一种随机多轴疲劳的寿命预测方法

叙述一种多轴随机载荷的疲劳寿命预测方法，该方法首先由多轴随机载荷的权值平均最大剪应变平面确定临界平面，然后以临界平面上剪应变和正应变历史为研究对象，进行多轴载荷压缩处理和多轴循环计数，得到剪应变和正应变的循环计数结果，最后给出多轴疲劳寿命估算模型，并用多轴程序载荷实验验证。     

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.     

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。     

橡胶多轴疲劳研究进展

综述近年来国内外橡胶多轴疲劳研究的进展和现状,评述各种多轴疲劳寿命估算方法。等效应变法不能反映多轴载荷的作用,应变能密度法对于多轴疲劳预测结果较差,等效应力法不能真实反应材料在破坏面上的损伤累积及扩展,而开裂应变能密度及临界面法是较为有效的方法。     

预测疲劳裂纹扩展的多种理论模型研究

大多数工程断裂是因疲劳而引起的,所以金属材料的低周疲劳和裂纹扩展速率性能一直受到安全设计部门的关注。长久以来,国内外学者在建立金属材料低周疲劳行为和裂纹扩展速率性能之间的关系方面进行了多材料和多角度的研究。基于平面应力裂纹尖端小范围屈服应力应变场和疲劳裂纹扩展失效准则,提出用于I型疲劳裂纹扩展速率的预测模型。针对国内外相关工作的研究,基于平面应力裂纹尖端小范围屈服应力应变场和疲劳裂纹尖端循环塑性区内的应变能失效准则,提出一个可用于I型疲劳裂纹扩展速率的预测模型。借助已发表的15种金属材料对应的低周疲劳和裂纹扩展速率性能数据,详细分析和比较所提出的预测模型与其他6种预测模型的预测规律和结果。研究表明,所提出的预测模型能够预测更广泛的金属材料疲劳裂纹扩展速率,并且较其他6中预测模型更符合安全设计的理念。     

体心立方近β钛合金循环形变中的平面滑移行为

对单相体心立方近β钛合金在不同加载应力以及循环周次下进行压缩疲劳试验,对循环过程中的范性应变机制进行分析,通过研究滑移模式、显微组织演化等对早期微裂纹萌生的影响以及观察疲劳前后位错组态的演化,分析了循环形变特征与表面滑移模式之间的内在联系。结果表明:单相近β钛合金经纯压缩循环形变后出现出典型的平面滑移特征以及表面应力集中现象,循环形变后的位错湮灭、退孪晶和孪晶界结构简化造成的局部应力改变是导致应力集中滑移带出现以及平面滑移机制的重要因素。     

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。     

基于临界距离-临界平面方法预测DZ125缺口低循环疲劳寿命

考虑到镍基定向凝固合金滑移相关的塑性流动和裂纹萌生机制,视其面心立方晶体结构中可能开动的滑移系为临界平面并以最大分切应变范围(∆γmax)为损伤参数,分别采用热点法和临界距离理论(Theory of critical distance,TCD)对DZ125的低循环疲劳寿命进行分析和预测。研究结果表明,基于热点法的临界平面法其寿命预测偏保守,且应力集中程度越大其保守程度越明显;运用TCD时发现,缺口试件的临界距离不仅同材料、失效寿命以及应力比有关,同应力集中程度亦相关。如果以尖锐缺口试件为校准试样或采用平均思想处理临界距离,其寿命分散带均大于10倍。而假定临界距离同应力集中程度相关时获得的寿命预测分散带缩小为2倍。     

空心轴与实心轴过盈配合结构微动磨损与疲劳的仿真分析

为了分析空心轴与实心轴过盈配合结构微动磨损与疲劳行为的差异,建立了两种过盈配合结构的微动磨损-微动疲劳联合仿真模型。该联合仿真模型基于Archard磨损方程和有限元软件ABAQUS的自适应网格技术实现了循环微动磨损的仿真,基于线性累积损伤理论和修正的SWT临界平面法实现了微动疲劳寿命预测。分析结果表明：空心轴的微动磨损比实心轴严重,微动磨损显著降低了过盈配合边缘附近的应力集中,同时在配合内部引起了新的应力集中,并导致微动裂纹萌生位置出现在配合内部。受到微动磨损的影响,空心轴的微动疲劳寿命仅约为实心轴的40%,但两种结构的微动裂纹萌生位置几乎一致。     

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。     

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。     

热机疲劳加载后316L拉伸性能与剩余疲劳寿命预测方法

研究热机疲劳载荷下不同疲劳周次和应变幅值对316L后续拉伸性能的影响，使用金相显微镜和扫描电子显微镜对断口以及断口附近表面形貌进行分析，并使用透射电镜观察不同疲劳周次下的位错结构，最后基于拉伸性能提出剩余疲劳寿命预测方法。结果表明，热机疲劳周次和应变幅值对拉伸性能的影响趋势明显不同，热机疲劳周次对拉伸性能的影响显著大于应变幅值的影响。热机疲劳周次和应变幅值的增加导致试样表面出现明显的宏观裂纹，材料韧性下降，在热机疲劳周次达到50%N_f之后，试样的断裂模式由单纯的韧性断裂转变为混合断裂，热机疲劳过程中的位错结构演化是导致材料强度增加的主要原因。基于均匀延伸率、延伸率、均匀拉伸塑性应变能以及拉伸塑性应变能对剩余疲劳寿命进行预测，其中基于均匀拉伸塑性应变能的预测结果最为准确。     

