金属多轴疲劳行为与寿命预测研究进展

多轴疲劳损伤行为和寿命预测研究关系着复杂加载条件下金属结构件的服役安全,一直受到科学和工程领域的重视.总结多轴低周和高周疲劳试验性能测试一般过程和疲劳行为研究,重点论述多轴非比例加载对低周疲劳和高周疲劳行为的影响,受加载路径,加载载荷和材料类型的影响,非比例加载对材料低周疲劳循环硬化行为和疲劳寿命的影响有差异,对低周疲劳和高周疲劳表现的疲劳行为的影响也有差别,作用机理不尽一致.单轴本构关系通过引入非比例度因子、修正循环强度系数或将多轴加载时的应变等效为单轴应变等方式可推广到多轴疲劳领域.基于应力、应变、能量、临界面和临界面应变能密度法的多轴疲劳寿命预测模型在文中做了综述,疲劳损伤参量中包含能量项的一些多轴疲劳寿命预测方法常被用于多轴低周和高周疲劳寿命预测.缺口件多轴疲劳寿命可采用多轴损伤参量结合局部应力应变法、应力梯度法、应力场强法及临界距离法等进行预测.     

椭圆方程式的多轴疲劳寿命预测模型

建立一种椭圆方程式的多轴常幅疲劳寿命预测模型,该模型采用临界平面概念,以临界平面上的最大切应变幅和法向应变程作为基本参数,并引入最大等效应力来考虑非比例循环附加硬化的影响。对该模型的理论分析表明,在单轴拉伸及单轴扭转应力状态下该模型能退化为常规的疲劳应变寿命模型,具有很好的兼容性。采用现有的304不锈钢和S45C钢材料的多轴疲劳试验数据对该模型及其他几种经典的多轴疲劳寿命模型进行寿命预测分散带及标准差的对比,结果显示该疲劳寿命预测模型的寿命分散带和标准差最小。分析表明,所建立的疲劳寿命预测模型可同时适用于多轴比例与非比例循环加载,且具有较小的寿命分散带和标准差,预测精度高,材料适用范围较广,计算方便可行。     

非比例载荷下304不锈钢低周疲劳寿命预测

在拉扭疲劳试验机上完成了一系列非比例加载下对304不锈钢的低周疲劳试验,对目前常用的几种多轴疲劳寿命预测模型进行了分析比较。结果表明,以单轴疲劳寿命分析方法为基础的等效应变法,不能预测多轴非比例加载下的低周疲劳寿命,以临界面法为基础的Socie剪切模型对非比例加载下304不锈钢材料的疲劳寿命预测较好。     

基于应变的316L不锈钢低周疲劳寿命预测方法

针对316L不锈钢开展一系列多轴低周疲劳试验,该材料显现出了较为显著的非比例附加强化特性;基于四种应变法模型进行疲劳寿命预测,结果显示:ASME等效应变模型、Itoh模型均无法有效反映非比例附加强化对寿命的影响,前者预测结果偏于危险,后者预测结果趋于保守,而与临界平面法结合的Fatemi-Socie模型、Susmel模型预测结果则较好。为便于应用,针对ASME等效应变模型的不足,对等效应变中的塑性项进行修正,使其可更有效的反映非比例加载路径对寿命的影响,发展一种优于一般修正方法的实用方法,采用包括316L不锈钢在内的六种材料的多轴疲劳试验数据对其进行了验证。     

45钢非线性多轴疲劳累积损伤律研究

对45号中碳钢薄壁圆管试件进行了拉-扭复合双轴加载的多种比例及非比例路径下的常幅疲劳寿命试验以及多种组合两级变路径的多轴累积疲劳试验。应用所得试验数据对现有的常用疲劳损伤累积模型进行验证,基于Manson损伤曲线累积模型添加载荷路径变换因子,提出了一个适用于多轴非比例加载的非线性疲劳损伤累积模型,并对模型进行了验证,数据点基本控制在2倍误差带之内,得到令人满意的预测结果。     

