CN102980806A - 一种预测多步加载条件下金属材料低周疲劳寿命的方法 - Google Patents
一种预测多步加载条件下金属材料低周疲劳寿命的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102980806A CN102980806A CN201210474370XA CN201210474370A CN102980806A CN 102980806 A CN102980806 A CN 102980806A CN 201210474370X A CN201210474370X A CN 201210474370XA CN 201210474370 A CN201210474370 A CN 201210474370A CN 102980806 A CN102980806 A CN 102980806A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- fatigue
- multistep
- stress
- under
- low
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
本发明公开了一种预测多步加载条件下金属材料低周疲劳寿命的方法,其方法的步骤包括:(1)通过单步和多步加载的非对称循环应力控制疲劳实验,获得金属材料的低周疲劳寿命;(2)根据疲劳实验的工况条件与材料的疲劳性能,确定单步加载时材料疲劳参数FP的计算式,建立单步加载条件下材料疲劳寿命的预测模型;(3)根据多步加载过程中材料的非线性损伤累积特征,提出多步加载时材料疲劳参数FP′的计算式;(4)建立多步加载的非对称循环应力控制条件下金属材料低周疲劳寿命的预测模型,并预测其疲劳寿命。本发明的方法可以快速地预测金属材料在多步加载的非对称循环应力控制条件下的低周疲劳寿命,为零件的可靠性设计及评估提供理论参考。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料在多步加载的非对称应力循环控制条件下低周疲劳失效寿命的预测方法。
背景技术
材料/零件在实际服役的过程中,经常受到循环载荷的作用,使得疲劳失效成为零件损坏的主要原因之一。特别是当金属材料/零件所承受循环载荷的平均应力不等于零,载荷幅值不断发生变化且足够大(使材料发生屈服),便会产生塑性应变不断累积,严重降低了材料/零件的疲劳性能。因此,要确保此类材料/零件使用过程中的可靠性、耐久性和安全性,必须在疲劳设计和安全性评估中考虑材料/零件的非线性疲劳损伤累积特征。在实际服役过程中绝大多数材料/零件承受的载荷都是非对称周期变化的,且非对称循环载荷下材料/零件的疲劳寿命预测问题一直是疲劳研究中的难题。
材料的疲劳性能一般以单轴应力-循环次数的形式表示(S-N曲线),应力随时间的变化也很有规律,如正弦波、方波或脉冲等。S-N曲线是根据材料的疲劳强度实验数据得出的应力S和疲劳寿命N的关系曲线。S-N法主要要求零件有无限寿命或者寿命很长,因而应用在零件受有很低的应力幅或变幅,零件的疲劳失效周次很高,一般大于105周次,零件主要只发生弹性变形,亦即所谓高周疲劳的情况。然而,当应力水平较高(较高的应力幅或变幅)时,S-N曲线却无法准确预测材料的疲劳寿命。特别是当材料服役于多步加载的非对称应力循环控制条件时,其低周疲劳失效寿命的预测就显得十分困难。
传统的Miner法则采用线性损伤理论来获得材料/零件的疲劳失效寿命,其计算式如下:
其中,ni表示某载荷作用圈数,Ni表示在该载荷下的疲劳寿命。Miner法则具有形式简单、材料常数少等优点,被广泛应用于材料疲劳寿命的预测。但是,Miner法则并未考虑实际材料疲劳损伤非线性累积的特征,而且不能准确反映前加载步对后续加载步的影响。此外,Miner法则主要适用于对称循环加载条件下的疲劳寿命估算。所以,对于多步加载的非对称应力循环控制载荷,使用Miner法则预测材料的疲劳寿命时存在较大误差。因此,如果未充分考虑材料非线性疲劳损伤累积的特征,以及前加载步对后续加载步的影响,则会导致预测结果与实际情况之间存在很大的误差,直接导致了寿命评估结果不可靠。为了可靠地评估金属材料的低周疲劳性能,必须提出一种能快速、方便、准确预测金属材料在多步加载的非对称循环应力控制加载条件下的低周疲劳寿命的方法。
发明内容
本发明的目的在于充分考虑材料非线性疲劳损伤累积的特征,以及前加载步对后续加载步的影响,提出了一种预测金属材料在多步加载的非对称循环应力控制加载条件下低周疲劳寿命的预测方法,该方法更接近实际情况,预测结果更加科学和准确。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案是:一种预测材料在多步加载的非对称循环应力控制条件下低周疲劳寿命的方法,其方法的步骤为:
步骤1:在一系列峰值应力σp(σs≤σp<σu)和应力幅值σa(0.5σp≤σa≤0.7σp)条件下,进行单步和多步加载的非对称循环应力控制的低周疲劳实验,获得材料低周疲劳寿命,其中,σs和σu分别为材料的屈服极限和抗拉极限,可通过单轴拉伸实验或相关的材料性能手册获得;
