CN102156066A - 基于强化和损伤的移动s-n曲线疲劳寿命预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于强化和损伤的移动S-N曲线疲劳寿命预测方法，预测步骤为：1.确定材料或零件的应力—寿命曲线，即S-N曲线；2.确定材料或零件的强化特性；3.根据变幅载荷谱中载荷的循环次数计算材料或零件的强化或损伤量；4.根据材料或零件的强化或损伤量移动S-N曲线，计算新的S-N曲线；5.疲劳寿命计算，重复步骤三和步骤四直到材料或零件失效——即累积损伤和为1，失效时的载荷累积总循环次数为材料或零件的疲劳寿命。本发明以传统的疲劳寿命预测方法为基础，在变幅载荷下预测疲劳寿命时，不仅考虑载荷的损伤，还考虑了载荷的强化，预测方法更接近于实际情况。本发明以传统的S-N曲线为基础，预测过程中计算简单、方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种材料或零件动态应力－疲劳寿命预测方法，尤其是一种采用移动S-N曲线疲劳寿命预测方法。
背景技术
疲劳寿命是现代设计的一个重要指标，变幅载荷下材料或结构的疲劳寿命评价问题一直是疲劳研究中的重要课题。长期以来人们对疲劳理论进行了深入地探讨，但研究成果在工程上的应用并不普遍，主要原因之一是缺乏简单性和通用性。
传统的疲劳寿命预测方法以S-N曲线为基础，工程中常用的疲劳寿命预测方法（如Miner法则、修正Miner法则、双线性理论以及Corton-Dolan理论等）都不考虑载荷的强化效果，认为强度是单调下降的。在变幅载荷谱下，过多的考虑了载荷的损伤效果，最终导致材料或结构在原始载荷谱下的疲劳寿命预测小于试验疲劳寿命，预测结果过于保守，其主要原因是这些方法在疲劳寿命预测时忽略了载荷的强化效果。
众所周知，载荷循环不仅产生损伤，还产生强化。特别是当载荷处于疲劳极限附近或略小于疲劳极限时，载荷的强化程度和损伤程度比较接近，有时强化程度甚至超过损伤程度。试验结果表明，单一载荷作用时，疲劳极限以上的某些载荷在全寿命中的前30%次循环，材料的强度经历一个上升再下降的过程；疲劳极限以下的某些载荷，可使材料的强度上升并达到某一极限。由此可以推断，材料或结构在变幅载荷下，其强度（包括静强度和疲劳强度）时刻都在发生变化，即材料或结构的S-N曲线是动态变化的。
发明内容
本发明是为了充分考虑变幅载荷下载荷的强化和损伤，认为强度是动态变化的，预测方法更接近实际情况，预测结果更加科学和准确，而提供一种基于强化和损伤的移动S-N曲线疲劳寿命预测方法。
本发明的技术方案是：一种基于强化和损伤的移动S-N曲线疲劳寿命预测方法，其特点是，所述方法的步骤为：
第一、确定材料或零件的应力——寿命曲线，即S-N曲线；
第二、确定材料或零件的强化特性；
第三、根据变幅载荷谱中载荷的循环次数计算材料或零件的强化或损伤量；
第四、根据材料或零件的强化或损伤量移动S-N曲线，计算新的S-N曲线；
第五、疲劳寿命计算，重复步骤三和步骤四直到材料或零件失效——即累积损伤和为1，失效时的载荷累积总循环次数为材料或零件的疲劳寿命。
确定材料或零件的应力——寿命曲线，即S-N曲线具体方法是：通过零件的疲劳试验和试验数据处理，给出不同平均应力τm下的一组S-N曲线和估算的疲劳极限，其中估算疲劳极限为零件在该平均应力下循环200万次的应力幅值；根据不同平均应力下的S-N曲线，计算得到试验载荷谱中不同应力级所对应的疲劳寿命。
确定材料或零件的强化特性的具体方法是：不同材料和零件的强化特性通过一系列的疲劳试验得到，当没有具体的强化试验结果时，根据已有的材料或零件的强化特性结果进行估算。
本发明的有益效果是：本发明以传统的疲劳寿命预测方法为基础，在变幅载荷下预测疲劳寿命时，不仅考虑载荷的损伤，还考虑了载荷的强化，预测方法更接近于实际情况。本发明以传统的S-N曲线为基础，预测过程中计算简单、方便。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明作进一步的说明。
以某拖拉机的半轴为例，一种基于强化和损伤的移动S-N曲线疲劳寿命预测方法如下：
一种基于强化和损伤的移动S-N曲线疲劳寿命预测方法的预测步骤为：
第一、确定材料或零件的应力——寿命曲线，即S-N曲线；
第二、确定材料或零件的强化特性；
第三、根据变幅载荷谱中载荷的循环次数计算材料或零件的强化或损伤量；
第四、根据材料或零件的强化或损伤量移动S-N曲线，计算新的S-N曲线；
第五、疲劳寿命计算，重复步骤三和步骤四直到材料或零件失效——即累积损伤和为1，失效时的载荷累积总循环次数为材料或零件的疲劳寿命。
2、具体实例
以某拖拉机的半轴为例，材料为40Cr调质，屈服极限905 MPa，抗拉强度1000 MPa。半轴原始载荷谱经压缩处理后转换得到的试验5级应力谱见下表1所示。
表1 半轴试验载荷谱
