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。     

底盘构件多轴随机载荷下高周疲劳准则研究

为探明汽车底盘构件在随机载荷下多轴高周疲劳准则的应用方法与寿命预测规律,以某品牌B级轿车为研究对象,通过采集试验场强化路轮心六分力信号,建立了整车多体动力学模型,应用虚拟迭代法获取转向节与其他零件连接点的载荷时间历程;建立转向节有限元模型,通过模态仿真与试验验证了有限元模型的准确性;提取了von Mises应力下寿命值最小节点的应力分量时间历程;研究了8种高周疲劳准则所基于的3种类型临界平面的计算方法,通过多轴循环计数提取临界面上正应力幅与剪应力幅,并计算不同准则对应的等效应力幅,总结幅值分布与寿命预测规律。研究结果表明,在幅值分布与寿命预测方面,Zhang-Yao准则的等效剪应力幅值整体偏大,预测寿命为1.09×105周次,较其他准则偏于保守;McDiarmid准则的大应力幅仅占3.4%,预测寿命为1.25×106周次,明显大于其他准则的预测寿命值,而改进的McDiarmid准则预测寿命值明显减小。在计算成本方面,von Mises准则无需提取临界面与多轴循环计数,应用最为便捷;Findley准则提取临界面过程需要计算所有平面的正应力与剪应力数据,故计算成本最高。     

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。     

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。     

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。     

基于顺序法的起重机疲劳寿命预测方法研究及应用

针对起重机一般作业于随机循环载荷下,承受循环交变应力的实际情况,提出了基于顺序法的起重机寿命预测方法,建立了起重机顺序循环应力损伤模型。根据起重机实测应力历程数据,利用雨流计数法统计出应力循环次数,获得不同应力幅对应的循环次数并编制循环载荷谱,再根据编制的载荷谱利用顺序循环应力损伤模型对该起重机进行寿命估算。将估算结果与根据Miner模型、Carten-Dolan模型的估算结果进行对比分析。对比分析表明:所提出的顺序循环应力损伤模型对起重机疲劳寿命预测是可行的,为起重机疲劳寿命预测研究提供了一种新的思路。     

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...     

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。     

基于FE-SAFE的造船门式起重机结构剩余寿命预测方法研究

针对起重机作业于随机循环载荷下,承受循环交变应力,容易产生疲劳损伤,缩短疲劳寿命,研究了基于FESAFE仿真计算的起重机寿命预测方法。根据造船门式起重机实测应力历程数据,利用雨流计数法统计出应力循环次数,获得不同应力幅对应的循环次数并编制循环载荷谱。仿真算法估算结果与Miner模型计算结果进行了对比分析,结果表明所提出的仿真计算方法对大型门式起重机疲劳寿命预测是可行的,可提高计算效率,直观显示计算结果。     

热作模具钢的高温热机械疲劳寿命预测

研究热作模具钢在应力控制下的等温疲劳和同相热机械疲劳寿命，发现在相同的应力幅下，同相（最高温度550℃，最低温度250℃）热机械疲劳寿命低于上限温度的等温（温度550℃）疲劳寿命。这表明在相同的应力幅下，热机械疲劳比等温疲劳产生更严重的损伤，用最高温度下的等温疲劳寿命代替热机械疲劳寿命并不一定得到可靠的结果。在等温疲劳条件下，疲劳裂纹主要为穿晶萌生与扩展，而在热机械疲劳条件下，疲劳裂纹主要沿晶萌生与扩展。文中还以Chaboche高温疲劳损伤模型为基础，考虑损伤系数是最高温度和温度范围的函数来评价载荷控制下材料的热机械疲劳寿命。在热机械疲劳试验中，考虑温度变化产生的附加内应力，因此每一循环的损伤不仅是最大应力和平均应力的函数，而且与最高温度和温度循环范围有关。根据累计损伤的等效温度法，取最大温度为等效温度。热作模具钢在热机械疲劳过程中，由热循环产生的附加损伤通过损伤指数系数表示。结果表明，该预测结果与试验结果十分吻合。     

