CN108182327B - 一种基于线性损伤累积的多轴热机械疲劳寿命预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于线性损伤累积的多轴热机械疲劳寿命预测方法，该方法根据材料承受热机载荷下的损伤机制，分别求出各部分损伤，并利用线性损伤累积准则将各部分损伤叠加得到材料热机疲劳损伤，进而进行寿命预测。该方法使用方便，不包含任何经验常数，适用范围广，不受加载条件等限制。通过验证，采用该方法进行多轴热机械疲劳寿命估算取得较好的预测效果。

Description

一种基于线性损伤累积的多轴热机械疲劳寿命预测方法
技术领域
本发明涉及疲劳强度领域，特指一种基于线性损伤累积的多轴热机械疲劳寿命预测方法。
背景技术
服役中的各种航天飞行器、压力容器、核电站、发电厂以及机车的零构件等通常会承受变化的多轴机械载荷与热载荷同时作用，进而产生热机械疲劳损伤。这种复杂的载荷条件大大缩短了各机械零部件的使用寿命同时降低了这些关键零部件的可靠性。因此从理论上系统深入研究多轴热机械疲劳损伤过程及寿命预测方法，有效地提高多轴热机械疲劳寿命预测精度，可以保证设备安全可靠的运行，预防事故的发生、节约成本。
目前多轴热机械疲劳的寿命预测主要是把它转化为高温条件下的等温疲劳，而这种情况下往往忽视了热机械疲劳的损伤机理，寿命预测模型的使用受到载荷条件及材料的限制，不能广泛应用于热机械疲劳寿命预测。因此，综合考虑多轴热机械疲劳损伤机理，利用线性损伤累积原则将各种疲劳损伤进行叠加进而得到多轴热机械疲劳损伤，可以广泛应用于各种机械零部件的热机械载荷条件下的寿命预测。因此，研究一种基于线性损伤累积的多轴热机械疲劳寿命预测方法具有重要意义。
发明内容
本发明目的在于针对多轴热机械疲劳的发展要求，提出了一种基于线性损伤累积的多轴热机械疲劳寿命预测方法。
本发明所采用的技术方案为一种基于线性损伤累积的多轴热机械疲劳寿命预测方法，该方法的实现步骤如下：
步骤1)：将热机械疲劳损伤线性划分为纯机械疲劳损伤，蠕变损伤以及蠕变-疲劳交互作用损伤；
步骤2)：根据多轴机械载荷条件，找到具有最大法向应变幅的最大剪切应变平面作为纯机械疲劳损伤临界面，并确定临界面上两个最大剪切应变幅折返点之间的法向应变幅度值；
步骤3)：确定材料不产生蠕变时的某一温度所对应的单轴等温疲劳参数；
步骤4)：利用确定的高温疲劳参数结合拉伸型统一多轴疲劳损伤模型并考虑平均应力计算得到纯机械疲劳损伤；
步骤5)：将每循环变化的温度及多轴机械载荷按时间轴划分为较小的区间，取区间上温度及机械载荷最大值，当轴向应力为正时，取米塞斯等效应力值作为多轴蠕变持久应力方程计算参量，当轴向应力为负时，取等效应力值为0；
步骤6)：结合蠕变持久方程计算得到各载荷下对应的蠕变持久时间，进而得到各区间上蠕变损伤，累加得到每循环蠕变损伤；
步骤7)：确定热循环高温段平均温度，并用高温单轴疲劳数据拟合得到该温度所对应的蠕变-疲劳交互作用系数；
步骤8)：利用蠕变-疲劳交互作用系数，结合纯机械疲劳损伤和蠕变-疲劳损伤，计算得到蠕变-疲劳交互作用损伤；
步骤9)：根据线性损伤累积法则，通过累加纯机械疲劳损伤、蠕变损伤以及蠕变-疲劳交互作用损伤，得到每循环热机械疲劳损伤，进而得到热机械疲劳寿命。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提出一种基于线性损伤累积的多轴热机械疲劳寿命预测方法。该方法根据材料承受多轴热机载荷下的损伤机制，分别求出各部分损伤，并利用线性损伤累积准则将各部分损伤叠加得到材料热机疲劳损伤，进而进行寿命预测。该方法使用方便，不包含任何经验常数，适用范围广，不受加载条件等限制。通过验证，采用该方法进行多轴热机械疲劳寿命估算取得较好的预测效果。
附图说明
图1为多轴热机械疲劳寿命寿命预测的方法流程图。
图2为四种典型多轴热机械疲劳试验循环加载示意图MIPTIP。
图3为四种典型多轴热机械疲劳试验循环加载示意图MIPTOP。
图4为四种典型多轴热机械疲劳试验循环加载示意图MOPTIP。
图5为四种典型多轴热机械疲劳试验循环加载示意图MOPTOP。
图6为本发明所提出的多轴热机械疲劳寿命预测方法预测结果与试验结果比较。
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体实施方式。
本发明通过四种典型的多轴热机加载试验及试验分析进行进一步说明，试验的加载波形为三角波形，应变控制试验，材料为GH4169镍基高温合金，试验加载示意图具体情况参考附图1。
一种基于线性损伤累积的多轴热机械疲劳寿命预测方法，具体实施方式如下：
步骤1)：将热机械疲劳损伤DTMF线性划分为纯机械疲劳损伤DPF，蠕变损伤DC以及蠕变-疲劳交互作用损伤DPFC；
步骤2)：根据多轴机械载荷条件，找到具有最大法向应变幅Δγmax/2的最大剪切应变平面作为纯机械疲劳损伤临界面，并确定临界面上两个最大剪切应变幅折返点之间的法向应变幅度值
Figure GDA0002975287890000043
步骤3)：确定材料不产生蠕变时的某一温度所对应的单轴等温疲劳参数；
步骤4)：利用确定的高温疲劳参数结合拉伸型统一多轴疲劳损伤模型并考虑平均应力计算得到纯机械疲劳损伤；
考虑平均应力的拉伸型统一多轴疲劳损伤模型公式：
Figure GDA0002975287890000041
其中，σf'、εf'、b、c为不产生蠕变时的较高温度下材料疲劳常数，E为该温度下弹性模量，由高温单轴数据拟合得到。
Figure GDA0002975287890000042
为临界面上平均应力，可以用来反映不同的相位角对纯机械疲劳损伤的影响。
步骤5)：将每循环变化的温度及多轴机械载荷按时间轴划分为较小的区间，取区间上温度及机械载荷最大值，当轴向应力为正时，取米塞斯等效应力值作为多轴蠕变持久应力方程计算参量，当轴向应力为负时，取等效应力值为0；各区间上蠕变计算等效应力参量σieq如下式：
Figure GDA0002975287890000051
其中，σimax、τimin分别为第i个区间上轴向和剪切应力最大值。
步骤6)：结合蠕变持久方程计算得到各载荷下对应的蠕变持久时间，进而得到各区间上蠕变损伤
Figure GDA0002975287890000052
累加得到每循环蠕变损伤
Figure GDA0002975287890000053
步骤7)：确定热循环高温段平均温度，并用高温单轴疲劳数据拟合得到该温度所对应的蠕变-疲劳交互作用系数；
步骤8)：利用蠕变-疲劳交互作用系数，结合纯机械疲劳损伤和蠕变-疲劳损伤，计算得到蠕变-疲劳交互作用损伤；蠕变-疲劳交互作用损伤公式如下：
Figure GDA0002975287890000054
步骤9)：根据线性损伤累积法则，通过累加纯机械疲劳损伤、蠕变损伤以及蠕变-疲劳交互作用损伤，得到每循环热机械疲劳损伤，进而预测出热机械疲劳寿命。多轴热机疲劳寿命预测公式：
Figure GDA0002975287890000055