步骤2:根据疲劳实验的工况条件与材料性能,获得单步加载条件下材料疲劳参数FP的计算式为:其中为材料的疲劳极限,E为材料的弹性模量,σp为峰值应力,σa为应力幅值,基于实验测得的材料疲劳寿命,建立材料在单步加载条件下的疲劳寿命预测模型为:Nf=a1×exp(b1×FP)+a2×exp(b2×FP),其中Nf为材料在单步加载条件下的低周疲劳寿命,a1,b1,a2和b2为材料常数,它们反应了材料疲劳寿命对疲劳参数FP的敏感程度,可通过对实验数据进行回归分析获得;
步骤3:根据多步加载过程中材料的非线性损伤累积特征,提出多步加载时的材料疲劳参数FP′的计算式,建立多步加载的非对称循环应力控制条件下金属材料低周疲劳寿命的预测模型,并预测其疲劳寿命,其预测模型为:Nf=a1×exp(b1×FP′)+a2×exp(b2×FP′),其中,FP′为多步加载时的材料疲劳参数。
多步加载时的材料疲劳参数FP′的计算式为:其中,Nfp为材料在多步加载条件下低周疲劳的预测寿命,i为加载步序号,m为多步加载的总步数,ni为第i步的实验循环圈数,Ni为第i步载荷水平对应的疲劳寿命,FP′i为第i步加载时的材料疲劳参数值,EP′m为第m步加载时的材料疲劳参数值,Nm为第m步载荷水平对应的疲劳寿命,Ni和Nm均是通过步骤2中所述的单步加载条件下的疲劳寿命预测模型获得。如果所述的第i步加载的应力水平比第i-1步加载的应力水平高,则材料疲劳参数值为如果所述的第i步加载的应力水平比第i-1步加载的应力水平低,则材料疲劳参数值为FP′i=FPi,其中FPi-1和FPi均通过步骤2中所述的单步加载条件下材料疲劳参数FP的计算式获得。
本发明充分考虑了材料的非线性疲劳损伤累积特征,以及前加载步对后续加载步的影响,提出了多步加载时的材料疲劳参数FP′的计算式,建立了多步加载的非对称循环应力控制条件下金属材料低周疲劳寿命的预测模型,并为多步加载的非对称循环应力控制条件下金属材料低周疲劳寿命估算提供了一种精确、方便的方法。
本发明采用以上方案,具有以下优点:该发明充分考虑了非对称循环加载工况参数对疲劳参数的影响,尤其是对于多步加载,新提出的疲劳参数FP′还能够更加准确的反应前加载步对后续加载步的影响。利用该方法可快速地预测多步加载条件下金属材料在非对称循环应力控制时的疲劳寿命,为零件的可靠性设计及评估提供理论参考。该方法在工程应用上更方便、适用。
附图说明
图1疲劳寿命与疲劳参数的关系图
图2多步加载工况下实验寿命与预测寿命的对比图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明是一种预测金属材料在多步加载的非对称循环应力控制条件下低周疲劳寿命的方法。下面以AZ31B镁合金材料的低周疲劳寿命预测为例,详细介绍本发明涉及的寿命预测方法的实施细节,其方法包括:
步骤1:对AZ31B镁合金材料(轧制方向取样)进行基于非对称循环应力控制的低周疲劳实验,获得该材料低周疲劳寿命的步骤;循环加载工况参数包括峰值应力和应力幅值,其值如表1和2所示。材料的屈服极限和抗拉极限是通过单轴拉伸试验获得的,分别为100MPa和248MPa。
表1单步加载工况参数
实验编号 | 峰值应力(σp,MPa) | 应力幅值(σa,MPa) |
1 | 140 | 80 |
2 | 130 | 80 |
3 | 145 | 80 |
4 | 155 | 85 |
5 | 160 | 90 |
6 | 160 | 100 |
7 | 170 | 100 |
8 | 165 | 90 |
9 | 155 | 95 |
10 | 165 | 95 |
11 | 110 | 60 |
12 | 100 | 55 |
13 | 150 | 80 |
14 | 105 | 55 |
表2多步加载工况参数(最后一步试件断裂)
步骤2:根据疲劳实验的工况条件与材料的疲劳性能,确定疲劳参数FP的计算式,建立材料在单步加载条件下的疲劳寿命预测模型的步骤;
根据疲劳实验的工况条件与材料的疲劳性能,材料的疲劳极限为48.05MPa,确定单步加载条件下材料疲劳参数FP的计算式为:其中σp为峰值应力,σa为应力幅值。基于实验测得的材料疲劳寿命,可得到材料在单步加载条件下的低周疲劳寿命Nf与材料疲劳参数FP之间的关系图,如图1所示。显然,Nf与FP呈现良好的指数函数关系。采用非线性拟合方法,对实验数据进行回归分析,可获得材料在单步加载条件下的疲劳寿命预测模型为:Nf=1.297×106exp(-900×FP)+1.719×104exp(-160×FP)。
步骤3:根据多步加载过程中材料的非线性损伤累积特征,提出多步加载时材料疲劳参数FP′的计算式,建立多步加载的非对称循环应力控制条件下金属材料低周疲劳寿命的预测模型,并预测其疲劳寿命的步骤;
根据多步加载过程中材料的非线性损伤累积特征,提出多步加载时材料疲劳参数FP′的计算式为:
建立的非对称循环应力控制条件下金属材料低周疲劳寿命的预测模型为:Nfp=1.297×106exp(-900×FP′)+1.719×104exp(-160×FP′)。图2所示为多步加载时AZ31B镁合金材料在非对称循环应力工况下材料低周疲劳寿命的实验结果与预测结果的比较。结果表明本发明的方法能够准确地预测AZ31B镁合金材料在变载荷非对称循环应力控制加载条件下的低周疲劳寿命。