基于联合概率密度的随机声疲劳寿命估算方法

针对燃烧室火焰筒结构随机声疲劳问题,根据有限带宽高斯白噪声载荷作用下结构振动响应功率谱密度得到雨流循环均值-幅值条件概率的计算式,结合雨流循环幅值概率密度Dirlik经验公式推导出雨流循环均值-幅值联合概率密度函数,克服了在疲劳寿命估算中只考虑幅值、忽略雨流循环均值影响的局限性。根据Miner线性累积损伤理论,运用获得的联合概率密度函数建立声疲劳寿命的估算方法。以某型航空发动机燃烧室火焰筒结构为例,利用耦合的有限元和边界元方法进行振动响应计算分析。基于应力响应结果,运用提出的方法对火焰筒结构进行疲劳寿命估算,并分析不同声压级的声载荷对火焰筒结构疲劳寿命的影响。研究表明,该方法对航空薄壁结构声疲劳寿命分析具有适用性。     

基于弹塑性解析方程的薄片试样低周疲劳试验方法

针对薄片漏斗试样,基于能量密度等效和量纲分析,提出了移幅-载荷幅关系(Relation between displacement-amplitude and load-amplitude, RDL)半解析方程;能量密度等效代表性体积单元(Representative volume element, RVE)的循环等效应力幅、等效应变幅(Cyclic equivalent stress-amplitude and strain-amplitude, CESS)解析方程;漏斗根部材料RVE单轴应变幅(Uniaxial strain-amplitude of material RVE at funnel root, US-R)半解析方程;材料与几何普适的薄片试样低周疲劳试验新方法。针对5种几何尺寸和13种预设材料组合的18种试样工况进行有限元分析,及对G115和16Mn进行薄片试样低周疲劳试验,结果表明,CESS解析方程预测的薄片漏斗试样等效应力幅-应变幅曲线与有限元预设曲线密切吻合,且新试验方法得到的G115和16Mn循环等效应力幅-应变幅关系和Manson-Coffin律与标准圆棒试样低周疲劳试验结果密切吻合。     

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。     

单轴向与多轴向随机载荷下星载单机的疲劳损伤研究

基于随机振动频域理论,采用“3σ法则”和等效应力-应变的疲劳分析方法,对比研究单轴、多轴载荷下某星载单机的疲劳损伤,评估两种试验方案的等效性。结果表明：该单机对z向激励敏感,z向随机载荷造成的疲劳损伤远大于x、y向载荷;多轴向随机载荷作用下单机的最大等效应力、疲劳损伤累积均大于单轴向随机载荷作用;3个正交轴下的单轴依次振动替代多轴随机振动试验的等效方案为欠试验方案,需要从定量角度优化试验方案。     

双轴加载下缺口疲劳裂纹萌生位置的研究

对航空材料LY12CZ进行多种比例和非比例加载试验.分别采用弹性力学方法及弹塑性有限元方法对多轴加载下缺口试件缺口孔边应力应变进行分析,探讨疲劳裂纹萌生位置与孔边应力、应变的关系.试验与分析结果对照表明,各试验载荷情况下最大剪应力幅及最大剪应变幅的分布与孔边疲劳裂纹分布符合最好.     

基于多轴载荷的汽车控制臂疲劳载荷块编制

目前大多数控制臂台架疲劳载荷为单向加载的块谱,忽略了载荷的多轴性。依据已测得的控制臂试验场道路载荷谱,通过多轴雨流投影方法分析了其载荷的多轴性,并以多轴雨流投影结果一致为目标,通过迭代方法求解获得其考虑载荷多轴性的载荷块谱。再通过疲劳计算方法对比了单轴与多轴载荷块在寿命预测的差异性,并与控制臂应变采集测试点的疲劳损伤对比,发现考虑多轴的载荷块具有更高的预测精度。载荷多轴性的载荷块编制方法可为汽车其他零件台架疲劳载荷块编制提供参考。     

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。     

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。     

复合材料层压板疲劳模量模型及寿命估算

提出基于单向板单轴疲劳试验数据预测层压板疲劳寿命的模型.采用疲劳模量构造典型应力比下的寿命曲线和损伤函数,利用等寿命曲线求出任意应力比下的疲劳寿命,引入复合累积损伤变量计算单向板多轴循环应力下的疲劳寿命;层压板的疲劳寿命预测以单向板多轴疲劳寿命为基础,通过层压板应力分析、失效分析和材料性能退化的循环迭代过程计算寿命;编写层压板疲劳寿命计算程序,寿命预测结果与试验结果吻合良好.