缺口件多轴疲劳寿命预估新方法

局部应力应变法(LSSM)以危险点处的局部应力应变历程进行寿命评价,忽略了非比例附加强化及缺口附近应力梯度对疲劳损伤的影响.论文通过分析裂纹萌生面(临界面)上剪应力和正应力分布状态,提出一种计算缺口件多轴疲劳损伤影响区的数学计算方法,建立考虑法向正/剪应力梯度与非比例附加强化效应的寿命预估模型.首先,基于能量法和临界面理论,借助坐标变换原理将应变能密度最大的材料平面定义为临界面,建立确定裂纹萌生方向的计算方法.其次,以临界面上特定路径为积分方向,将缺口件三维问题转化为线性问题,简化计算过程.综合考虑峰值应力和等效应力场强对多轴疲劳寿命的贡献度,建立表征缺口件多轴疲劳损伤演化过程的损伤参量.最后,通过TC4合金和Q345钢多轴疲劳试验验证论文模型的可行性和精确度,并与LSSM法、FS模型、SWT模型进行对比分析.     

FATIGUE PROPERTY BASED ON NOTCHED SPECIMEN TESTS

缺口件疲劳问题的研究日益引起各国学者的重视. 局部应力-应变法以其简单性在工程中得到了广泛应用, 该方法通常会得到偏于安全的结果. 引入疲劳缺口因子代替弹性应力集中因子针对缺口疲劳进行研究, 仍未能从本质上改善预测结果的准确性. 考虑到"热点应力" 附近的相对应力梯度, 提出了应力梯度法研究缺口件疲劳问题, 这一概念亦被用于应力场强度方法中, 如何准确确定损伤区域是应力场强度方法需要解决的问题. 临界距离理论可将Neuber 律、Peterson 方法及应力场强度方法进行有效统一, 同时有限元方法的发展进一步支持了该理论. 目前, 该方法在高周疲劳研究中取得了较好的效果, 但对低周疲劳寿命预测的有效性仍需进一步的验证.     

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.     

缺口件疲劳寿命分布预测的有效应力法

本文提出了一种由光滑件疲劳寿命试验数据预测缺口件疲劳寿命分布的有效应力法。该方法中缺口件的裂纹可能萌生表面被分解成一个个微元,整个表面可看成是这些微元组成的一个串联模型,按照串联概率失效模型,缺口件的疲劳强度失效概率就可以由各微元的疲劳强度失效概率计算得到,其中微元的疲劳强度失效概率是由光滑件的疲劳强度失效概率通过最弱环节理论计算得到的。在缺口件的疲劳强度失效概率表达式中,引入了有效应力的概念,用它查取光滑件的疲劳寿命试验数据就可以直接得到缺口件的疲劳寿命分布。该方法可以同时考虑到应力梯度和试件尺寸对缺口件疲劳寿命分布的影响。进行了材料LY12CZ的带中心孔缺口件的寿命算例分析,预测结果和试验结果吻合良好,表明该方法是有效的。     

基于修正的局部应力应变法估算连接件疲劳寿命

飞机机体结构疲劳裂纹的萌生与扩展几乎都发生在紧固件连接处,预测结构连接件的疲劳寿命具有重要意义.为了准确计算连接件疲劳寿命,提出了一种修正的局部应力应变法,该方法首先采用应力严重系数法和修正Neuber法分析连接件高应力区的应力、应变,然后利用Manson-Coffin方程计算疲劳寿命,此外考虑到在中、高周疲劳里表面加工和尺寸因素的影响是不能忽略的,对应变-寿命曲线的弹性段作了修正以使其同时适用于高、低周疲劳寿命的估算.以搭接件为算例进行疲劳寿命计算,并使用MTS Landmark试验机对搭接件进行疲劳试验.结果表明,采用此方法估算的连接件疲劳寿命与试验结果相比误差小于16％,证明了此方法的有效性.     

螺栓连接件微动疲劳特性分析

工程中钢结构构件经常采用螺栓连接,被连接部位多处于复杂受力状态,单轴疲劳理论已无法满足该 形式下构件的寿命评估需求．针对现有理论不足,本文建立了螺栓连接件有限元模型,研究了不同工况下被连 接件微动疲劳裂纹萌生位置,并基于临界平面的多轴疲劳理论,比较了四种常用模型的适用性以及预测了连接 件的疲劳寿命．结果表明：(1) 裂纹萌生位置位于受拉端螺栓孔附近的滑移粘着区,在相同螺栓预紧力下,该 位置与施加的疲劳载荷大小无关;(2) 基于临界平面方法的四种模型均可以较好判断裂纹萌生位置,其中SWT (Smith-Watson-Topper)模型对不同载荷水平下的螺栓连接件微动疲劳寿命预测效果较好,大部分预测结果位于± 2倍分散带之内,预测结果优于其他三种模型;(3) 在规范规定的螺栓预紧力范围内,被连接件裂纹萌生区域距 孔边的距离与预紧力大小无关,可能是由于预紧力变化范围内的粘着滑移区未发生明显变化所致,并且随着预 紧力减小,被连接件的寿命预测值反而增大     

基于体积法的缺口件多轴疲劳寿命预测

针对Mod.9Cr-1Mo钢不同缺口半径下的多轴疲劳试验结果进行模拟计算,采用体积法进行疲劳寿命预测,并与等效应变法的预测结果进行了对比。模拟结果表明,各路径下缺口根部应力集中程度随缺口半径减小而更为明显,最大应力集中程度达3.45。等效应变法给出的疲劳寿命预测结果随着缺口半径的减小而偏于保守,保守量高达90倍。为克服等效应变法给出的偏于保守的结果,基于剪应力随距缺口根部距离的变化趋势进行有效距离的计算,采用体积法进行寿命预测,94.1%的预测结果位于2倍分散带内。     