上面结合附图对本发明的实例进行了描述,但本发明不局限于上述具体的实施方式,上述的具体实施方式仅是示例性的,不是局限性的,任何不超过本发明权利要求的发明创造,均在本发明的保护之内。
Claims (6)
1.一种预测多步加载条件下金属材料低周疲劳寿命的方法,其特征在于可以快速地预测金属材料在多步加载的非对称循环应力控制条件下的低周疲劳寿命,该方法的步骤包括:
步骤1:在一系列峰值应力σp和应力幅值σa的条件下,进行非对称循环应力控制的低周疲劳实验,获得材料的低周疲劳寿命;
步骤2:根据疲劳实验的工况条件与材料性能,获得单步加载条件下材料疲劳参数FP的计算式为:其中为材料的疲劳极限,E为材料的弹性模量,σp为峰值应力,σa为应力幅值,基于实验测得的材料疲劳寿命,建立材料在单步加载条件下的疲劳寿命预测模型为:Nf=a1×exp(b1×FP)+a2×exp(b2×FP),其中Nf为材料在单步加载条件下的低周疲劳寿命,a1,b1,a2和b2为材料常数,它们反应了材料疲劳寿命对疲劳参数FP的敏感程度;
步骤3:根据多步加载过程中材料的非线性损伤累积特征,提出多步加载时材料疲劳参数FP′的计算式,建立多步加载的非对称循环应力控制条件下金属材料低周疲劳寿命的预测模型,并预测其疲劳寿命,所述的多步加载的非对称循环应力控制条件下金属材料低周疲劳寿命的预测模型为:Nfp=a1×exp(b1×FP′)+a2×exp(b2×FP′),其中Nfp为材料在多步加载条件下低周疲劳的预测寿命,FP′为多步加载时的材料疲劳参数。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤1中所述的疲劳实验工况条件包括峰值应力σp和应力幅值σa,峰值应力σp的范围为σs~σu,其中,σs和σu分别为材料的屈服极限和抗拉极限,可通过单轴拉伸实验或相关的材料性能手册获得,应力幅值σa的范围是(0.5~0.7)σp。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤1中所述的实验包括单步和多步加载的非对称循环应力控制的疲劳试验。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201210474370XA CN102980806A (zh) | 2012-11-21 | 2012-11-21 | 一种预测多步加载条件下金属材料低周疲劳寿命的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201210474370XA CN102980806A (zh) | 2012-11-21 | 2012-11-21 | 一种预测多步加载条件下金属材料低周疲劳寿命的方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN102980806A true CN102980806A (zh) | 2013-03-20 |
Family
ID=47855028
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201210474370XA Pending CN102980806A (zh) | 2012-11-21 | 2012-11-21 | 一种预测多步加载条件下金属材料低周疲劳寿命的方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN102980806A (zh) |
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104820781A (zh) * | 2015-05-06 | 2015-08-05 | 北京航空航天大学 | 考虑温循载荷顺序加载影响的bga焊点热疲劳寿命预测方法 |
CN105067791A (zh) * | 2015-08-06 | 2015-11-18 | 中国航空工业集团公司北京航空材料研究院 | 一种模拟高温合金超高周疲劳损伤的方法 |
CN107290216A (zh) * | 2017-06-28 | 2017-10-24 | 南京理工大学 | 一种316l不锈钢棘轮效应的预测方法 |
CN109855959A (zh) * | 2017-11-30 | 2019-06-07 | 中国科学院金属研究所 | 一种金属材料疲劳强度的预测方法 |
CN110059412A (zh) * | 2019-04-19 | 2019-07-26 | 上海工程技术大学 | 金属材料寿命预测方法 |
CN111504818A (zh) * | 2020-04-22 | 2020-08-07 | 南京蜂动检测科技有限公司 | 一种轨道交通用铝合金的疲劳寿命检测方法 |
CN111638148A (zh) * | 2020-07-07 | 2020-09-08 | 一汽解放汽车有限公司 | 一种测试同类金属材料s-n曲线的方法 |
