CN111323316B - 多轴疲劳寿命预测方法以及装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种多轴疲劳寿命预测方法以及装置，该方法包括：获取待测试材料在第一周次下的第一温升值；根据所述第一温升值以及时间参数值确定所述待测试材料在所述第一周次下的第一固有耗散能；根据第一比例值、所述第一固有耗散能、轴向疲劳测试参数和切向疲劳测试参数确定所述待测试材料的多轴疲劳寿命；所述第一比例值为多轴疲劳测试的轴向应变幅和切向应变幅的比值，所述轴向疲劳测试参数用于表征所述待测试材料的轴向疲劳抗力，所述切向疲劳测试参数用于表征所述待测试材料的切向疲劳抗力，充分考虑了待测试材料的材料拉‑压疲劳抗力和扭转疲劳抗力，对不同材料的适用性更广。

Description

多轴疲劳寿命预测方法以及装置

技术领域

本公开涉及疲劳失效技术领域，具体地，涉及一种多轴疲劳寿命预测方法以及装置。

背景技术

工程实际中，在汽车、高速列车、汽轮机等领域中的大部分材料与结构实际都承受疲劳载荷，其中绝大多数的材料与结构要么直接承受多轴疲劳载荷，要么在局部缺陷、非连续部位处于多轴应力、应变状态，其最终都表现为多轴疲劳失效。鉴于多轴疲劳更接近材料与结构的真实服役工况，因此对多轴疲劳的研究就至关重要，这其中又以材料的多轴疲劳寿命预测最为核心。

目前对材料多轴疲劳寿命进行预测的方法，通常是获取材料多轴疲劳试验过程中的应力、应变状态，然后将材料多轴疲劳试验过程中的应力、应变状态等效为单轴的疲劳损伤参量，例如脆性较高的材料，将其在多轴疲劳试验过程中的应力、应变状态等效为轴向的疲劳损伤参量，韧性较高的材料，将其在多轴疲劳试验过程中的应力、应变状态等效为切向的疲劳损伤参量，然后再根据单轴疲劳试验过程中数据得到疲劳损伤参量，进而根据疲劳损伤参量得到材料多轴疲劳寿命。

但是，单轴的疲劳损伤参量只能表征轴向或切向的单轴的疲劳抗力，对一些轴向和切向疲劳抗力明显不同的材料，单轴的疲劳损伤参量不能充分考虑轴向和切向疲劳抗力对影响材料的影响，因此，对轴向和切向疲劳抗力明显不同的材料的适用性较为限制。

发明内容

本公开的目的是提供一种多轴疲劳寿命预测方法以及装置，以解决采用目前对材料多轴疲劳寿命进行预测的方法，因不能充分考虑轴向和切向疲劳抗力对材料疲劳寿命预测的影响，使其对轴向和切向疲劳抗力明显不同的材料的适用性较为限制问题。

为了实现上述目的，本公开第一方面提供一种多轴疲劳寿命预测方法，包括:

获取待测试材料在第一周次下的第一温升值；

根据所述第一温升值以及时间参数值确定所述待测试材料在所述第一周次下的第一固有耗散能；

根据第一比例值、所述第一固有耗散能、轴向疲劳测试参数和切向疲劳测试参数确定所述待测试材料的多轴疲劳寿命；所述第一比例值为多轴疲劳测试的轴向应变幅和切向应变幅的比值，所述轴向疲劳测试参数用于表征所述待测试材料的轴向疲劳抗力，所述切向疲劳测试参数用于表征所述待测试材料的切向疲劳抗力。

