废旧机床主轴剩余寿命评估模型

如何准确评估废旧主轴的剩余寿命是其可再制造性评估的关键.基于此,针对废旧主轴的疲劳断裂失效现状,综合考虑裂纹闭合效应,加入裂纹拓展有效因子,提出一种基于非线性连续疲劳损伤模型的主轴剩余寿命评估模型.为提高主轴S-N曲线的拟合精度,疲劳试件是通过原废旧主轴的轴身经线切割加工而成,将主轴谐响应分析获得的六级最大应力,作为拉压疲劳试验的循环应力,从而获得接近实际主轴的S-N曲线.对于主轴剩余寿命评估模型参数求解问题,把试验得到的数据和参数通过非线性拟合中的最小二乘法,构建关于应力和寿命的S-N曲线,采用Python的方法来求解该模型中的参数使主轴的剩余寿命评估模型更具有准确性,来保证预测评估主轴剩余寿命结果的准确性.以某机床集团的CAK5085型数控车床的主轴为例,对其进行剩余寿命评估.通过试验的数据和模型的计算结果进行对比,验证修正后模型的准确性、可行性.     

再制造毛坯和产品疲劳寿命评估技术研究

疲劳失效是在长期循环应力作用下,材料表面或内部产生永久性累积损伤的过程。再制造是废旧机电产品高技术修复改造的产业化,是我国实现节能减排,建设两型社会指导方针的有效举措。采用科学的方法对再制造毛坯或产品进行疲劳寿命评估是再制造产业化发展面临的重要技术难题。由此,综述疲劳寿命评估技术的研究现状,介绍应用于再制造毛坯和产品的疲劳寿命评估方法,探讨进一步研究的思路和存在的主要问题。     

再制造毛坯和产品疲劳寿命评估技术研究

疲劳失效是在长期循环应力作用下,材料表面或内部产生永久性累积损伤的过程。再制造是废旧机电产品高技术修复改造的产业化,是我国实现节能减排,建设两型社会指导方针的有效举措。采用科学的方法对再制造毛坯或产品进行疲劳寿命评估是再制造产业化发展面临的重要技术难题。由此,综述疲劳寿命评估技术的研究现状,介绍应用于再制造毛坯和产品的疲劳寿命评估方法,探讨进一步研究的思路和存在的主要问题。     

拉—拉变幅载荷下45钢缺口件疲劳寿命分布的预测及其验证

根据预测模型。采用旋转弯曲得到的带存活率的疲劳寿命表达式和Miner法则,对给定多级拉-拉变幅载荷谱下的正火45钢缺口件变幅载荷下疲劳寿命下疲劳寿命和累积疲劳损伤临界值的分布进行预测,并通过拉-拉变幅载荷疲劳试验进行了验证,结果表明：45钢缺口件在多级拉-拉变幅载荷下的疲劳寿命和累积疲劳损伤临界值的预测值与试验值均近似服从对数正态分布,且两者符合很好。因此,此预测模型可应用于恒、变幅疲劳加载方式不同的疲劳试验结果预测。     

重型机床基础件疲劳损伤评估模型

为确定基础件可再制造性,需要对基础件进行疲劳损伤评估。采用应力-疲劳损伤模型和线性疲劳累积损伤理论,计算基础件高周疲劳损伤。使用材料HT300进行疲劳加载实验,得到描述材料疲劳寿命特性的S-N曲线,对采用经验公式计算的切削力进行基于概率分布的循环次数统计计算。以ANSYS为分析工具,建立重型机床简化模型,导入切削力循环次数分布数据和材料疲劳力学性能参数,建立基于安全系数和可用寿命的疲劳损伤评估模型,对基础件疲劳损伤进行定量分析。     

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。     

再制造毛坯疲劳损伤临界阈值及可再制造性判断研究

确定疲劳损伤临界阈值以及建立超高周疲劳阶段基于损伤的可再制造性判断模型,为判断毛坯件能否进行再制造提供理论依据,保证再制造工程的顺利进行。但是目前关于基于损伤的可再制造性判断研究还没有广泛的开展,相关的定义与模型也没有提出。以离心压缩机叶片材料FV520B-I为研究对象,根据传统可制造性理论提出了损伤临界阈值的定义并建立普遍适用的损伤临界阈值模型。进一步基于疲劳试验数据、经典的疲劳理论以及疲劳竞争分析,建立针对FV520B-I的考虑表面损伤和内部损伤两种情况的超高周剩余疲劳寿命预测模型。结合损伤临界阈值模型,建立了基于损伤的可再制造性判断模型,并通过试验进行了验证。基于损伤的可再制造性研究是一项理论上有难度,实际应用有价值的工作,能够有效提高可再制造工程的效率,避免不必要的再制造。     

42CrMo钢传动轴再制造后寿命预测技术研究

采用升降法获得的再制造寿命修正系数,对临界平面法多轴疲劳模型改造,建立一种针对再制造后多轴的寿命预测模型,尝试研究了带3Cr13电弧喷涂层基体材料为45CrMo的传动轴在比例加载下定量全寿命,利用ANSYS对传动轴进行几何建模和弹塑性分析来确定多轴临界平面疲劳损伤参量,并通过疲劳试验对计算结果进行了对比验证.     