| 应力级s | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 平均应力τm（MPa） | 134.72 | 134.72 | 121.09 | 107.32 | 93.81 |
| 应力幅值τa（MPa） | 127.99 | 121.59 | 108.79 | 92.79 | 73.59 |
| ni（次） | 17 | 54 | 140 | 447 | 1640 |
表1中载荷的总循环次数为2298次。疲劳试验是利用表1中的载荷谱进行伪随机加载试验。实际试验中，采用随机抽取载荷序号的办法施加载荷，上表所示载荷谱中的应力级分别标以序号1，2，3，4，5（即载荷序号），试验前先由计算机随机地抽取载荷序号，排定载荷次序，如下表2所示。
表2 随机疲劳试验载荷施加次序
| 3 5 1 4 2 | 5 2 3 1 4 | 1 5 2 4 3 |
| 5 2 3 1 4 | 2 1 4 5 3 | 1 5 2 4 3 |
试验中，每根试样均按表所示的次序施加载荷。当运行至某一载荷序号时，比如“3”，则“3”所代表的那级载荷（即第3级载荷）的相应循环数就连续运行完毕，然后再进行下一级载荷。表2所示的载荷次序运行一遍后，再重复此次序，直至试样疲劳失效。一次循环5级载荷共作用13788次。
对半轴原始载荷谱压缩处理后转换得到的试验5级应力谱。随机谱下的试验寿命估算均值约为3.35×106次。
按照一种基于强化和损伤的移动S-N曲线疲劳寿命预测方法对半轴的疲劳寿命进行估算，具体步骤如下：
（1）确定零件的S-N曲线
为了判断载荷谱中载荷的强化和损伤，通过零件的疲劳试验和试验数据处理，给出了不同平均应力τm下的一组S-N曲线和估算的疲劳极限，其中估算疲劳极限为零件在该平均应力下循环200万次的应力幅值，如表3所示：
表3 不同平均应力下的S-N曲线和疲劳极限
| 平均应力τm / MPa | S-N曲线 | 疲劳极限 / MPa |
| 134.72 | lgNf=17.3897-5.7244lgτa | 86.52 |
| 121.09 | lgNf=17.5389-5.7808lgτa | 87.90 |
| 107.32 | lgNf=17.6884-5.8371lgτa | 89.31 |
| 93.81 | lgNf=17.8340-5.8918lgτa | 90.68 |
根据表3中不同平均应力下的S-N曲线，可以计算得到试验载荷谱表1中不同应力级所对应的疲劳寿命，如表4所示。
表4 不同应力级下的疲劳寿命
| 应力级 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 平均应力τm（MPa） | 134.72 | 134.72 | 121.09 | 107.32 | 93.81 |
| 应力幅值τa（MPa） | 127.99 | 121.59 | 108.79 | 92.79 | 73.59 |
| 疲劳极限τ-1（MPa） | 86.52 | 86.52 | 87.90 | 89.31 | 90.68 |
| 疲劳寿命Ni（×105周） | 2.13 | 2.85 | 5.83 | 16.0 | 68.4* |
注：*为按照S-N曲线的理论计算值。
（2）确定材料或零件的强化特性
材料或零件的强化特性主要包括疲劳极限以下低幅载荷的强化（亦称低载强化）和疲劳极限以上过载强化。不同材料和零件的强化特性是通过一系列的疲劳试验得到。当没有具体的强化试验结果时，可以根据已有的强化特性结果进行估算。
试验得到40Cr材料试样在扭转疲劳试验下，最佳强化次数为250000次，具有强化效果的载荷区域约为0.8-1.0τ-1，强化后疲劳强度提高最大比例约为8%。偏安全起见，估算半轴零件的疲劳强度的最大提高比例按照6%计算。
过载荷强化按照试验结果进行估算，即在试验载荷下，材料或结构的强度值在结构寿命的前约20%-30%循环次数下会经历一个上升再下降的过程。没有疲劳试验数据时，按照寿命的前10%强度上升到最大，强度提高的最大比例可以参考低载强化的结果。
（3）材料或零件的强化或损伤量计算
为了完整的说明预测过程，基于强化和损伤的的移动S-N曲线疲劳寿命预测方法在计算拖拉机半轴疲劳寿命时进行了一些简化，即没有循环计算载荷谱中的瞬态强化和瞬态损伤（需要编程计算），把总个疲劳过程简化为强化过程和损伤过程。
按照试验加载谱方式进行强化或损伤量计算，强化过程中假定无论是低载强化次数还是过载强化次数达到各自的最佳强化次数后，强化过程完成。对于本例，过载次数达到循环比的10%或强化小载荷达到最佳强化次数25万次时，零件S-N曲线上升到最高，一次移动S-N曲线，然后按照新移动S-N曲线计算损伤量直到零件失效。
根据表1载荷谱中的各级载荷大小、强化次数，可以估算出25个循环块后，半轴零件达到最佳强化效果，强化后疲劳强化约提高6%，如表5所示。