可选地，所述轴向疲劳测试参数包括轴向疲劳强度系数和轴向疲劳强度指数，所述轴向疲劳测试参数通过以下方式获取：

对所述待测试材料进行轴向疲劳测试，直至所述待测试材料发生疲劳失效，确定所述待测试材料的轴向疲劳寿命；

获取所述待测试材料在第二周次下的第二温升值；

根据所述第二温升值和所述时间参数值确定所述待测试材料在所述第二周次下的第二固有耗散能；

根据所述第二固有耗散能和所述轴向疲劳寿命确定所述待测试材料的轴向疲劳强度系数和轴向疲劳强度指数。

可选地，所述切向疲劳测试参数包括切向疲劳强度系数和切向疲劳强度指数，所述切向疲劳测试参数通过以下方式获取：

对所述待测试材料进行切向疲劳测试，直至所述待测试材料发生疲劳失效，确定所述待测试材料的切向疲劳寿命；

获取所述待测试材料在第三周次下的第三温升值；

根据所述第三温升值和所述时间参数值确定所述待测试材料在所述第三周次下的第三固有耗散能；

根据所述第三固有耗散能和所述切向疲劳寿命确定所述待测试材料的切向疲劳强度系数和切向疲劳强度指数。

可选地，所述方法还包括：

在所述待测试材料发生疲劳失效后，停止对所述待测试材料进行轴向疲劳测试；

获取所述待测试材料发生疲劳失效时到所述待测试材料的表面温度达到预设温度的第一时长，并在所述第一时长内根据到所述待测试材料的表面温度确定所述待测试材料的温升值与时间的对应关系；

根据所述第一时长以及所述对应关系确定所述时间参数值。

可选地，所述根据所述时间参数值、所述第一温升值确定所述第一固有耗散能包括：

根据所述第一温升值、所述第一周次的第二时长、所述时间参数值、所述待测试材料的密度和所述待测试材料的比热容确定所述第一固有耗散能。

本公开第二方面提供一种多轴疲劳寿命预测装置，包括:

温升值获取模块，用于获取待测试材料在第一周次下的第一温升值；

固有耗散能确定模块，用于根据所述第一温升值以及时间参数值确定所述待测试材料在所述第一周次下的第一固有耗散能；

多轴疲劳寿命确定模块，用于根据第一比例值、所述第一固有耗散能、轴向疲劳测试参数和切向疲劳测试参数确定所述待测试材料的多轴疲劳寿命；所述第一比例值为多轴疲劳测试的轴向应变幅和切向应变幅的比值，所述轴向疲劳测试参数用于表征所述待测试材料的轴向疲劳抗力，所述切向疲劳测试参数用于表征所述待测试材料的切向疲劳抗力。

可选地，所述轴向疲劳测试参数包括轴向疲劳强度系数和轴向疲劳强度指数，所述多轴疲劳寿命确定模块用于：

对所述待测试材料进行轴向疲劳测试，直至所述待测试材料发生疲劳失效，确定所述待测试材料的轴向疲劳寿命；

获取所述待测试材料在第二周次下的第二温升值；

根据所述第二温升值和所述时间参数值确定所述待测试材料在所述第二周次下的第二固有耗散能；

根据所述第二固有耗散能和所述轴向疲劳寿命确定所述待测试材料的轴向疲劳强度系数和轴向疲劳强度指数。

可选地，所述切向疲劳测试参数包括切向疲劳强度系数和切向疲劳强度指数，所述多轴疲劳寿命确定模块用于：

对所述待测试材料进行切向疲劳测试，直至所述待测试材料发生疲劳失效，确定所述待测试材料的切向疲劳寿命；

获取所述待测试材料在第三周次下的第三温升值；

根据所述第三温升值和所述时间参数值确定所述待测试材料在所述第三周次下的第三固有耗散能；

根据所述第三固有耗散能和所述切向疲劳寿命确定所述待测试材料的切向疲劳强度系数和切向疲劳强度指数。

可选地，所述装置还包括：

疲劳测试停止模块，用于在所述待测试材料发生疲劳失效后，停止对所述待测试材料进行轴向疲劳测试；

对应关系确定模块，用于获取所述待测试材料发生疲劳失效时到所述待测试材料的表面温度达到预设温度的第一时长，并在所述第一时长内根据到所述待测试材料的表面温度确定所述待测试材料的温升值与时间的对应关系；

参数值确定模块，用于根据所述第一时长以及所述对应关系确定所述时间参数值。

可选地，所述固有耗散能确定模块用于：

根据所述第一温升值、所述第一周次的第二时长、所述时间参数值、所述待测试材料的密度和所述待测试材料的比热容确定所述第一固有耗散能。

本公开第三方面提供一种存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现第一方面中任一项所述方法的步骤。

