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.      

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.      

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.      

非比例载荷下多轴低周疲劳研究最新进展

近年来对多轴低周疲劳的研究已引起广泛重视，其疲劳损伤积累、裂纹萌生、寿命预测方法等都与单轴情形有很大的不同．本文对近年来多轴低周疲劳的研究现状进行了评述，讨论了各种多轴疲劳寿命估算方法，并着重讨论了非比例加载下的低周疲劳     

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．     

多轴非比例加载低周疲劳寿命预测方法的研究

在分析多轴损伤临界面上的能量变化特性的基础上,提出一种基于临界平面方法的多轴疲劳损伤参量,该损伤参量将表征附加强化的非比例度作为摩擦系数引入其中,利用线性累计损伤准则建立了该损伤参量最大值和疲劳循环周次的关系,进而获得一种预测多轴非比例低周疲劳寿命的方法。经试验验证,结果是令人满意的。     

镍基单晶合金多轴非比例加载低周疲劳研究

基于正交设计, 分别在680℃和850℃下进行DD3镍基单晶合金薄壁圆管试样([001]取向)拉/扭非比例加载低周疲劳试验, 研究等效应变范围、应变路径角、拉/扭载荷相位角、循环特性和温度诸因素对镍基单晶合金多轴低周疲劳寿命的影响作用. 疲劳试验数据的极差分析表明, 应变路径角、拉/扭载荷相位角和等效应变范围是影响疲劳寿命的主要因素. 将菱形应变加载路径区分为比例加载段和非比例加载段, 提出了表征非比例加载效应的等效应变参量, 并通过引入单晶应变三轴性因子反映拉/扭应变路径角对多轴疲劳寿命的影响. 用考虑非比例加载效应的等效应变范围和单晶应变三轴性因子构造循环塑性应变能损伤参量, 进行多元线性回归分析, 疲劳寿命回归模型与试验寿命具有很好的相关性, 所有试验数据都落在2.0倍的偏差分布带之内.      

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 interaction factor),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.     

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.     

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.      

一个修正的金属材料低周疲劳损伤模型

疲劳破坏是金属最常见的失效形式之一.基于连续损伤力学理论和能量原理,论文提出了一个修正的金属材料低周疲劳损伤演化方程,该方程综合考虑了材料的塑性强化、微裂纹闭合效应等因素对损伤累积的影响.将修正后的损伤演化方程以UMAT子程序的形式导入有限元计算软件ABAQUS之中,建立了疲劳损伤的计算模型,并以铝合金7050-T7451为例对该模型的有效性和适用性进行了验证.     

多轴非线性连续疲劳损伤累积模型的研究

根据所建立的单轴非线性疲劳损伤累积模型,在多轴疲劳损伤临界面原理研究的基础上,针对多轴比轴比例加载,建立了多轴非线性连续疲劳损伤累积模型,该模型可以考虑多轴疲劳极限、平均静水应力以及损伤参量与加载参数的不可分离的特点,并且能够反映出多轴加载顺序的影响,最后讨论了该多轴疲劳损伤累积模型在多级加载下的递推形式,经多轴二级及块载疲劳试验数据验证表明,用该模型预测多轴疲劳寿命,其结果令人满意。     

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.     

复杂应力状态镍基单晶合金低周疲劳损伤模型

根据连续介质损伤力学理论,采用应变能释放率作为热力学广义力描述正交异性材料的疲劳损伤过程,引入取向函数考虑镍基单晶合金晶体取向对疲劳损伤的非线性影响,提出了一个各向异性疲劳损伤模型。应用多元线性回归分析方法,拟合疲劳试验数据可确定模型参数。从应变能释放率的应变空间表达式出发,导出了含有3个弹性常数的单晶合金应变三轴性因子,它既反映了材料性能的晶体取向相关性,又反映了正应力和剪应力的相互作用,并可退化为各向同性材料的应变三轴性因子。利用该模型对CMSX-2镍基单晶合金在应力控制对称循环拉-扭载荷作用下的低周疲劳寿命进行预测,预测值与试验值吻合的相当好,试验所得数据均落在2.2倍偏差的分布带内。     

低周疲劳随机损伤过程的有限元模拟

讨论了一种低周疲劳下随机损伤演变过程 数值模拟方法，借助于Ｌｅｍａｉｔｒｅ＆Ｄｕｆａｉｌｌｙ给出的代表性体元的微观力学模型，建立了损伤与微裂纹尺寸的关系，采用随机初始损伤反映材料中固的的微缺陷，将所得模型与有限元结合对低周疲劳损伤过程进行了数值模拟。     

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.      

考虑应力集中的镍基单晶合金低周疲劳公式

对不同取向、带应力集中状态下镍基单晶合金构件的低周疲劳寿命进行了研究.在理论应力集中系数和载荷比确定的前提下,只要确定了缺口根部的剪应力范围,在不考虑分散性的情况下,缺口试棒的寿命是确定的.而此时,光滑试棒也一定存在某一个应力水平,在该应力水平下光滑试棒与缺口试棒的寿命相等;这时等寿命的光滑试棒与缺口试棒的最大剪应力范围之间存在一定的关系.根据这种关系,本文建立了剪应力范围的修正系数法,其与试验所得到的不同取向缺口试棒的低周疲劳寿命之间的最大偏差倍数为3.45,而直接采用光滑试棒剪应力范围寿命公式与实验寿命之间的最大偏差倍数为1681倍.结果表明,采用剪应力范围修正系数法预测不同取向的缺口试棒低周疲劳寿命具有较高的精度.     

基于损伤力学方法的中周疲劳双尺度损伤模型

通常对于发生在高低周疲劳之间,损伤兼具弹塑性损伤特性的疲劳行为称为中周疲劳。本文将损伤力学方法与细观力学模型相结合,对双尺度代表性体积单元(RVE)的本构关系进行了合理假设,并分别研究了两个尺度的损伤演化规律。根据细观力学方法,考虑两相损伤的分别演化和互相作用,最终得到RVE的损伤演化模型。然后根据ABAQUS软件的接口与UMAT对接实现二次开发,建立了材料疲劳寿命预估的损伤力学——有限元解法。对铝合金LC4CS缺口件进行疲劳寿命预估以及损伤分析计算,预估结果均处于试验结果的两倍误差带内,验证了所提出双尺度模型的有效性。     

低周-超高周复合循环疲劳实验及寿命模型研究

复合循环疲劳是燃气轮机叶片和压力容器构件广泛存在的一种疲劳破坏形式.本文以不锈钢S310为研究材料,分别进行了低周疲劳实验、超高周疲劳实验、低周-超高周复合循环疲劳实验,并基于疲劳实验结果和损伤累积理论提出了低周-超高周复合循环疲劳寿命预测方法.通过多组数据与多个复合循环疲劳寿命预测模型的对比,发现本文所提模型在复合循...     

考虑路径相关性的非比例循环塑性本构模型

根据非比例加载下金属材料响应的延迟特性及加载路径相关性,选取沿应力迹法向的塑性应变的累积量作为非比例加载影响的度量,相应给出反映非比例附加强化的变量,并假设其模量和强化率与加载路径的几何参数相关．为反映由于非比例加载而引起的材料强化的异向效应,在Valanis的塑性内时响应方程中引入与加载路径几何性质有关的应力项,构成非比例循环塑性本构关系．对316和304不锈钢材料在一些典型非比例循环加载路径下的应力响应进行了理论预测,与Benallal等及McDowell的实验结果取得了良好的一致．