多轴载荷下缺口试件疲劳寿命预测研究

基于临界平面法,在分析光滑薄壁圆管试件疲劳寿命预测模型的基础上,借助有限元应力应变分析,进一步将模型推广应用到了缺口试件的多轴疲劳寿命预测中,并利用坐标变换原理,明确了临界平面及有效循环变量的确定方法.在存在平均应力的情况下,分析了平均应力对疲劳寿命的影响,并对所建模型进行了平均应力修正.     

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.      

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.     

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.     

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.     

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。     

变应力幅值下的疲劳寿命问题

本文讨论了飞机结构或构件,在变应力幅值下疲劳寿命的估算方法;并根据大量的切口试件的程序疲劳试验,从理论上和实验上阐述了平均应力、少数极高应力、应力次序、循环块几寸以及地一空周等主要因素对对疲劳寿命的影响.     

随机载荷下疲劳裂纹的闭合和扩展估算模型

本文分析了裂尖前,后方塑性区对闭合性能的影响,提出从裂尖塑性钝化量和尾迹区残余塑性变形两个方面来确定裂纹面的残余变形,并讨论了压缩载荷对闭合应力的影响,由此建立了一个疲劳裂纹闭合模型,然后通过模型“有限记忆”性质的假定将它应用到随机加载情况。用此模型对铝合金2219——T851受飞机谱载荷的CCT平面应力试件进行了疲劳寿命估算,估算值与实验结果接近。     

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.      

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.     

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.      

一种统一的多轴疲劳损伤参量

城分析多轴损伤临界面上的应变化特性的基础上,根据多轴疲劳临界损伤平面原理,提出利用多轴介面上的最大剪切应变幅与相临两个最大剪切应变值之间的法向应变幅所合成的ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ等效应变幅作为多轴疲劳损伤参量,该参量不含有任何材料常数,不仅能够适用于多轴比例与非比例加载下,而且可退化成单轴的形式,经四种材料的试验验证,结果是令人满意的。     

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.      

A unified multiaxial fatigue damage parameter

According to the critical plane principle, a unified multiaxial fatigue damage parameter is presented based on the varying behaviour of the strains of the critical plane. Both the 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 multiaxial fatigue damage parameter presented. An equivalent strain amplitude is made with both parameters of the maximum shear strain amplitude and normal strain excursion by means of von Mises criterion. Thus a new multiaxial fatigue damage parameter proposed in this paper may be used under either proportional or nonproportional loading, and may also be reduced to a uniaxial form. It is used to predict multiaxial fatigue life and good agreement is demonstrated by experimental data. The project is supported by the National Doctoral Foundation of China and National Natural Science Foundation of China.     

基于顺序雨流法和临界平面法的多轴变幅低周疲劳寿命评价

 在多轴变幅疲劳寿命预测过程中，合适的雨流计数法对复杂加载历程分析非常重要，但是大多数雨流计数过程往往无法保持原始的加载顺序特性，进而会导致非保守的疲劳损伤和寿命预测．本文提出一种考虑加载顺序效应并基于临界面概念的多轴实时顺序雨流法，该方法既具有实时顺序计数特点，同时与Bannantine-Socie多轴雨流法结合，可以实现对主要通道内的载荷历程实时的雨流计数．基于Morrow 模型，提出一种新的考虑加载顺序的线性损伤累积方法．相对于传统雨流计数法需要得到完整的载荷数据后才能进行分析的特点，新方法计算效率更高，实用性更强．通过对316L 不锈钢的多轴疲劳试验数据的分析，验证了该方法在多轴疲劳寿命预测过程中的有效性．     

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.     

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.