本公开第四方面提供一种电子设备，所述设备包括：

存储器，其上存储有计算机程序；

处理器，用于执行所述存储器中的所述计算机程序，以实现第一方面中任一项所述方法的步骤。

通过上述技术方案，能够获取待测试材料在第一周次下的第一温升值；根据该第一温升值以及时间参数值确定该待测试材料在该第一周次下的第一固有耗散能；再根据第一比例值、该第一固有耗散能、轴向疲劳测试参数和切向疲劳测试参数确定该待测试材料的多轴疲劳寿命，该第一比例值为多轴疲劳测试的轴向应变幅和切向应变幅的比值，该轴向疲劳测试参数用于表征该待测试材料的轴向疲劳抗力，该切向疲劳测试参数用于表征该待测试材料的切向疲劳抗力，充分考虑了待测试材料的材料拉-压疲劳抗力和扭转疲劳抗力，对不同材料的适用性更广。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是根据一示例性实施例示出的一种多轴疲劳寿命预测系统的结构示意图；

图2是根据一示例性实施例示出的一种多轴疲劳寿命预测方法的流程图；

图3是根据一示例性实施例示出的一种轴向疲劳测试参数确定方法的流程图；

图4是根据一示例性实施例示出的一种切向疲劳测试参数确定方法的流程图；

图5是根据一示例性实施例示出的一种单轴拉压疲劳以及纯扭转疲劳下的固有耗散能与疲劳寿命的关系示意图；

图6是根据一示例性实施例示出的一种载荷路径示意图；

图7是根据一示例性实施例示出的一种多轴疲劳寿命预测结果与实验寿命结果对比图；

图8是根据一示例性实施例示出的一种多轴疲劳寿命预测装置的框图；

图9是根据一示例性实施例示出的另一种多轴疲劳寿命预测装置的框图；

图10是根据一示例性实施例示出的一种电子设备的框图。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

图1是根据一示例性实施例示出的一种多轴疲劳寿命预测系统的结构示意图。如图1所示，如图1所示，该系统包括：控制器101、疲劳试验机102、温度传感器103以及待测试材料104。控制器101分别与疲劳试验机102和温度传感器103连接，待测试材料104分别与疲劳试验机102和温度传感器103连接。

在本实施例中，疲劳试验机102用于对待测试材料104按照固定频率循环周次进行轴向应变幅和切向应变幅的比值为第一比例值的多轴疲劳测试。示例性地，可以预先在待测试材料104表面喷涂黑色哑光漆以提高待测试材料104表面的热辐射率，并通过夹具将待测试材料104固定安装到疲劳试验机102上。

温度传感器103用于在疲劳试验机102按照超高加载频率例如20kHz 的频率循环加载应变的过程中获取待测试材料104的表面温度。可选地，温度传感器可以为红外热像仪，红外热像仪可以实现对待测试材料104实时、非接触、无损、高采样频率的温度采集。进一步地，架设红外热像仪后，调整红外热像仪位置，使待测试材料104的热成像在红外热像仪视野中。

控制器101用于根据该第一比例值和温度传感器采集的待测试材料104 的表面温度，确定该待测试材料的多轴疲劳寿命。

下面结合具体的实施例，对本发明提供的多轴疲劳寿命测试系统如何测试多轴疲劳寿命进行说明。

图2是根据一示例性实施例示出的一种多轴疲劳寿命预测方法的流程图。

如图2所示，该方法包括：

S201、获取待测试材料在第一周次下的第一温升值。

在本实施例中，控制疲劳试验机对待测试材料按照固定频率进行轴向应变幅和切向应变幅比值为第一比例值的多轴疲劳测试。并在开始多轴疲劳测试之前，控制红外热像仪采集待测试材料表面目标区域的温度的平均值，作为第一温度。

进一步地，在多轴疲劳测试开始后，采集每个循环周次下，待测试材料表面目标区域温度的平均值，作为第二温度，再根据第二温度和第一温度的差值确定在每个循环周次下，待测试材料表面目标区域的第一温升值。示例性地，该目标区域为该待测试材料表面应变最大的区域，也是该待测试材料的危险截面。

