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。     

一种预估拉-扭加载下疲劳寿命的新方法

以损伤力学理论建立的非线性疲劳损伤模型在多轴疲劳寿命预估中取得了广泛的应用,但该方法并未考虑损伤面的物理意义,将其与临界面法结合能够很好地解决这个问题。以拉扭薄壁圆管疲劳试样作为研究对象,临界面法的相关理论为基础,应用von Mises准则提出一种能够适用于比例和非比例加载的多轴疲劳损伤参量,并考虑相位差对附加强化的影响。新的损伤参量,在考虑临界面上最大剪应变和法向应变的基础上,同时考虑了相位差对多轴疲劳寿命的影响。经3种材料的多轴疲劳试验验证,该模型能很好地预估拉-扭加载条件下的疲劳寿命。方法仅考虑材料的单轴疲劳数据和一些材料常数,便于工程应用。     

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。     

考虑应力梯度效应的多轴疲劳寿命预估方法研究

针对局部应力应变法在多轴缺口件疲劳寿命研究中未考虑应力梯度的问题,提出了考虑等效应变、非比例附加强化和应力梯度效应的多轴疲劳损伤参量.考虑剪应力和正应力梯度效应对材料疲劳损伤的影响,引入综合反映剪应力和正应力共同作用的等效应力梯度因子;基于Von Mises等效应变准则,结合Man-son-Coffin方程,建立了一种...     

一种新的多轴疲劳寿命预测方法

已有的试验结果表明,非比例加载过程中主应变轴在循环变形中连续旋转,导致多滑移系开动,阻碍了材料内部形成稳定的位错结构,从而产生非比例循环附加强化现象,导致疲劳寿命降低。由此,以薄壁圆管拉扭疲劳试件为研究对象,在分析临界面上的应变变化特性的基础上,基于多轴疲劳临界损伤面原理,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多轴疲劳损伤参量,并进行了平均应力修正。新的损伤参量,在考虑了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不同的同时,还考虑了非比例加载下产生的附加强化对材料多轴疲劳寿命的影响。该参量不含有材料常数,便于工程应用。经正火45钢,S460N 钢,1045HR钢,高温Haynes 188合金,高温GH4169合金五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。     

基于临界面理论的多轴等效应变疲劳寿命预估模型

针对等效应变模型未考虑非比例附加强化影响这一不足,将最大剪切应变幅所在平面定义为临界面,引入剪切平面上的最大正应力、正应变变程以及相位差作为损伤参量来反映非比例加载条件下的附加强化效应,该损伤参量还考虑了临界面上的最大正应力和正应变变程对材料裂纹萌生和扩展的影响。采用16MnR、GH4169、S460N、45钢和Pure Ti五种薄壁圆管试件来验证模型的正确性和有效性,并与三种经典模型进行对比分析,结果表明,新模型的预估能力要优于其他三种模型,且寿命预测结果较为精确。     

应变能—内应力干涉模型的多轴高周疲劳研究

塑性应变能使材料微观组织结构发生不可逆变化而引起等效宏观应力,该应力随循环加载而增大。假定该应力的一种分布函数,将疲劳极限以上加载等效为塑性应变,建立了塑性应变与加载应力成线性关系的表达式,由此得到循环加载的塑性应变能。导出其最大应力与外加应力叠加达到材料本征断裂应力时的裂纹成核寿命,并由微裂纹引起上述两部分应力变化,得到继续加载直至宏观裂纹出现的疲劳寿命。所建立的多轴疲劳寿命公式由三个材料参数表达,并通过单轴疲劳试验数据确定。初步研究表明,该模型对所引用的多轴疲劳试验数据有很好的预测能力。     

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.     

不锈钢多轴非比例加载低周疲劳的研究

对３１６Ｌ不锈钢进行了单轴及多轴非比例加载低周疲劳试验及其微结构的观察,分析了非比例循环附加强化及低周疲劳寿命对应变路径依赖性的微观机理,基于微观机理的研究结果,以位错结构特征参量的统计平均值给出了加载路径的非比例度定义,建立了新的多轴非比例加载低周疲劳寿命估算公式。     

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。     

高温拉扭比例与非比例加载下循环特性研究

针对拉扭薄壁管疲劳试样,在控制应变拉扭循环加载下对高温合金材料GH4169的循环特性进行试验研究.分别测试和研究比例与非比例拉扭加载下拉与扭的应力响应值随循环数的变化关系.研究结果表明,低周拉扭疲劳加载下,拉与扭应力响应的硬化与软化特性取决于应变加载路径和加载参数.     