CN111950163A (zh) * | 2020-08-20 | 2020-11-17 | 上海电气风电集团股份有限公司 | 一种风力叶片疲劳寿命监测方法 |
CN113466045A (zh) * | 2017-02-06 | 2021-10-01 | 太原理工大学 | 一种预测镁合金构件疲劳极限的方法 |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101839904A (zh) * | 2009-03-12 | 2010-09-22 | 通用汽车环球科技运作公司 | 预测铝合金在多轴加载下的疲劳寿命的系统和方法 |
-
2012
- 2012-11-21 CN CN201210474370XA patent/CN102980806A/zh active Pending
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101839904A (zh) * | 2009-03-12 | 2010-09-22 | 通用汽车环球科技运作公司 | 预测铝合金在多轴加载下的疲劳寿命的系统和方法 |
Non-Patent Citations (4)
Title |
---|
YUJIE LIU等: "A multiaxial stress-based fatigue failure model considering ratcheting-fatigue interaction", 《INTERNATIONAL JOURNAL OF FATIGUE》, vol. 32, no. 4, 14 October 2009 (2009-10-14) * |
YUJIE LIU等: "Stress-based fatigue failure models for uniaxial ratchetting-fatigue interaction", 《INTERNATIONAL JOURNAL OF FATIGUE》, vol. 30, no. 6, 17 August 2007 (2007-08-17) * |
冯胜等: "非线性疲劳损伤累积理论研究", 《哈尔滨工业大学学报》, vol. 35, no. 12, 31 December 2003 (2003-12-31) * |
刘宇杰: "金属材料多轴棘轮-疲劳交互作用的实验与理论研究", 《中国博士学位论文全文数据库 工程科技I辑》, no. 6, 15 June 2009 (2009-06-15) * |
Cited By (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104820781A (zh) * | 2015-05-06 | 2015-08-05 | 北京航空航天大学 | 考虑温循载荷顺序加载影响的bga焊点热疲劳寿命预测方法 |
CN104820781B (zh) * | 2015-05-06 | 2017-09-29 | 北京航空航天大学 | 考虑温循载荷顺序加载影响的bga焊点热疲劳寿命预测方法 |
CN105067791A (zh) * | 2015-08-06 | 2015-11-18 | 中国航空工业集团公司北京航空材料研究院 | 一种模拟高温合金超高周疲劳损伤的方法 |
CN113466045A (zh) * | 2017-02-06 | 2021-10-01 | 太原理工大学 | 一种预测镁合金构件疲劳极限的方法 |
CN107290216A (zh) * | 2017-06-28 | 2017-10-24 | 南京理工大学 | 一种316l不锈钢棘轮效应的预测方法 |
CN109855959B (zh) * | 2017-11-30 | 2021-08-10 | 中国科学院金属研究所 | 一种金属材料疲劳强度的预测方法 |
CN109855959A (zh) * | 2017-11-30 | 2019-06-07 | 中国科学院金属研究所 | 一种金属材料疲劳强度的预测方法 |
CN110059412A (zh) * | 2019-04-19 | 2019-07-26 | 上海工程技术大学 | 金属材料寿命预测方法 |
CN110059412B (zh) * | 2019-04-19 | 2023-08-11 | 上海工程技术大学 | 金属材料寿命预测方法 |
CN111504818A (zh) * | 2020-04-22 | 2020-08-07 | 南京蜂动检测科技有限公司 | 一种轨道交通用铝合金的疲劳寿命检测方法 |
CN111638148A (zh) * | 2020-07-07 | 2020-09-08 | 一汽解放汽车有限公司 | 一种测试同类金属材料s-n曲线的方法 |
CN111638148B (zh) * | 2020-07-07 | 2022-08-12 | 一汽解放汽车有限公司 | 一种测试同类金属材料s-n曲线的方法 |
CN111950163A (zh) * | 2020-08-20 | 2020-11-17 | 上海电气风电集团股份有限公司 | 一种风力叶片疲劳寿命监测方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN102980806A (zh) | 一种预测多步加载条件下金属材料低周疲劳寿命的方法 | |