进一步地，得到每个循环周次下待测试材料表面的第一温升值后，若连续两个循环周次下待测试材料表面的第一温升值的差值小于预设阈值，将该连续两个循环周次中的任意一个循环周次作为第一周次，并获取在该第一周次下，待测试材料表面的第一温升值。

S202、根据该第一温升值以及时间参数值确定该待测试材料在该第一周次下的第一固有耗散能。

进一步地，确定在每个循环周次下待测试材料表面目标区域的第一温升值后，根据每个循环周次的时长和每个循环周次下待测试材料表面目标区域的第一温升值确定第一温升值和时间之间的对应关系，即第一温升值与时间之间的对应的函数关系。

再根据第一温升值和时间之间的对应关系、时间参数值、待测试材料的密度以及比热容确定第一固有耗散能。

示例性地，固有耗散能的计算公式如公式(1)所示：

其中，ρ和C分别为待测试材料密度与比热容；θ为温升值；d₁为固有耗散能；t为时间；τ_eq为时间参数值，是一种时间量纲的参数。示例性地，将第一周次下待测试材料表面的第一温升值代入θ，将第一温升值和时间之间的对应关系代入

且t的取值为第一周次的时长，再根据公式(1)即可计算得到第一固有耗散能。

S203、根据第一比例值、该第一固有耗散能、轴向疲劳测试参数和切向疲劳测试参数确定该待测试材料的多轴疲劳寿命。

在本实施例中，第一比例值为多轴疲劳测试的轴向应变幅和切向应变幅的比值。轴向疲劳测试参数用于表征该待测试材料的轴向疲劳抗力，切向疲劳测试参数用于表征该待测试材料的切向疲劳抗力。其中，该轴向疲劳测试参数可以通过对该待测试材料进行轴向疲劳测试获取。示例性地，该轴向疲劳测试为单轴拉压疲劳测试。该切向疲劳测试参数可以通过对该待测试材料进行切向疲劳测试获取。示例性地，该切向疲劳测试为纯扭转疲劳测试。

示例性地，多轴疲劳寿命的计算公式如公式(2)所示：

N_f,p＝(1-k)·N_f,A+k·N_f,T (2)

其中，N_f,p为多轴疲劳寿命；N_f,A为同等等效应变下轴向疲劳寿命；N_f,T为同等等效应变下的切向疲劳寿命；k作为权重系数，其取值范围为0≤k≤1，具体数值由多轴疲劳测试的轴向应变幅和切向应变幅的比值来确定，k的表达式如公式(3)所示：

其中，λ为多轴疲劳测试的轴向应变幅和切向应变幅的比值，即第一比值，其取值范围为0～∞，对应于k的取值范围从0到1。特别地，当

时 k＝0.5，其表示该多轴疲劳工况下的多轴疲劳寿命，由同等等效应变下的单轴拉-压疲劳寿命N_f,A与纯扭转疲劳寿命N_f,T的平均叠加。

而轴向疲劳抗力和切向疲劳抗力可分别用轴向疲劳测试参数和切向疲劳测试参数来表征。因此将轴向疲劳测试参数轴向疲劳强度系数和轴向疲劳强度指数、切向疲劳测试参数切向疲劳强度系数和切向疲劳强度指数代入公式(2)，即可得到如下公式：

其中，d_1,cycle为通过公式(1)计算出的第一固有耗散能。D_A和D_T分别相当于轴向疲劳强度系数和切向疲劳强度系数，L_A和L_T分别相当于轴向疲劳强度指数和切向疲劳强度指数。进一步地，D_A和L_A均为轴向疲劳测试参数，可用于表征待测试材料的轴向疲劳抗力。D_T和L_T均为切向疲劳测试参数，可用于表征待测试材料的切向疲劳抗力。D_A和L_A可通过对该待测试材料进行轴向疲劳测试获取。D_T和L_T可通过对该待测试材料进行切向疲劳测试获取。