表5 25个循环块后零件强化量
| 应力级s | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 平均应力τm（MPa） | 134.72 | 134.72 | 121.09 | 107.32 | 93.81 |
| 应力幅值τa（MPa） | 127.99 | 121.59 | 108.79 | 92.79 | 73.59 |
| 疲劳极限τ-1（MPa） | 86.52 | 86.52 | 87.90 | 89.31 | 90.68 |
| 疲劳寿命Ni（×105周） | 2.13 | 2.85 | 5.83 | 16.0 | 68.4 |
| 102 | 324 | 840 | 2682 | 9840 | |
| 25块中各级载荷次数 | 2550 | 8100 | 21000 | 67050 | 246000 |
| 循环比 / % | 1.20 | 2.84 | 3.60 | 4.19 | 3.60 |
| 强化后疲劳极限 | 91.71 | 91.71 | 93.17 | 94.67 | 96.12 |
（4）确定新S-N曲线。
假设材料或零件强化或损伤后，整个S-N曲线向右上或向左下平移，且保持S-N曲线的斜率不变。经过前25块循环后，新S-N曲线向右上方平移，强度提高6%。达到最佳强化后的新S-N曲线如表4所示。
表4 不同平均应力下的新S-N曲线和疲劳极限
| 平均应力τm / MPa | 新S-N曲线 | 疲劳极限 / MPa |
| 134.72 | lgNf=17.5214-5.7244lgτa | 91.71 |
| 121.09 | lgNf=17.6741-5.7808lgτa | 93.17 |
| 107.32 | lgNf=17.8361-5.8371lgτa | 94.67 |
| 93.81 | lgNf=19.9823-5.8918lgτa | 96.12 |
各级加载谱在新S-N曲线下的寿命如表5所示。
表5 不同加载谱在新S-N曲线下的疲劳寿命
| 应力级s | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 平均应力τm（MPa） | 134.72 | 134.72 | 121.09 | 107.32 | 93.81 |
| 应力幅值τa（MPa） | 127.99 | 121.59 | 108.79 | 92.79 | 73.59 |
| 疲劳寿命Ni（×105周） | 2.88 | 3.86 | 7.96 | 22.47 | 96.24 |
（5）疲劳寿命估算
由于材料已经被强化，因此，在新的S-N曲线下不再考虑载荷的强化，只考虑载荷的损伤。此时，可以假定材料的损伤是线性变化的，它与传统的线性累积损伤有本质的区别。
按照线性累积损伤理论，零件失效时的循环次数为：
加上半轴强化过程中的强化的循环块谱数，可以得到拖拉机半轴在表2随机加载过程中的失效总循环块数，224+25=249块
半轴的疲劳总寿命为2492×13788=3.42×106次
新方法估算的疲劳寿命与传统方法比较如表6所示。
表6 不同方法半轴的估算疲劳寿命
从表6可以看出，本发明提出的一种基于强化和损伤的移动S-N曲线疲劳寿命预测方法不但能够估算变幅载荷下的疲劳寿命，而且估算比传统的疲劳累积损伤方法都要精确。
Claims (3)
1.一种基于强化和损伤的移动S-N曲线疲劳寿命预测方法，其特征在于，具体步骤为：
第一、确定材料或零件的应力——寿命曲线，即S-N曲线；
第二、确定材料或零件的强化特性；
第三、根据变幅载荷谱中载荷的循环次数计算材料或零件的强化或损伤量；
第四、根据材料或零件的强化或损伤量移动S-N曲线，计算新的S-N曲线；
第五、疲劳寿命计算，重复步骤三和步骤四直到材料或零件失效——即累积损伤和为1，失效时的载荷累积总循环次数为材料或零件的疲劳寿命。
2.根据权利要求1所述的基于强化和损伤的移动S-N曲线疲劳寿命预测方法，其特征在于：所述确定材料或零件的应力——寿命曲线，即S-N曲线的具体方法是：通过零件的疲劳试验和试验数据处理，给出不同平均应力τm下的一组S-N曲线和估算的疲劳极限，其中估算疲劳极限为零件在该平均应力下循环200万次的应力幅值；根据不同平均应力下的S-N曲线，计算得到试验载荷谱中不同应力级所对应的疲劳寿命。
3.根据权利要求1所述的基于强化和损伤的移动S-N曲线疲劳寿命预测方法，其特征在于：所述确定材料或零件的强化特性的具体方法是：不同材料和零件的强化特性通过一系列的疲劳试验得到，当没有具体的强化试验结果时，根据已有的材料或零件的强化特性结果进行估算。
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