CN103604688A - 一种基于临界面法的塑性金属材料多轴高周疲劳寿命预测方法 - Google Patents

一种基于临界面法的塑性金属材料多轴高周疲劳寿命预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明建立了一种基于临界面法的塑性金属材料多轴高周疲劳寿命预测方法，考虑了拉扭复合加载下塑性金属材料的疲劳失效模式，同时考虑了多轴加载下应力幅比和相位差对多轴高周疲劳寿命的影响，以多轴疲劳的临界面准则为基础，建立了采用最大主应力峰值和最大剪应力变程的线性组合来预测多轴高周疲劳寿命的疲劳寿命预测模型，用以预测塑性金属材料在承受多轴高周疲劳载荷时的寿命，并最终提出一种基于临界面法的塑性金属材料多轴高周疲劳寿命预测方法。本发明建立的模型，基于能够揭示多轴疲劳破坏物理机理的临界面准则，考虑了多轴加载下应力幅比和相位差对多轴高周疲劳失效的影响，其预测结果分散性小，准确度高。

Description

一种基于临界面法的塑性金属材料多轴高周疲劳寿命预测方法
技术领域
本发明涉及塑性金属材料承受多轴疲劳载荷时疲劳寿命的预测问题，具体涉及一种基于临界面法的金属材料结构的多轴高周疲劳失效方法，适用于航空航天飞行器中广泛使用的各种塑性金属材料结构。
背景技术
在航空航天领域，由于工况复杂，大多数承力结构都承受多轴循环载荷作用，如飞机的机身蒙皮由于反复加压和减压承受环向和纵向循环应力的作用，机翼蒙皮由于气动力载荷承受弯矩及扭矩的作用，航空发动机的涡轮盘及导航系统中的陀螺结构也承受弯曲、扭转和拉压的多轴载荷作用。从疲劳研究初期开始，多轴疲劳就是一个重要的研究方向，但由于其过于复杂，工程问题大多都将其简化为单轴疲劳处理。由于单轴载荷并不能真实反映结构的实际载荷状况，在寿命预测时往往会给出过于保守或不安全的结果。近年来，随着结构设计要求的不断提高和试验研究手段的不断进步，如何更准确地预测零部件的多轴疲劳寿命成为了关键问题。
多轴疲劳中由于载荷特征参量较多，如应力（变）幅、相位差及平均应力（变）等，且载荷作用过程中主应力（变）的大小及方向随时间不断变化，因而各载荷特征参量对疲劳失效的影响比较复杂，到目前为止尚有许多问题没有达到共识。尤其对于多轴高周疲劳，由于理论分析和试验研究都不够充分，目前仍然没有被广泛认可的寿命预测模型和失效准则。现有的多轴高周疲劳失效准则中，等效应力准则和等效应变准则形式简单，但缺乏合理的物理解释；应力不变量准则中参数的确定比较复杂；能量准则中能量为标量，无法确定裂纹的扩展方向；临界面应力准则和临界面应变准则具有合理的物理解释，已得到普遍的认可，但高周疲劳中临界面法的研究还不成熟。本发明正是在这一背景下，基于多轴疲劳寿命预测方法中的临界面法提出的。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：考虑相位差和应力幅比对多轴高周疲劳失效的影响，基于多轴疲劳寿命预测中临界面法准则，建立塑性金属材料的多轴高周疲劳失效预测模型，用以预测塑性金属材料在承受多轴疲劳载荷时的寿命，并最终提出一种基于临界面法的塑性金属材料多轴高周疲劳寿命预测方法。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于临界面法的塑性金属材料多轴高周疲劳寿命预测方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤A，首先确定结构材料是否为塑性金属材料，若是塑性金属材料，则进行步骤B，若不是塑性金属材料，则不适用该基于临界面法的塑性金属材料多轴高周疲劳寿命预测方法，直接进入步骤G；
步骤B，根据结构的几何形状，对结构进行应力分析，如果是简单结构，则对其进行理论计算，若为复杂结构，则对其进行有限元分析；
步骤C，分析得到结构的应力分布，确定结构是否为高周疲劳；
步骤D，若结构在危险点处不产生塑性应变，即为高周疲劳，则提取结构件危险点处的应力值，进入步骤E；若结构在危险点处产生塑性应变，即为低周疲劳，则直接进入步骤G；
步骤E，计算危险点处最大主应力峰值(σ1)max及最大剪应力变程Δτmax；
步骤F，将上述最大主应力峰值(σ1)max和最大剪应力变程Δτmax带入该基于临界面法的塑性金属材料多轴高周疲劳寿命预测方法的多轴高周疲劳寿命预测模型，预测结构多轴高周疲劳寿命Nf，该基于临界面法的塑性金属材料多轴高周疲劳寿命预测方法的寿命预测模型为：
(σ1)max+Δτmax/k＝Kf(2Nf)t
其中(σ1)max为加载过程中最大主应力峰值，Δτmax为加载过程中最大剪应力变程，k为常数，根据材料的不同有不同的取值，可以通过实验来确定，Kf和t为材料常数，Nf为疲劳寿命；
步骤G，结束。
本发明与现有技术相比的优点在于：
（1）本发明基于临界面法的塑性金属材料多轴高周疲劳寿命预测方法，分别考虑了相位差及应力幅比对多轴高周疲劳寿命的影响，提出了一种塑性金属材料多轴高周疲劳寿命预测模型。
（2）本发明基于临界面法的塑性金属材料多轴高周疲劳寿命预测方法，以多轴疲劳临界面准则为基础，建立了采用最大主应力峰值和最大剪应力变程的线性组合来预测多轴高周疲劳寿命的多轴高周疲劳失效预测模型。