通过上述方案，能够获取待测试材料在第一周次下的第一温升值；根据该第一温升值以及时间参数值确定该待测试材料在该第一周次下的第一固有耗散能；再根据第一比例值、该第一固有耗散能、轴向疲劳测试参数和切向疲劳测试参数确定该待测试材料的多轴疲劳寿命，该第一比例值为多轴疲劳测试的轴向应变幅和切向应变幅的比值，该轴向疲劳测试参数用于表征该待测试材料的轴向疲劳抗力，该切向疲劳测试参数用于表征该待测试材料的切向疲劳抗力，充分考虑了待测试材料的材料拉-压疲劳抗力和扭转疲劳抗力，对不同材料的适用性更广，并且将固有耗散能作为疲劳损伤参量，固有耗散能的产生伴随待测试材料的疲劳损伤演化过程，固有耗散能可以更加准确的表征疲劳损伤状态以及演化过程，因此采用本公开的方法，预测多轴疲劳寿命的精度普遍要优于单纯基于应力、应变状态的寿命预测方法。

下面结合具体的实施例，对如何获取轴向疲劳测试参数进行说明。图3 是根据一示例性实施例示出的一种轴向疲劳测试参数确定方法的流程图。如图3所示，该方法包括：

S301、对该待测试材料进行轴向疲劳测试，直至该待测试材料发生疲劳失效，确定该待测试材料的轴向疲劳寿命。

在本实施例中，对该待测试材料进行轴向疲劳测试时，该轴向疲劳测试的第一应变幅大于该待测试材料的轴向疲劳极限对应的应变幅，以确保该待轴向疲劳测试时，该待测试材料能够发生疲劳失效，并确定该待测试材料的第一轴向疲劳寿命。

S302、获取该待测试材料在第二周次下的第二温升值。

示例性地，在开始对该待测试材料进行轴向疲劳测试之前，控制红外热像仪采集待测试材料表面目标区域的温度的平均值，作为第三温度。并在轴向疲劳测试开始后，采集每个循环周次下，待测试材料表面目标区域的温度的平均值，作为第四温度，再根据第四温度和第三温度的差值确定在每个循环周次下，待测试材料表面目标区域的第二温升值。示例性地，该目标区域为该待测试材料表面应变最大的区域，也是该待测试材料的危险截面。

进一步地，得到每个循环周次下待测试材料表面的第二温升值后，若连续两个循环周次下待测试材料表面的第二温升值的差值小于预设阈值，将该连续两个循环周次中的任意一个循环周次作为第二周次，并获取在该第二周次下，待测试材料表面的第二升值。

S303、在该待测试材料发生疲劳失效后，停止对该待测试材料进行轴向疲劳测试；

S304、获取该待测试材料发生疲劳失效时到该待测试材料的表面温度下降到预设温度的第一时长，并在该第一时长内根据到该待测试材料的表面温度确定该待测试材料的温升值与时间的对应关系；

S305、根据该第一时长以及该对应关系确定该时间参数值。

示例性地，停止对该待测试材料进行轴向疲劳测试后，待测试材料内部不再发生塑性应变，此时待测试材料的固有耗散能为0，待测试材料表面的温度下降完全由待测试材料与外界环境的热交换造成，因此在疲劳试验停止后，根据公式(1)得到的固有耗散能在时间上的积分为0，积分的运算公式如下：

其中，R(τ_eq)为固有耗散能在第一时长内二次的积分，R(τ_eq)是关于t的函数。并且由待测试材料的温升值与时间的对应关系可以得到

和θ。再将

带入到公式(1)，并对公式(1)对时间进行二次积分即可得到R(τ_eq)。

在公式(5)中，Γ为该待测试材料发生疲劳失效时到该待测试材料的表面温度下降到预设温度的第一时长，该预设温度为第三温度。

进一步地，由于疲劳试验停止后，固有耗散能在时间上的积分为0，因此

为0，而时间参数值τ_eq的取值为τ_opt时，

为0，因此时间参数值τ_eq的取值为τ_opt。

S306、根据该第二温升值和该时间参数值确定该材料在该第二周次下的第二固有耗散能。

进一步地，确定时间参数值τ_eq的取值为τ_opt后，再将第二温升值、τ_opt、

以及第二周次的时长代入公式(1)中即可得到第二周次下的第二固有耗散能。

S307、根据该第二固有耗散能和该轴向疲劳寿命确定该待测试材料的轴向疲劳强度系数和轴向疲劳强度指数。

进一步地，根据从对待测试材料开始进行轴向疲劳测试时直至待测试材料发生疲劳失效时，循环周次总共的次数即为在该第一应变幅下，该待测试材料的第一轴向疲劳寿命。

示例性地，根据预设增量幅值增加第一应变幅的幅值，得到第二应变幅值，再根据该第二应变幅值对该待测试材料开始进行轴向疲劳测试，直至发生疲劳失效，确定该待测试材料的第二轴向疲劳寿命，并且按照同样的方式，计算在第二应变幅值下的第二固有耗散能。

