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.     

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.      

基于结构应力的焊接接头多轴高周疲劳寿命估算

该文对承受弯扭组合载荷下的焊接接头危险点焊趾处进行了疲劳应力分析.结合结构应力考察了在比例载荷和非比例载荷下焊趾处临界面上的应力分量;建立了基于结构应力和修改的Whler曲线法的临界面上多轴疲劳寿命估算方法;采用该方法对某管板焊接接头进行了多轴估算,将评定结果与文献中的疲劳试验数据做了比较,同包括欧洲钢结构规范3在内的其他的多轴疲劳评定方法相比,文中提出的多轴寿命估算结果最好,而且该方法具有网格划分不敏感性.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

基于临界平面法的拉扭双轴疲劳寿命估算模型

基于临界平面法,分析了WB模型的缺陷.研究发现:WB模型中的法向应变变程不能很好地反映材料非比例循环加载下的附加强化现象,且模型中的经验常数是一个与寿命相关的参数,该参数不能简单的利用拉伸和扭转疲劳极限来确定.为克服WB模型的缺陷,提出了一个新的有效循环变量,引入了一个新的应力相关因子,建立了新的寿命估算模型.新的有效循环变量不含经验常数,应力相关因子能够反映材料非比例循环加载下的附加强化现象,所建模型能够精确估算材料的多轴疲劳寿命,便于工程应用.     

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.     

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.      

缺口件疲劳寿命分布预测的有效应力法

论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.     

推导材料不同$K_t $中值疲劳曲线的损伤力学方法

从损伤力学出发,得到材料的中值疲劳曲线表达式．通过分析,得到了影响材料S-N曲线的材质参数及其相互关系．通过升降法和成组法试验,获得K_t=1．0时对应材料的中值疲劳曲线,即材质参数．在此基础上,只需通过升降法得到任意应力集中系数K_t下的疲劳极限,即可得到该应力集中下对应的中值疲劳曲线．     

A DAMAGE MECHANICS MODEL FOR FATIGUE LIFE PREDICTION OF FIBER REINFORCED POLYMER COMPOSITE LAMINA

A damage mechanics fatigue life prediction model for the fiber reinforced polymer lamina is established. The stiffness matrix of the lamina is derived by elastic constants of fiber and matrix. Two independent damage degrees of fiber and matrix are introduced to establish constitutive relations with damage. The damage driving forces and damage evolution equations for fiber and matrix are derived respectively. Fatigue tests on 0°and 90°unidirectional laminates are conducted respectively to identify parameters in damage evolution equations of fiber and matrix. The failure criterion of the lamina is presented. Finally, the life prediction model for lamina is proposed.