基于最大切应变幅和修正SWT参数的多轴疲劳寿命预测模型

工程中的大多构件承受着复杂的载荷形式,将单轴疲劳模型应用到多轴载荷情况已不能满足工程精度的要求,多轴载荷下的疲劳寿命计算日益引起人们的重视。基于临界平面的思想,结合Fatemi-Socie(FS)模型和Smith-Watson-Topper(SWT)参数各自的优点,提出一种新的多轴疲劳寿命预测模型。该模型以最大切应变幅与最大切应变幅平面上修正SWT参数的和作为多轴疲劳损伤控制参量,此参量可以同时考虑非比例附加循环硬化和平均应力对材料多轴疲劳寿命的影响,能同时适用于比例和非比例加载下的多轴疲劳问题。采用纯钛Ti、BT9钛合金、304不锈钢、S45C钢和1045HR钢5种材料多轴疲劳试验数据对提出的模型进行评估和验证,对几种材料比例和非比例加载下的多轴疲劳寿命预测结果大都分布在试验结果的2倍分散带之内,结果表明提出的多轴疲劳寿命模型具有较高的预测精度。     

基于损伤力学-临界面法预估多轴疲劳寿命

基于损伤力学理论建立的非线性疲劳寿命预估模型在多轴疲劳寿命预估中获得了广泛的应用,但该模型并未考虑损伤面发生的位置及其物理意义,将其与临界面法相结合提出一种新的多轴非线性疲劳寿命预估模型,新模型能够弥补现有的非线性疲劳寿命预估模型未考虑临界面物理意义的不足。新模型从损伤的角度来预估多轴疲劳寿命,不仅考虑了临界面上裂纹形成及扩展的物理意义、相位差对附加强化现象的影响,而且对非对称加载下的平均应变进行修正。新模型仅仅利用单轴疲劳试验数据以及单轴疲劳材料常数就可以预估出试样的多轴疲劳寿命,从而避免了代价高昂的多轴疲劳试验。采用45钢、316不锈钢、钛合金TC4三种材料的多轴疲劳试验数据对提出的模型进行评估和验证,对几种材料比例/非比例以及对称/非对称加载下的多轴疲劳寿命进行预估,预估结果与试验结果的误差都在5%以内,结果表明提出的多轴非线性疲劳寿命预估模型具有较高的预估精度。     

基于A-F类循环塑性理论的多轴局部应力应变法

提出预测缺口构件疲劳寿命的多轴局部应力应变法.采用Armstrong-Frederick (A-F)类循环塑性理论,描述具有非Masing特性的16MnR材料的循环塑性行为.结合A-F类循环塑性模型和增量式Neuber法,分析比例和非比例加载下缺口根部处的多轴应力应变状态.将局部应力应变应用于基于临界面的多轴疲劳损伤模型,对缺口构件进行疲劳损伤分析和疲劳寿命预测.分析结果表明,基于A-F类循环塑性理论的多轴局部应力应变法,能很好地描述缺口根部处的多轴应力应变状态,疲劳寿命的预测结果与试验数据基本吻合.     

考虑载荷相互作用的高低周复合疲劳寿命预测模型

通过研究高周疲劳与低周疲劳的损伤等效关系，在Manson-Halford模型的基础上引入影响因子以反映高周疲劳与低周疲劳载荷之间相互作用的影响，建立了一种修正的高低周复合疲劳寿命预测模型，通过TC11钛合金、LY12-CZ铝合金、45钢和GH4033镍基合金4种材料的试验数据对该修正模型进行验证。结果表明：修正模型对TC11钛合金、LY12-CZ铝合金和GH4033镍基合金疲劳寿命的预测结果均在2倍误差范围内，对45钢疲劳寿命的预测结果有78%左右的数据处于2倍误差范围内；建立的修正模型有较高的预测精度，适用于高低周复合疲劳寿命预测。     

基于塑性应变能的涡轮盘多轴疲劳寿命预测方法

在分析疲劳裂纹产生机理的基础上,将塑性应变能和临界平面结合起来,同时引入剪应变能比例因子,提出一种新的多轴损伤参量,通过试棒单轴低循环疲劳试验应力应变曲线得到总的塑性应变能,进而得到一种新的多轴疲劳寿命预测模型。通过对比分析,得到了最佳剪应变能比例因子。使用该模型、Chen-Xu-Huang(CXH)模型、Liu-Wang(LW)模型对某型发动机涡轮盘销钉孔低循环疲劳寿命进行预测,并与真盘试验结果进行对比。结果表明,该多轴疲劳寿命预测模型预测误差为20.5%,优于CXH和LW模型。