一种新的随机多轴疲劳寿命预测方法

提出一种多轴随机载荷下的疲劳寿命预测方法。该法首先基于von Mises等效应变和等效应力概念、符号修正公式以及传统的单轴雨流计数法,提出一种多轴随机载荷下的循环计数方法。此法主要针对多轴随机载荷下vonMises等效应变和等效应力历程中的符号丢失问题,建议采用一种符号公式来加以修正,以便于结合单轴雨流计数法对修正后的von Mises等效应变历程进行较为精准地循环计数,从而不仅有利后续疲劳损伤的正确估算,还可使单轴循环计数法能有效地应用于多轴载荷—时间历程。然后分析von Mises等效应变循环内的应变状态,并定义该循环内的临界平面和构造损伤参量的基本参数。最后,将提出的计数方法结合几种常见的临界面多轴疲劳损伤模型以及线性损伤定律,对随机拉—扭加载下的En15R钢薄壁管疲劳试件进行寿命预测验证,预测结果与试验结果吻合较好。     

多轴疲劳寿命工程预测方法

介绍了一种预测受多轴交变载荷工程构件的低周疲劳寿命的方法。该方法以实例的应变计响应作为输入,通过一个循环塑性模型计算测量点的弹塑性应力应变分量,然后用多种多轴临界面疲劳损伤模型计算寿命。所发展的程序可处理一般的自由表面疲劳问题,它的应用通过分析一个典型的汽车零部件得到说明。     

基于临界面法的1CrMoV转子钢多轴疲劳寿命预测方法研究

综述近年来国内外多轴低周疲劳研究的现状,主要评述各种基于临界面法的多轴低周疲劳寿命估算方法。基于1CrMoV高中压转子钢的拉扭比例和非比例应变控制疲劳试验,运用弹塑性有限元法对该加载条件下的试件进行分析和计算,结合试验和有限元的分析结果,检验几种临界面模型对1CrMoV钢在复杂载荷下的低周多轴疲劳寿命预测精度。结果表明基于应变准则的Li Jing(LZH)方法和Li(LRF)方法以及基于能量准则的Varvani-Farahani(VF)和Lee(LKN)方法存在较高的精度,其中VF和LZH模型不含有经验常数,便于工程应用。     

BGA结构无铅微焊点的低周疲劳行为研究

基于塑性应变能密度概念提出微焊点低周疲劳裂纹萌生、扩展和寿命预测模型,阐明其与连续介质损伤力学的联系,评估应力三轴度对预测模型的影响,并通过试验和数值计算相结合的方法确定出微米尺度球栅阵列(Ball grid array,BGA)结构单颗Sn3.0Ag0.5Cu无铅焊点(高度为500～100 μm,焊盘直径为480 μm)疲劳裂纹萌生和扩展模型中的相关常数。研究结果表明,疲劳裂纹萌生和扩展循环数与每个循环所产生的塑性应变能密度均呈幂函数关系;应力三轴度会影响疲劳裂纹扩展速率,并最终影响焊点的疲劳寿命;应力三轴度与加载方式有关,拉伸载荷下焊点的应力应变行为受异种材料界面和封装结构力学约束作用的影响,应力三轴度随焊点高度降低而明显升高;而剪切载荷作用下焊点中的力学约束十分有限,焊点高度变化对应力三轴度的影响非常小;测得的高度为100 μm焊点的疲劳裂纹扩展相关常数可以很好地用于预测其他不同高度焊点的疲劳寿命,表明所提出的预测模型可以有效地减小由几何结构和体积变化造成的塑性应变能集中现象对焊点疲劳寿命的影响。     

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。     

对2024铝合金疲劳裂纹扩展寿命进行预测

通过二维弹塑性有限元计算得到Ⅰ型静态裂纹在常幅疲劳载荷下裂纹尖端塑性应变能,进而获得裂纹尖端塑性应变能和应力强度因子幅值的非线性关系;根据能量平衡概念,建立了裂纹扩展速率与裂纹尖端塑性应变能的关系。由此得到一种基于裂纹尖端塑性应变能的疲劳裂纹扩展寿命预测模型,利用该模型预测了中心裂纹平板的疲劳裂纹扩展寿命,预测结果与试验值吻合得很好。     

一种基于临界平面的多轴载荷循环计数方法

使用临界平面法计算多轴随机载荷作用下的结构寿命时,对平行于临界平面且相互垂直的剪应变历程应当选择合适的循环计数方法。针对该问题,对基于Wang-Brown方法的MWB方法进行了讨论和优化,并提出了一种基于临界面的多轴载荷循环计数方法,以材料变形的记忆性为物理基础划分计数区间,剪应变为主计数参量,正应变为辅助计数参量,逐步将计数区间分解为子计数区间和独立计数区间直至提取出所有载荷循环。对新方法、Wang-Brown方法和MWB方法的计数结果进行对比后认为新方法能够准确的提取多轴载荷历程中的损伤事件,然后将新方法应用于推耙机工作装置疲劳寿命预测中,获得的预测寿命与实际寿命相符。     

多轴随机载荷下断裂平面的确定方法

在分析材料平面切应变特性的基础上,提出权值平均最大切应变平面的概念,给出多轴随机载荷下断裂平面的确定方法。该方法中,以材料损伤为权值函数,平均最大切应变峰值点对应的平面方向。通过多轴比例、非比例加载试验验证权值平均最大切应变平面与疲劳裂纹萌生平面的相关性。