Claims (4)

1.一种基于线性损伤累积的多轴热机械疲劳寿命预测方法，其特征在于：该方法的实现步骤如下，
步骤1)：将热机械疲劳损伤DTMF线性划分为纯机械疲劳损伤DPF，蠕变损伤DC以及蠕变-疲劳交互作用损伤DPFC；
步骤2)：根据多轴机械载荷条件，找到具有最大法向应变幅Δγmax/2的最大剪切应变平面作为纯机械疲劳损伤临界面，并确定临界面上两个最大剪切应变幅折返点之间的法向应变幅度值
Figure FDA0002975287880000011
步骤3)：确定材料不产生蠕变时的某一温度所对应的单轴等温疲劳参数；
步骤4)：利用确定的高温疲劳参数结合拉伸型统一多轴疲劳损伤模型并考虑平均应力计算得到纯机械疲劳损伤；
考虑平均应力的拉伸型统一多轴疲劳损伤模型公式：
Figure FDA0002975287880000012
其中，σf'、εf'、b、c为不产生蠕变时的较高温度下材料疲劳常数，E为该温度下弹性模量，由高温单轴数据拟合得到；
Figure FDA0002975287880000013
为临界面上平均应力，用来反映不同的相位角对纯机械疲劳损伤的影响；
步骤5)：将每循环变化的温度及多轴机械载荷按时间轴划分为较小的区间，取区间上温度及机械载荷最大值，当轴向应力为正时，取米塞斯等效应力值作为多轴蠕变持久应力方程计算参量，当轴向应力为负时，取等效应力值为0；各区间上蠕变计算等效应力参量σieq如下式：
Figure FDA0002975287880000021
其中，σimax、τimin分别为第i个区间上轴向和剪切应力最大值；
步骤6)：结合蠕变持久方程计算得到各载荷下对应的蠕变持久时间，进而得到各区间上蠕变损伤
Figure FDA0002975287880000022
累加得到每循环蠕变损伤
Figure FDA0002975287880000023
步骤7)：确定热循环高温段平均温度，并用高温单轴疲劳数据拟合得到该温度所对应的蠕变-疲劳交互作用系数；
步骤8)：利用蠕变-疲劳交互作用系数，结合纯机械疲劳损伤和蠕变-疲劳损伤，计算得到蠕变-疲劳交互作用损伤；蠕变-疲劳交互作用损伤公式如下：
Figure FDA0002975287880000024
步骤9)：根据线性损伤累积法则，通过累加纯机械疲劳损伤、蠕变损伤以及蠕变-疲劳交互作用损伤，得到每循环热机械疲劳损伤，进而预测出热机械疲劳寿命；多轴热机疲劳寿命预测公式：
Figure FDA0002975287880000025
2.根据权利要求1所述的一种基于线性损伤累积的多轴热机械疲劳寿命预测方法，其特征在于：所述步骤3)中纯机械疲劳由等温单轴疲劳参数求得，该温度为材料不产生蠕变时的某一温度，且在确定材料不产生蠕变的条件下，该温度值越高越好。
3.根据权利要求1所述的一种基于线性损伤累积的多轴热机械疲劳寿命预测方法，其特征在于：所述步骤4)中纯疲劳的计算考虑了平均应力的影响，而不同的平均应力是由热相位角变化所造成的，因此通过考虑平均应力来反应热机加载中热相位角变化的影响。
4.根据权利要求1所述的一种基于线性损伤累积的多轴热机械疲劳寿命预测方法，其特征在于：所述步骤7)中热机械疲劳损伤计算中蠕变-疲劳交互作用系数由单轴高温疲劳试验数据拟合得到；其中，该高温温度为热循环高温部分的平均温度。
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