CN109165407B - 一种用于机械构件疲劳裂纹寿命的预估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于疲劳寿命的技术领域，公开了一种用于机械构件疲劳裂纹寿命的预估方法，所述机械构件采用金属材料制成，且承受轴向载荷的作用，包括以下步骤：步骤一、采用等效应力法建立疲劳裂纹的萌生寿命数学模型；步骤二、计算疲劳裂纹的初始尺寸和临界尺寸，并依据帕里斯经验公式，建立疲劳裂纹的扩展寿命数学模型；步骤三、结合疲劳裂纹的萌生寿命和扩展寿命数学模型，建立疲劳裂纹的全寿命数学模型。本发明可以简便有效地完成对疲劳裂纹的全寿命预估，为机械构件的投入使用及研发设计提供指导意见，降低了研发成本，保证产品的质量，提高产品的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于疲劳寿命的技术领域，具体涉及一种用于机械构件疲劳裂纹寿命的预估方法。
背景技术
在实际工程中，机械零部件的疲劳破坏是最常见的破坏形式，其占到总失效的50％-90％。疲劳寿命通常分为两个阶段：疲劳裂纹萌生寿命和疲劳裂纹扩展寿命，疲劳破坏由多重因素导致，如应力水平、零部件材料抗疲劳破坏能力等，一般髙应力水平导致寿命变短，低应力水平时则相对较长，在相同条件下，高韧性、高强度材料疲劳寿命更长。对零部件疲劳寿命的影响包括下几个方面：零部件尺寸与形状，载荷的特性，如载荷的类型、载荷变化的幅值等，应力集中状况也会对疲劳裂纹萌生产生很大影响。
疲劳破坏的发展是一个渐变的过程，通常需要运行一段时间才会导致破坏，而且在该破坏发生之前不会表现出明显的征兆，由于其突发性，使其危险性就相对较髙，必须在进行零部件疲劳设计时，给予足够重视。对于机械结构设计而言，首先要保证其质量稳定可靠，在设计过程中，就需要对零部件的疲劳寿命进行合理预测，不断对设计方案经行可靠性优化，保证产品质量。目前常用的疲劳寿命预测方法主要包括：应力或应变疲劳寿命预测方法、疲劳累积损伤理论以及基于能量的疲劳寿命预测方法等，但普遍存在理论建模难、数据累积难以及试验验证难等问题。
发明内容
本发明提供了一种用于机械构件疲劳裂纹寿命的预估方法，解决了现在计算模型计算复杂，运算效率低，试验验证难等问题。
本发明可通过以下技术方案实现：
一种用于机械构件疲劳裂纹寿命的预估方法，所述机械构件采用金属材料制成，且承受轴向载荷的作用，包括以下步骤：
步骤一、采用等效应力法建立疲劳裂纹的萌生寿命数学模型；
步骤二、计算疲劳裂纹的初始尺寸和临界尺寸，并依据帕里斯经验公式，建立疲劳裂纹的扩展寿命数学模型；
步骤三、结合疲劳裂纹的萌生寿命和扩展寿命数学模型，建立疲劳裂纹的全寿命数学模型。
进一步，所述步骤三中的疲劳裂纹的全寿命数学模型设置为萌生寿命、扩展寿命数学模型之和。
进一步，通过对Ⅰ型裂纹应力强度因子计算公式的反推，计算疲劳裂纹的初始尺寸和临界尺寸。
进一步，所述步骤二中的疲劳裂纹的初始尺寸和临界尺寸的计算方法包括以下步骤：
步骤Ⅰ、利用如下方程式，计算疲劳裂纹的初始尺寸a0
其中，ΔKth表示疲劳裂纹扩展阈值，对应于已有疲劳裂纹不再扩展的应力强度因子值，σr表示持久极限应力，F表示无量纲系数，主要考虑机械构件的形状因子；
步骤Ⅱ、利用如下方程式，计算疲劳裂纹的临界尺寸ac
其中，KIC表示平面应变断裂韧性，材料的固有特性，F表示无量纲系数，主要考虑机械构件的形状因子，Δσ表示名义应力幅值。
进一步，利用如下方程式，建立疲劳裂纹的扩展寿命数学模型Nc
其中，a0表示疲劳裂纹的初始尺寸，ac表示疲劳裂纹的临界尺寸，Δσ表示名义应力幅值，C、m表示材料常数，F表示无量纲系数，主要考虑机械构件的形状因子。
