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。     

纤维增强树脂基复合材料多轴疲劳研究进展

纤维增强树脂基复合材料结构在工程应用中常常承受复杂载荷的作用, 从而使材料处于多轴循环应力条件下. 为了更加合理地进行复合材料结构设计, 必须对复合材料多轴疲劳行为进行深入的研究, 建立比较理想的复合材料疲劳寿命预测模型. 首先简单回顾了复合材料单轴疲劳损伤判据及其寿命预测模型, 然后结合作者的研究结果, 总结了近年来国内外纤维增强树脂基复合材料多轴疲劳理论的研究成果, 对各种失效准则、疲劳寿命预测模型进行了较为深入的分析, 指出了它们各自的特点及其存在的问题, 并对复合材料多轴疲劳理论的研究趋势作出了展望. 最后, 对目前常用的复合材料多轴疲劳实验方法进行了总结, 并指出了各种方法的优缺点及其实验中存在的困难.      

接触疲劳试验中失效的评定

介绍了两种评定材料抗接触疲劳能力的指标——应力循环次数和点蚀严重程度标记数。论述了制定接触疲劳失效判定准则的意义。作者通过试验,研究了纯滚动和滚-滑运动接触条件下失效时点蚀坑形式的差异,提出了这两种条件下接触疲劳失效的判定准则。     

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.      

基于多轴应力损伤的薄板花瓣型破口形成机理研究

开展了多种应力状态下的船用钢力学特性实验,基于多轴应力状态损伤的失效准则研究了局部冲击荷载作用下圆形板的花瓣型破口形成过程,划分了花瓣型破口形成的3个阶段,分析了裂纹区域、非裂纹区域应力状态变化过程及损伤情况。得到:(1)考虑多轴应力损伤的舰船用钢失效准则能有效预测受力状态复杂的花瓣状破口;(2)花瓣型破口的形成主要分为蝶形凹陷、中心区域裂纹扩展、花瓣形成与翻转等3个阶段;(3)花瓣型破口的裂纹区和非裂纹区均受力复杂,破口预测须考虑应力状态对损伤特性的影响;(4)花瓣形成过程中,第1阶段和第3阶段均匀变形,第2阶段损伤局部化明显,花瓣卷曲会造成花瓣根部的二次损伤。     

随机振动载荷作用下结构Von Mises应力过程的研究

随机振动载荷作用下结构的多轴疲劳分析非常复杂，利用Von Mises应力准则将多轴应力响应转换为单轴应力是一条简单而有效的途径，其关键问题是Von Mises应力概率密度函数的确定。本文提出了Von Mises应力过程近似服从Weibull分布的假设，同时给出了确定Weibull参数的方法，为进一步直接利用Von Mises应力进行结构多轴疲劳分析创造了条件。     

单向加载,平均应力下的疲劳短裂纹生长

本文报道单向加载下平均应力和交变应力对疲劳短裂纹生长的影响。采用一种1.99%NiCrMo钢,在平均应力和交变应力不同组合的应力控制条件下进行室温疲劳试验,将疲劳过程划分为3个阶段:塑性局部化,微观组织短裂纹(MSC)生长和物理短裂纹(PSC)生长,研究了平均应力对上述3个阶段的影响并得到一组关系式,这些关系式可预测多种平均应力和交变应力组合条件下短裂纹的初始阶段和生长行为。获得了不同平均应力下疲劳承载曲线的满意的预测结果。本研究为仍依赖于传统的Goodman疲劳图的设计人员提供了一种以疲劳过程物理机制为基础的方法。     

金属材料多轴非比例低周疲劳寿命预测概述

工程中的大多数构件承受着比例或非比例多轴疲劳荷载作用,而非比例强化效应会大大影响其多轴疲劳寿命。精确预测金属材料在多轴非比例荷载下的低周疲劳寿命需要同时考虑等向强化、随动强化及非比例强化效应下的材料本构关系,并在临界面上计算出相应应力应变值,根据不同疲劳失效形式选取不同类型的失效模型来确定疲劳寿命．本文针对这一过程中重要知识点进行阐述,并介绍了相关模型与理论．     

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.     