比例与非比例加载下多轴疲劳断口分析

利用扫描电镜对多轴比例和非比例加载下的薄壁管多轴疲劳试样的断口表面进行扫描观测分析。根据试件不同加载路径下的疲劳断口观测结果,研究多轴疲劳裂纹萌生及扩展机理。结果分析表明,比例加载下疲劳断口形式与单轴情况相似,具有Ⅰ型疲劳条纹特征。非比例加载下断口形式主要表现为Ⅰ型与Ⅱ型混合型断口特征。结合多轴非比例加载下的宏观力学条件,在微观机理方面探讨多轴非比例循环下的附加强化机制。     

复杂循环载荷条件下金属的应力、应变规律

在各向同性循环强化模型基础上 ,通过屈服面及极限面形状、方向及面积的变化 ,分析了拉 -扭非比例循环载荷下金属的双表面各向异性强化模型 [1 ] ,并用BT9钛合金 [3 ] 及 30 4不锈钢 [3～ 5] 的试验结果检验了该模型的可行性。采用了塑性应变历程非比例参数来描述非比例载荷下材料的循环强化程度。研究了材料的横向强化及附加强化效应。结果表明 :本模型能很好地描述非比例载荷下金属的一系列主要应力、应变规律     

Multiaxial stress-strain modeling and effect of additional hardening due to nonproportional loading

Most engineering components are subjected to multiaxial rather than uniaxial cyclic loading, which causes multiaxial fatigue. The pre-requisite to predict the fatigue life of such components is to determine the multiaxial stressstrain relationship. In this paper the multiaxial cyclic stress-strain model under proportional loading is derived using the modified power law stress-strain relationship. The equivalent strain amplitude consisted of the normal strain excursion and maximum shear strain amplitude is used in the proportional model to include the additional hardening effect due to nonproportional loading. Therefore a new multiaxial cyclic stress-strain relationship is devised for out of phase nonproportional loading. The model is applied to the nonproportional loading case and the results are compared with the other researchers’ experimental data published in the literature, which are in a reasonable agreement with the experimental data. The relationship presented here is convenient for the engineering applications.     

Evaluation of cyclic plasticity models of multi-surface and non-linear hardening by an energy-based fatigue criterion

This study examines the performance of four constitutive models according to capacity in predicting metal fatigue life under proportional and non-proportional loading conditions. These cyclic plasticity models are the multi-surface models of Mroz and Garud, and the non-linear kinematic hardening models of Armstrong-Frederick and Chaboche. The range of abilities of these models is studied in detail. Furthermore, the plastic strain energy under multiaxial fatigue condition is calculated in the cyclic plasticity models by the stress-strain hysteresis loops. Using the results of these models, the fatigue lives that have set in the energy-based fatigue model are predicted and evaluated with the reported experimental data of 1% Cr-Mo-V steel in the literature. Consequently, the optimum model in the loading condition for this metal is chosen based on life factor.     

多轴变幅载荷下基于载荷支配模式的缺口件疲劳寿命预测方法

提出一种多轴变幅载荷下基于载荷支配模式的缺口件疲劳寿命预测方法。首先,通过循环计数方法确定多轴变幅载荷历程的计数循环(反复);其次,通过材料的循环应力应变关系和Neuber法推导出虚拟等效应变与真实等效应力之间的关系,并且分别将拉伸型和剪切型Shang-Wang多轴疲劳损伤参数替换虚拟等效应变幅来求解临界面上的真实等效应力幅;然后,通过真实等效应力幅和Neuber法则计算临界面上真实的拉压和剪切等效应变幅,并运用Manson-Coffin方程分别计算缺口部件的拉压和剪切疲劳寿命;最后,选择拉压和剪切疲劳损伤值中的较大值作为每个计数反复的疲劳损伤,并采用Miner法则进行疲劳损伤累积。缺口件多轴疲劳试验结果表明,采用基于载荷支配模式的缺口件疲劳寿命预测方法具有较高的预测准确度。