进一步，通过截面收缩率ψ与断裂延性εf的结合，对机械构件进行循环软化和循环硬化的分类，进而建立不同的疲劳裂纹的萌生寿命数学模型。
进一步，利用如下方程式，建立疲劳裂纹的萌生寿命数学模型Ni
其中， α＝ψεf＝-ψln(1-ψ)，E表示材料的弹性模量，n表示应变硬化指数，ψ表示断面收缩率，σb表示抗拉强度，σs表示屈服极限，Δσ表示名义应力幅值，εf表示断裂真应变即断裂延性，Kt表示应力集中因子，R表示应力比。
本发明有益的技术效果在于：
本发明通过截面收缩率和断裂延性的结合对机械构件进行循环硬化、循环软化分类，进而针对不同类型的机械构件建立不同的萌生寿命模型，使其更符合实际情况，并通过应力强度因子的反推，给出初始尺寸和临界尺寸的具体计算公式，结合帕里斯公式建立扩展寿命模型，最后通过萌生寿命模型和扩展寿命模型的求和得出全寿命模型，从而可以简便有效地完成对疲劳裂纹的全寿命预估，为机械构件的投入使用及研发设计提供指导意见，降低了研发成本，保证产品的质量，提高产品的可靠性。
附图说明
图1是本发明的疲劳裂纹的发展示意图；
图2是本发明的总体流程图；
图3是采用本发明方法对45号钢的机械构件进行全寿命预估的结果示意图，其中，三角形表示预估值，方形表示第一次实验值，圆形表示第二次实验值。
具体实施方式
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。
在机械结构设计时，裂纹的形成和扩展是需要重点考虑的一个因素，具体过程如附图1所示，疲劳裂纹一般是指结构在远低于屈服应力的循环载荷作用下形成的裂纹，疲劳裂纹萌生寿命则是指机械结构从制造完成开始服役直到出现可检裂纹时所经历的载荷循环次数，疲劳裂纹扩展寿命则是从初始裂纹尺寸发展到临界裂纹尺寸的载荷循环次数。
参照附图2，本发明提供了一种用于机械构件疲劳裂纹寿命的预估方法，适用于采用金属材料制成，且承受轴向载荷作用的机械构件，其具体包括以下步骤：
步骤一、采用等效应力法建立疲劳裂纹的萌生寿命数学模型
通过截面收缩率ψ与断裂延性εf的结合，对机械构件进行循环软化和循环硬化的分类，进而针对不同的机械构件建立不同的萌生寿命数学模型Ni。
具体方程式如下：
其中， α＝ψεf＝-ψln(1-ψ)，E表示材料的弹性模量，n表示应变硬化指数，ψ表示断面收缩率，σb表示抗拉强度，σs表示屈服极限，Δσ表示名义应力幅值，εf表示断裂真应变即断裂延性，Kt表示应力集中因子，R表示应力比。
特别地，对于塑性变化比较明显的金属材料支撑的机械构件，可用如下方程式建立其萌生寿命数学模型Ni。
其中，在缺少实验数据时，可用经验公式c＝0.47+0.1×εf进行估算。
步骤二、计算疲劳裂纹的初始尺寸和临界尺寸，并依据帕里斯经验公式，建立疲劳裂纹的扩展寿命数学模型
首先，通过对Ⅰ型裂纹应力强度因子计算公式的反推，计算疲劳裂纹的初始尺寸和临界尺寸，具体如下：
步骤Ⅰ、利用如下方程式，计算疲劳裂纹的初始尺寸a0
其中，ΔKth表示疲劳裂纹扩展阈值，对应于已有疲劳裂纹不再扩展的应力强度因子值，σr表示持久极限应力，F表示无量纲系数，它包含零件的形状和尺寸、裂纹的形状、尺寸和部位以及载荷等因素，在计算时主要考虑机械构件的形状因子；
步骤Ⅱ、利用如下方程式，计算疲劳裂纹的临界尺寸ac
其中，KIC表示平面应变断裂韧性，材料的固有特性，F表示无量纲系数，它包含零件的形状和尺寸、裂纹的形状、尺寸和部位以及载荷等因素，在计算时主要考虑机械构件的形状因子，Δσ表示名义应力幅值。
其次，利用如下方程式，建立疲劳裂纹的扩展寿命数学模型Nc
其中，a0表示疲劳裂纹的初始尺寸，ac表示疲劳裂纹的临界尺寸，Δσ表示名义应力幅值，C、m表示材料常数，F表示无量纲系数，它包含零件的形状和尺寸、裂纹的形状、尺寸和部位以及载荷等因素，在计算时主要考虑机械构件的形状因子。