考虑分级加载的连续非线性Chaboche-Paris全寿命模型

结构疲劳全寿命可分为裂纹萌生和裂纹扩展两个阶段,裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命的预测通常分开进行,很少有理论能将两者合二为一。结合CHABOCHE提出的非线性损伤理论,对Paris公式进行修正,将其扩展至全寿命阶段;建立损伤累积与裂纹长度关系模型,分析分级加载对损伤累积的影响。计算结果表明,提出的Chaboche-Paris全寿命模型对无初始裂纹结构的寿命预测结果与其S-N疲劳试验数据结果一致,对具有宏观可见裂纹结构的寿命预测结果与Paris公式计算结果一致,验证提出的全寿命模型在全寿命预测和裂纹扩展寿命预测两个阶段的可用性和正确性;分级加载时,Chaboche-Paris模型可以体现出加载顺序对疲劳损伤累积的影响,当外载为低-高加载时,循环比之和大于1,当外载为高-低加载时,循环比之和小于1,与试验结果吻合。     

疲劳损伤状态的模糊等效性试验研究

针对复杂载荷下以等效损伤假设为基础的材料疲劳寿命的估算误差较大的问题,基于模糊理论并结合耦合损伤概念提出模糊等效损伤假设,考虑加载顺序对疲劳损伤累积的影响来回避等效损伤假设。利用45钢材料进行了L-H和H-L加载顺序两级应力下的疲劳损伤累积规律验证,并选取16Mn材料的疲劳试验数据验证基于Miner线性损伤法则和本假设对材料疲劳寿命预测的准确性。结果表明,根据本假设计算的损伤量在两种加载顺序下均与试验值吻合良好,疲劳寿命估算结果比较接近于试验值,该假设以模糊理论为依据,为疲劳分析和寿命预测提供了一定的理论参考。     

高温比例与非比例加载下多轴疲劳寿命预测

针对拉扭多轴疲劳加载情况,分析最大剪切平面上的应变特性。利用临界损伤平面原理确定不同加载参数下的临界损伤平面,在此基础上提出一种基于单轴疲劳材料常数和高温蠕变特性的高温多轴疲劳寿命预测模型。利用高温合金材料GH4169薄壁管疲劳试样在控制应变拉扭循环加载下的试验数据,对所提出的寿命模型进行验证。结果表明,在高温低周拉扭循环加载下,所提出的高温疲劳寿命预测模型可以较好地预测高温疲劳寿命。     

一种基于参数影响的数据驱动下的疲劳寿命预测方法

金属构件的主要失效方式是在循环载荷作用下的疲劳破坏,因此金属构件的疲劳寿命预测对于保证结构安全性和可靠性十分必要。能量法是一种既能用于低周疲劳寿命预测,也能用于高周疲劳寿命预测的方法,其以寻找有效的显式能量损伤参量为手段,结合适当的损伤积累方式进行寿命评估。针对材料疲劳寿命预测问题,提出一个基于能量法和人工神经网络算法的疲劳寿命预测方法。为了达到反映不同加载路径影响的目的,从转动惯量的角度引入两个路径相关参量。使用基于应变控制的九种材料的疲劳试验数据对提出的神经网络模型进行训练、测试。结果显示模型对训练数据和测试数据均有良好的预测精度,并可对单轴加载、多轴加载、高周疲劳和低周疲劳寿命进行有效预测,表明本模型在多轴疲劳寿命预测方面具有较广泛的适用性。     

多级加载下疲劳寿命的分岔现象探讨

在多级加载疲劳试验中 ,加载历史对疲劳寿命的影响很大 ,特别是当低 -高顺序加载时 ,损伤演变速度减缓 ,剩余寿命远较损伤力学方法估算的大 ,有时甚至出现受损试样的剩余寿命远大于原始材料的情况。本文运用非线性动力学观点 ,根据二级加载的非线性疲劳寿命公式 ,用计算机做模拟试验 ,发现会出现分岔现象。结合疲劳损伤中“锻炼”效应的微观机理 ,认为材料疲劳损伤演化过程中非线性特征是产生这种现象的原因。通过大量试验和实践经验而得到的现有的疲劳损伤公式 ,可以较好地反映客观实际情况。研究它们之间各个参变量与疲劳损伤的关系 ,能够发现材料在疲劳损伤过程的分岔和混沌现象。     