（3）本发明基于临界面法的塑性金属材料多轴高周疲劳寿命预测方法，与现有的多轴高周疲劳预测模型相比，基于能够揭示物理机理的临界面法准则，预测结果分散性小，准确度高。
附图说明
图1是本发明实施流程图；
图2是本发明实验验证所用试件尺寸图；
图3是本发明实验验证加载形式示意图以及所加载荷的波形示意图，其中图3（a）为试样夹持示意图，图3（b）为加载波形示意图；
图4是0°加载时不同应力幅比下2A12-T4铝合金材料的疲劳寿命预测结果；
图5是不同相位差下2A12-T4铝合金材料的疲劳寿命预测结果；
图6是不同的寿命预测模型对不同应力比情况下的疲劳寿命预测结果对比；
图7是不同的寿命预测模型对不同相位差情况下的疲劳寿命预测结果对比。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
如图1所示，本发明基于临界面法的塑性金属材料多轴高周疲劳寿命预测方法的具体实现步骤为：
1.首先确定结构材料是否为塑性金属材料，若是塑性金属材料，则可按本发明提出的模型进行多轴高周疲劳寿命预测；
2.若所分析对象为简单结构，则通过理论计算，进行结构应力分析，若为复杂结构，则对其进行有限元建模，进行结构应力分析；
3.基于上述结构应力分析结果，可以确定结构应力分布，进而判断结构在给定载荷下危险点是否产生塑性变形，即是否为高周疲劳；
4.若结构在危险点处不产生塑性变形，即为高周疲劳，则提取结构件危险点处的应力值，并计算危险点处最大主应力峰值(σ1)max及最大剪应力变程Δτmax；
5.将上述最大主应力峰值(σ1)max和最大剪应力变程Δτmax带入本发明提出的多轴高周疲劳寿命预测模型，即可预测结构多轴高周疲劳寿命Nf，本发明的寿命预测模型为：
(σ1)max+Δτmax/k＝Kf(2Nf)t
其中(σ1)max为加载过程中最大主应力峰值，Δτmax为加载过程中最大剪应力变程，k为常数，根据材料的不同有不同的取值，可以通过实验来确定，Kf和t为材料常数，Nf为疲劳寿命。
实施例1：拉扭复合加载下2A12-T4铝合金高周疲劳寿命预测
如图2所示，为拉扭试验试验件尺寸示意图，其静力性能E=76.8GPa，σs=395.1MPa，σb=568.4MPa，G=29.4GPa，τb=419.8Mpa。取Von-Mises等效应力相同，分别在不同的应力幅比及相位差下对试验件施加载荷，得到试验件的拉扭疲劳试验寿命。
1.首先给定材料为塑性金属材料，其次由于试验件结构简单，故可以由理论分析计算其在拉扭载荷作用下危险点应力变化；
2.根据计算得到的危险点的应力变化，得出试验件材料未进入屈服，因此本发明提出的模型适用；
3.将上面计算得到的危险点处的最大主应力峰值(σ1)max、最大剪应力变程Δτmax带入本发明所提出的多轴高周疲劳寿命预测模型，即：
(σ1)max+Δτmax/4＝Kf(2Nf)t
其中，对于2A12-T4铝合金而言，常数k=4；
4.分别将试验寿命与预测寿命进行比较，如图4及图5所示，同时分别用不同的寿命预测模型对不同应力比以及不同相位差情况下的疲劳寿命进行预测，其结果如图6及图7所示；
5.从上述对比结果可以看出，采用本发明所提出的基于临界面法的塑性金属材料多轴高周疲劳寿命预测方法能够很好地预测塑性金属材料的多轴高周疲劳寿命。
本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种基于临界面法的塑性金属材料多轴高周疲劳寿命预测方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤A，首先确定结构材料是否为塑性金属材料，若是塑性金属材料，则进行步骤B，若不是塑性金属材料，则不适用该基于临界面法的塑性金属材料多轴高周疲劳寿命预测方法，直接进入步骤G；
步骤B，根据结构的几何形状，对结构进行应力分析，如果是简单结构，则对其进行理论计算，若为复杂结构，则对其进行有限元分析；
步骤C，分析得到结构的应力分布，确定结构是否为高周疲劳；
步骤D，若结构在危险点处不产生塑性应变，即为高周疲劳，则提取结构件危险点处的应力值，进入步骤E；若结构在危险点处产生塑性应变，即为低周疲劳，则直接进入步骤G；
步骤E，计算危险点处最大主应力峰值(σ1)max及最大剪应力变程Δτmax；
步骤F，将上述最大主应力峰值(σ1)max和最大剪应力变程Δτmax带入该基于临界面法的塑性金属材料多轴高周疲劳寿命预测方法的多轴高周疲劳寿命预测模型，预测结构多轴高周疲劳寿命Nf，该基于临界面法的塑性金属材料多轴高周疲劳寿命预测方法的寿命预测模型为：
(σ1)max+Δτmax/k＝Kf(2Nf)t
其中(σ1)max为加载过程中最大主应力峰值，Δτmax为加载过程中最大剪应力变程，k为常数，根据材料的不同有不同的取值，可以通过实验来确定，Kf和t为材料常数，Nf为疲劳寿命；
步骤G，结束。
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