步骤三、对疲劳裂纹的萌生寿命和扩展寿命数学模型进行求和运算，即可建立疲劳裂纹的全寿命数学模型Nf，即Nf＝Ni+Nc。
通过对45号钢制成的，受轴向载荷标准疲劳试样采用本发明的方法进行疲劳裂纹的全寿命预估，其计算结果与实际的实验数据非常吻合，请参照附图3，其无量纲系数F设置为1.12，通过计算α＝0.4392，属于循环软化，可通过查询工程材料手册得到如下参数，应力集中因子Kt＝2，抗拉强度σb＝624MPa,屈服强度σs＝377MPa,断面收缩率ψ＝0.55MPa,平面应变状态下的断裂韧性疲劳裂纹扩展阈值/>在应力比R为-1时，持久极限应力σr＝σ-1＝329MPa,弹性模量E＝209×103MPa，帕里斯公式参数m＝2.75,C＝9.59×109。
本发明通过截面收缩率和断裂延性的结合对机械构件进行循环硬化、循环软化分类，进而针对不同类型的机械构件建立不同的萌生寿命模型，使其更符合实际情况，并通过应力强度因子的反推，给出初始尺寸和临界尺寸的具体计算公式，结合帕里斯公式建立扩展寿命模型，最后通过萌生寿命模型和扩展寿命模型的求和得出全寿命模型，从而可以简便有效地完成对疲劳裂纹的全寿命预估，为机械构件的投入使用及研发设计提供指导意见，降低了研发成本，保证产品的质量，提高产品的可靠性。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。
Claims (4)
1.一种用于机械构件疲劳裂纹寿命的预估方法，所述机械构件采用金属材料制成，且承受轴向载荷的作用，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、采用等效应力法建立疲劳裂纹的萌生寿命数学模型；
步骤二、计算疲劳裂纹的初始尺寸和临界尺寸，并依据帕里斯经验公式，建立疲劳裂纹的扩展寿命数学模型；
步骤三、结合疲劳裂纹的萌生寿命和扩展寿命数学模型，建立疲劳裂纹的全寿命数学模型；
通过断面收缩率ψ与断裂延性εf的结合，对机械构件进行循环软化和循环硬化的分类，进而建立不同的疲劳裂纹的萌生寿命数学模型；
利用如下方程式，建立疲劳裂纹的萌生寿命数学模型Ni
其中， α＝ψεf＝-ψln(1-ψ)，E表示材料的弹性模量，n表示应变硬化指数，ψ表示断面收缩率，σb表示抗拉强度，σs表示屈服极限，△σ表示名义应力幅值，εf表示断裂真应变即断裂延性，Kt表示应力集中因子，R表示应力比；
所述步骤三中的疲劳裂纹的全寿命数学模型设置为萌生寿命、扩展寿命数学模型之和。
2.根据权利要求1所述的用于机械构件疲劳裂纹寿命的预估方法，其特征在于：通过对Ⅰ型裂纹应力强度因子计算公式的反推，计算疲劳裂纹的初始尺寸和临界尺寸。
3.根据权利要求2所述的用于机械构件疲劳裂纹寿命的预估方法，其特征在于所述步骤二中的疲劳裂纹的初始尺寸和临界尺寸的计算方法包括以下步骤：
步骤Ⅰ、利用如下方程式，计算疲劳裂纹的初始尺寸a0
其中，△Kth表示疲劳裂纹扩展阈值，对应于已有疲劳裂纹不再扩展的应力强度因子值，σr表示持久极限应力，F表示无量纲系数，考虑机械构件的形状因子；
步骤Ⅱ、利用如下方程式，计算疲劳裂纹的临界尺寸ac
其中，KIC表示平面应变断裂韧性，材料的固有特性，F表示无量纲系数，考虑机械构件的形状因子，△σ表示名义应力幅值。
4.根据权利要求3所述的用于机械构件疲劳裂纹寿命的预估方法，其特征在于：利用如下方程式，建立疲劳裂纹的扩展寿命数学模型Nc
其中，a0表示疲劳裂纹的初始尺寸，ac表示疲劳裂纹的临界尺寸，△σ表示名义应力幅值，C、m表示材料常数，F表示无量纲系数，考虑机械构件的形状因子。
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