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.     

含缺口试件疲劳全寿命预测一种建议的方法

传统的研究含缺口构件的疲劳的方法是将疲劳启裂和疲劳裂纹扩展两个过程完全独立起来,用不同的方法来模拟,相互间并没有定量的关系。本文是基于最新发展的多轴疲劳损伤理论,建立了一种适用于各种载荷条件下的疲劳启裂和裂纹扩展的普适方法。根据从弹塑性分析中得到的应力应变,确定疲劳损伤模型,建立能够预测疲劳启裂、裂纹扩展速率和扩展方向的新方法。整个模拟可以分为两步:弹-塑性应力分析得到材料的应力应变分布;再运用一个通用的疲劳准则预测疲劳裂纹启裂和裂纹扩展。通过对1070号钢含缺口试件的疲劳全寿命预测,得到了与实验非常吻合的模拟结果。     

基于多轴疲劳准则的齿轮点蚀寿命预测

综合齿轮动力学和弹性流体动力润滑理论,建立基于临界平面法多轴疲劳寿命预测模型.首先根据齿轮啮合特性获取齿面接触的时变参数,采用平均滤波方法模拟齿面磨合后的粗糙状态,并将齿面粗糙形貌带入油膜厚度计算,并基于量纲化差分方法建立齿轮的热弹流动力润滑模型;随后,通过润滑界面压力和摩擦力的分布计算近表面应力状态,确定接触近表面任意平面的应力与应变幅;最终,采用临界平面方法计算Smith-Watson-Topper(SWT)参数和最易萌生裂纹的平面,最终确定齿轮疲劳点蚀寿命,并试验验证模型有效性.结果表明：粗糙表面造成压力、油膜厚度和温度等波动较大,最大应力集中分布在表面,疲劳点蚀的微裂纹首先在表面萌生;齿轮疲劳点蚀数值模型可有效预测不同润滑条件下的疲劳点蚀寿命.     

转动惯量法在多轴疲劳本构关系预测中的应用

一些金属材料在承担多轴非比例加载过程时,会产生额外非比例附加强化或软化现象,这一现象往往会导致在评估疲劳寿命时因为材料本构关系的不确定而引起预测结果出现较大误差．因此基于单轴疲劳理论得出的寿命预测模型并不能准确地预测多轴非比例疲劳加载下的材料寿命．针对此问题,本文阐述了非比例附加强化效应产生的原因及结果,结合转动惯量法的理论和塑性增量法,建立了预测多轴低周疲劳加载下循环应力-应变曲线的数值计算模型．利用316L 不锈钢试样在5 种加载路径下的实验数据对预测结果进行了验证,结果表明该模型具有良好的预测有效性及精度．     

随机振动结构Von Mises应力过程峰值概率密度函数的研究

随机振动载荷作用下结构的多轴疲劳分析非常复杂,利用Von Mises应力准则将多轴应力转换为单轴应力是一条简单而有效的途径。在频域利用Von Mises应力对结构进行多轴疲劳分析的前提是必须获得Von Mises应力过程中应力循环的概率密度函数。本文利用平稳随机过程的穿越分析和极值的概率分析,给出了计算Von Mises应力过程峰值概率密度函数的公式,为进一步进行疲劳损伤及寿命分析打下了基础。     

基于塑性应变能复杂应力场非比例加载疲劳寿命分析

本文提出了一种以应变能预测多轴应变加载低周疲劳寿命的新方法,该方法最大特点假设疲劳裂纹是由最大剪应力和其相对应的正应力引起,解决了其他方法不能反映非比例强化的问题;该方法建立等效内应力、外加有效应力与塑性应变能的关系,从而分析得到基于塑性应变能的多轴非比例疲劳寿命的计算模型,及多轴疲劳寿命公式中材料参数确定、剪应力及其所在平面所对应的正应力、塑性应变能等的获取方法.凭借Al5083、S460N材料光滑试件、GH4169材料缺口件、Al5083焊接件的多轴非比例加载进行寿命预测的验证,证明该模型可以预测不同材料、不同加载路径下的多轴非比例应变加载低周疲劳寿命.     