CN102967512B (zh) | 基于非对称循环应力控制加载的低周疲劳寿命预测方法 | |
US9939359B2 (en) | Method of measurement and determination on fracture toughness of structural materials at high temperature | |
Milani et al. | An improved multi-objective identification of Johnson–Cook material parameters | |
Lu et al. | Small time scale fatigue crack growth analysis | |
CN102081020B (zh) | 基于支持向量机的材料疲劳寿命预测方法 | |
EP3023764B1 (en) | Fracture determination method, fracture determination apparatus, program, and computer readable recording medium | |
Aid et al. | An equivalent stress process for fatigue life estimation under multiaxial loadings based on a new non linear damage model | |
Upadhyaya et al. | Fatigue life prediction: a continuum damage mechanics and fracture mechanics approach | |
Wilshire et al. | A new approach to creep data assessment | |
CN110059412A (zh) | 金属材料寿命预测方法 | |
JP2012132902A (ja) | スポット溶接部の破断判定値の予測方法、予測システム、及びスポット溶接部を備えた部材の製造方法 | |
CN112307608A (zh) | 一种奥氏体不锈钢管道非线性疲劳损伤寿命评估处理方法 | |
Hayhurst et al. | Constitutive equations for time independent plasticity and creep of 316 stainless steel at 550 C | |
CN102937553A (zh) | 一种高温材料的蠕变持久强度预测方法 | |
Kwofie et al. | Fatigue life prediction under conditions where cyclic creep–fatigue interaction occurs | |
Li et al. | Statistical analysis of fatigue crack growth behavior for grade B cast steel | |
Wu et al. | Time-dependent reliability model of components with strength degradation based-on gamma process | |
Skorupa et al. | Experimental results and predictions on fatigue crack growth in structural steel | |
CN111859619B (zh) | 一种利用硬度对热老化材料低周疲劳寿命的无损预测方法 | |
JP6287665B2 (ja) | 薄鋼板製部材の延性脆性破壊特性の予測方法及び装置、並びにそのプログラム及び記録媒体 | |
RU2555202C1 (ru) | Способ оценки ресурса трубных изделий энергетического оборудования | |
Shoemaker et al. | 3D fatigue crack path deflection and residual stresses in 17-4PH stainless steel rod | |
Roy et al. | A stochastic model for evolution of creep damage in engineering materials | |
Rickhey et al. | Gauge length and frame rate dependence of the onset of instability and the fracture limit of DP 980 sheets |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130320 |