲劳(low cycle fatigue, LCF)寿命试验数据,得到了材料常数. 结合黏塑性有限元分析方法,对高温双轴带保载循环载荷下Cruciform试件的寿命进行了预测,预测结果基本落在2倍分散带内,达到工程的要求,证明了该模型的有效性.     

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.     

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。     

一种统一的多轴疲劳损伤参量

According to the critical plane principle, a unified multiaxial fatigue damage parameter is presented based on the varying behaviour of the strains on the critical plane. Both parameters of the maximum shear strain amplitude and normal strain excursion between adjacent turning points of the maximum shear strain on the critical plane are considered in the presented multiaxial fatigue damage parameter. An equivalent strain is made with both parameters of the maximun shear strain amplitude and normal strain excursion by means of von Mises criterion. Thus a new multiaxial fatigue damage model is given based on critical plane approach. The results show that the multiaxial fatigue damage paramete r proposed in this paper may be used under either proportional or nonproportional loading, and may also be reduced to an uniaxial form.It is used to predict multiaxial fatigue life and good agreement isdemonstrated by experimental data.