疲劳文献的初步分析

疲劳是力学上的一个分支.主要是研究材料和构件在承受交变循环载荷作用下的强度、应力状态与寿命关系问题.材料在循环加载下,某部可发生损伤递增过程.经一定的应力或应变循环后,损伤累积可使材料产生裂纹,进一步扩展后可完全断裂.这种情况叫作疲劳破坏.疲劳问题是一个涉面很广的学术课题.据统计, ...     

多轴加载下混凝土细观破坏模拟的强度准则探讨

实际工程结构中混凝土材料大多处于双轴或三轴的复杂应力状态,已有的细观力学数值研究工作大多针对单轴加载问题,对于双轴或者三轴加载条件下混凝土破坏模拟的研究相对较少。复杂受力条件下的混凝土材料破坏模拟中,细观组分强度准则选取的合理与否将成为混凝土破坏模式及宏观力学性能数值研究准确和成功与否的关键。本文旨在探讨单轴强度准则,如最大拉应变准则在多轴加载条件下混凝土破坏过程研究中运用的合理性。鉴于此,首先在细观尺度上建立了混凝土试件的二维随机骨料模型,分别采用弹性损伤本构关系模型及塑性损伤本构关系模型来描述细观组分(即砂浆基质)的力学性能,对双轴加载条件下混凝土的细观破坏过程进行数值模拟,对比了单轴强度准则和多轴强度准则下混凝土试件破坏路径及宏观应力-应变关系的差异。数值结果表明,简单的单轴强度准则难以反映双轴加载下混凝土内部应力状态的复杂性,不宜采用单轴强度准则来描述多轴加载下混凝土的破坏行为。     

等离子喷涂层接触疲劳失效模式及失效机理的研究

研究了等离子喷涂层在不同应力水平下的接触疲劳失效模式与声发射幅值的对应关系,并分析了涂层的接触疲劳失效机理.结果表明:声发射幅值与接触应力的大小无明显的关系,根据疲劳失效时的声发射幅值可以判断涂层接触疲劳失效模式,幅值为87～93 dB时易发生剥落或分层失效,幅值为78～83 dB易发生点蚀失效.涂层表面微凸体与轴承球滚压接触产生黏着磨损以及涂层、磨粒、轴承球三者形成的三体磨料磨损是点蚀失效产生的主要原因.剥落失效主要与涂层表面微观缺陷处裂纹的萌生、扩展以及表面磨损行为有关.层内分层失效是由涂层内部最大剪切应力控制的,而界面分层失效主要是由涂层与基体的低结合强度、热失配以及界面剪切应力造成的.     

基于损伤泊松比的混凝土多轴强度准则

基于两个基本假定并提出损伤泊松比的概念,应用损伤力学理论和最小耗能原理,根据混凝土单元体的耗能率应受到强度准则的约束,建立了混凝土在多轴应力状态下强度准则的一般形式并揭示混凝土的破坏机理,指出损伤泊松比是决定混凝土破坏的关键.根据混凝土破坏包络面的特征和已有试验资料,初步确定了损伤泊松比的表达式.通过与国内外633组多轴应力下混凝土强度试验资料的比较,结果表明该强度准则计算结果与试验结果符合较好.针对二轴应力状态下,新混凝土强度准则可进一步简化,其形式更简单,且偏于安全.     

弹塑性疲劳微弯裂纹尖端塑性区问题

主要研究疲劳载荷作用下弹塑性裂纹弯曲延伸扩展问题.通过分析论证,比较精确地研究了疲劳载荷作用下弯曲延伸裂纹尖端塑性区域边界上交变应力的分布状况.综合考虑了疲劳作用应力,塑性区域交变应力,利用二阶摄动方法,研究计算了弯曲延伸裂纹尖端塑性区域的范围,并预测了疲劳载荷作用下弹塑性裂纹扩展路径.