一种经验型疲劳小裂纹扩展模型

金属材料疲劳寿命由裂纹萌生和裂纹扩展寿命两部分组成，其中对于萌生寿命中的小裂纹分析是精确描述裂纹萌生寿命的关键．而小裂纹在扩展过程中由于尺寸相对较小，导致传统线弹性断裂力学预测方法失效，需要对其进行改进，考虑裂纹尖端塑性区引起的残余压应力对小裂纹扩展速度的影响．本文针对此问题进行了初步分析，通过对塑性区引起的残余应力的量化，结合小裂纹门槛值特性，提出了一种经验型修正的小裂纹扩展模型，用于定量预测裂纹的萌生寿命．使用铝合金6082-T6缺口试样进行了疲劳实验，并与理论结果进行了对比，验证了所提模型的有效性．     

Q235钢缺口试样拉压低循环疲劳的实验研究

以Q235钢制U型缺口板试样为研究对象,用有限元方法计算其缺口根部等效应变幅对应的试样标距段位移,以此控制试验机进行拉压循环疲劳试验。然后用局部应力应变法对试验测得的寿命结果进行分析。结果表明：无论用有限元还是修正Neuber公式计算缺口根部的应力应变,局部应力应变法的疲劳寿命评估只适用于缺口半径较大的试样;对缺口半径较小试样的估计寿命明显低于实测值,且有限元法比修正Neuber法更保守。进而又对试样缺口区域应变梯度的影响进行了探讨：参照有限元计算的应变梯度,利用Taylor模型估算了缺口根部的屈服应力和流动应力;在此基础上重新计算应变分布并估计试样的疲劳寿命,结果证实考虑应变梯度影响可改善缺口试样的疲劳寿命估计。     

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.      

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．     

相对Miner法则和局部应力应变法结合预测复杂载荷下构件的疲劳寿命

本文把相对Miner法则和局部应力应变法相结合,用于FALSTAFF战斗机疲劳载荷标准谱作用下两种构件疲劳裂纹形成寿命预测,并与疲劳试验结果进行比较,发现有限元法比改进的Neuber法能获得更准确的寿命预测.而相对Miner法则和局部应力应变分析相结合,较之传统的Miner法则,将能大大地提高寿命预测的准确度.     

航空导管弯曲试验的疲劳裂纹萌生寿命

飞行器液压导管受接头和卡箍等约束，在使用的振动环境中，会因弯曲应力而导致破裂，影响到飞行安全．本文对飞行器液压系统通用的不锈钢导管的裂纹萌生寿命进行了试验研究．首先在对8 mm、12 mm 无缺陷导管和含U 型缺口8 mm 导管的疲劳试验和有限元分析的基础上，得到了导管的最大拉应变-裂纹萌生寿命数据．然后采用基于强度极限和弹性模量估算法的Manson-Coffin 公式来预测导管裂纹萌生寿命．最后引入加载类型修正系数、表面质量修正系数、试样尺寸修正系数、应力集中敏感系数和有效应力集中系数，使修正后的公式对三种类型的导管均有较好的裂纹萌生寿命预测精度．     

试样疲劳性能尺度效应的概率控制体积方法

试样尺度、缺口和加载方式通常对材料的疲劳性能具有重要影响. 因此,发展关联试样尺度、缺口和加载方式对疲劳强度影响的方法对于从材料疲劳性能到结构件疲劳性能的预测具有重要意义.首先,采用旋转弯曲加载和轴向加载方式对不同几何形状EA4T车轴钢试样进行了疲劳实验.实验结果表明, 由于试样尺度的增加,轴向加载下狗骨形试样的疲劳强度明显低于沙漏形试样; 相同寿命下,缺口显著降低试样的疲劳强度. 疲劳断口扫描电镜观测结果表明,疲劳裂纹均起源于试样表面.沙漏形试样和狗骨形试样疲劳断口大多只有一个裂纹源,而缺口试样疲劳断口均具有多裂纹源特征. 然后,采用概率控制体积方法研究了试样尺度、缺口和加载方式对疲劳强度的影响,并与临界距离和应变能密度方法进行了比较. 结果表明,概率控制体积方法能够更好地关联试样尺度、缺口和加载方式对EA4T车轴钢疲劳强度的影响.最后, 提出一种基于控制体积的结构件疲劳强度预测方法,并用于具有不连续高应力区域车轴钢试样的疲劳强度预测,预测结果与实验结果 吻合.      

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.     

基于SWT方法的钢绞线索微动疲劳特性分析

为得到钢绞线索丝间接触区的应力场分布并预测微动疲劳裂纹萌生位置和微动疲劳寿命，本文利用参数化方法建立了精细化的钢绞线拉索有限元模型，包括整索模型和不同层丝间接触区域的局部精细化子模型．分析了钢绞线索在两种交变荷载工况下的应力场变化情况，并基于多轴疲劳SWT(Smith-Watson-Topper)临界平面法进行了疲劳特性分析和疲劳寿命预测．主要结论如下：钢绞线索内接触区边缘处的微动幅值较大，中心处几乎没有相对滑动，微动疲劳的初始裂纹萌生点位于接触区域边缘；经不同区域子模型分析比较，在轴向循环荷载作用下，外层钢丝的接触区域比内层钢丝更易发生微动疲劳损伤；在横向位移循环荷载作用下，同层钢丝因位置角度不同而产生了较大的疲劳特性差异，且相比轴向循环拉伸，该工况下最不利单丝的微动疲劳寿命更低；与非接触区域相比，接触区的疲劳寿命大幅降低，微动现象对钢绞线索的抗疲劳性能有明显降低作用．     

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.      

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。     

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.