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。     

Nonlinear cumulative damage model for multiaxial fatigue

On the basis of the continuum fatigue damage theory, a nonlinear uniaxial fatigue cumulative damage model is first proposed. In order to describe multiaxial fatigue damage characteristics, a nonlinear multiaxial fatigue cumulative damage model is developed based on the critical plane approach. The proposed model can consider the multiaxial fatigue limit, mean hydrostatic pressure and the unseparated characteristic for the damage variables and loading parameters. The recurrence formula of fatigue damage model was derived under multilevel loading, which is used to predict multiaxial fatigue life. The results showed that the proposed nonlinear multiaxial fatigue cumulative damage model is better than Miner’s rule.     

基于二元疲劳失效判据的非线性疲劳损伤累积模型及其强度退化研究

二元疲劳失效判据认为疲劳破坏是由损伤程度和当前作用应力这两个量共同决定的,由此观点出发定义了非线性损伤,并建立了与载荷状态有关的非线性损伤累积模型,推导了在多级加载下的递推公式。经两种金属材料的疲劳试验数据验证表明,用该模型预测疲劳寿命,其结果是令人满意的。从疲劳过程本质上是材料静强度不断退化的过程的观点出发,建立了基于二元疲劳失效判据的非线性强度退化模型,将模型应用于两级及多级载荷下的剩余寿命估算,结果表明,所提出的剩余强度退化模型是合理可行的。

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变幅载荷下填充型天然橡胶疲劳试验与预测方法研究

以填充天然橡胶哑铃型圆柱试件为研究对象,进行不同应变比R与变幅载荷下的单轴疲劳试验,并分析变幅载荷对疲劳寿命的影响。以应变幅值为损伤参量,建立基于应变比R=0的等效应变幅值统一疲劳寿命预测模型,利用该模型预测所有应变比工况下的疲劳寿命,其预测值与实测寿命的偏差在2倍分散因子以内;对不同应变比R、载荷水平、加载顺序与停顿时间等变幅载荷下的疲劳寿命进行单轴疲劳试验,基于Miner线性损伤法则预测变幅载荷下的疲劳寿命,和实测寿命相比其偏差都落在2倍分散因子以内;对哑铃型试件进行随机载荷疲劳试验,通过雨流统计和不同应变比R下的统一疲劳寿命预测模型计算其总寿命,预测结果和实测结果最大误差在34%以内。验证了Miner线性损伤法则在填充型天然橡胶疲劳寿命预测中的普适性,所建立的不同应变比R下的等效应变幅值统一疲劳寿命预测模型可用于橡胶隔振器的前期耐久评估。     

基于非线性累积损伤的随机振动疲劳寿命分析

预测承受随机载荷结构件的疲劳寿命是一个复杂的问题,应用Miner线性损伤准则经常会得出偏于冒险的寿命预测。非线性累积损伤理论考虑了加载顺序对疲劳寿命的影响,精度更高,但计算繁琐,且未能用于频域寿命计算。文中给出了一种基于非线性累积损伤的随机振动疲劳寿命分析方法,该方法将频域疲劳寿命的预估结果平分为若干段,考虑顺序效应对每一段结果进行修正并叠加,得到修正的振动疲劳寿命结果,通过简单试验件试验验证了该方法的准确性,对于某加筋板结构在动力学准确建模、多轴应力等效的基础上进行寿命估算,结果证明了方法的有效性和工程可用性。     

电子产品动态损伤最优估计与寿命预测

针对电子产品寿命预测中存在的不确定性因素影响,提出一种基于粒子滤波的电子产品动态损伤最优估计和寿命预测方法.首先建立了电子产品动态损伤HMM模型;分析了电子产品动态损伤和寿命预测中的不确定性因素;通过贝叶斯滤波模型,将寿命预测的不确定性问题转化为最优估计问题;利用粒子滤波算法求解出电子产品动态损伤的最优估计值,从而进行寿命预测;实验证明,该方法可有效消除系统和测量因素的干扰,明显提高电子产品剩余寿命预测的精度.     

低周循环应力-应变关系和损伤

引入硬化状态变量表征微结构变化对材料循环变形行为的影响，提出应变控制下材料的循环应力一应变关系，由此导出的疲劳损伤演变方程与材料的损伤和硬化状态有关，考虑加载历史的影响。其结果可以为分析多级疲劳加载时，损伤演变过程和剩余寿命估算提供新的思路。