依次类推，直至按照第五应变幅值对该待测试材料开始进行轴向疲劳测试，直至发生疲劳失效，确定该待测试材料的第五轴向疲劳寿命，并且计算在第五应变幅值下的第二固有耗散能。再将第一至第五应变幅值下的第二固有耗散能与第一至第五轴向疲劳寿命在预设坐标系中进行拟合，得到的曲线如公式(6)所示：

其中，d_1,A为第二固有耗散能，拟合常数D_A即为轴向疲劳强度系数，拟合指数L_A即为轴向疲劳强度指数。

通过上述方案，能够对该待测试材料进行轴向疲劳测试，并在待测试材料发生疲劳失效后，确定时间参数值，再根据时间参数值确定第二固有耗散能，进而根据第二固有耗散能与轴向疲劳寿命的对应关系确定待测试材料的轴向疲劳强度系数和轴向疲劳强度指数。

下面结合具体的实施例，对如何获取切向疲劳测试参数进行说明。图4 是根据一示例性实施例示出的一种切向疲劳测试参数确定方法的流程图。如图4所示，该方法包括：

S401、对该待测试材料进行切向疲劳测试，直至该待测试材料发生疲劳失效，确定该待测试材料的切向疲劳寿命。

在本实施例中，对该待测试材料进行切向疲劳测试时，该切向疲劳测试的第一应变幅大于该待测试材料的切向疲劳极限对应的应变幅，以确保该待切向疲劳测试时，该待测试材料能够发生疲劳失效，并确定该待测试材料的第一切向疲劳寿命。

S402、获取该待测试材料在第三周次下的第三温升值；

示例性地，在开始对该待测试材料进行切向疲劳测试之前，控制红外热像仪采集待测试材料表面目标区域的温度的平均值，作为第五温度。并在轴向疲劳测试开始后，采集每个循环周次下，待测试材料表面目标区域的温度的平均值，作为第六温度，再根据第六温度和第五温度的差值确定在每个循环周次下，待测试材料表面目标区域的第三温升值。示例性地，该目标区域为该待测试材料表面应变最大的区域，也是该待测试材料的危险截面。

进一步地，得到每个循环周次下待测试材料表面的第三温升值后，若连续两个循环周次下待测试材料表面的第三温升值的差值小于预设阈值，将该连续两个循环周次中的任意一个循环周次作为第三周次，并获取在该第三周次下，待测试材料表面的第三温升值。

S403、根据该第三温升值和该时间参数值确定该待测试材料在该第三周次下的第三固有耗散能。

进一步地，确定在每个循环周次下待测试材料表面目标区域的第三温升值后，根据每个循环周次的时长和每个循环周次下待测试材料表面目标区域的第三升值确定第三温升值和时间之间的对应关系，即第三温升值与时间之间的对应的函数关系。

示例性地，根据S304步骤中确定时间参数值τ_eq的取值为τ_opt后，将τ_opt、第三温升值、第三温升值与时间之间的对应的函数关系代入公式(1)中，即可计算得到该第三周次下的第三固有耗散能。

S404、根据该第三固有耗散能和该切向疲劳寿命确定该待测试材料的切向疲劳强度系数和切向疲劳强度指数。

进一步地，根据从对待测试材料开始进行切向疲劳测试时直至待测试材料发生疲劳失效时，对该待测试材料开始进行切向疲劳测试循环周次的次数即为在该第一应变幅下，该待测试材料的第一切向疲劳寿命。

示例性地，根据预设增量幅值增加第一应变幅的幅值，得到第二应变幅值，再根据该第二应变幅值对该待测试材料开始进行切向疲劳测试，直至发生疲劳失效，确定该待测试材料的第二切向疲劳寿命，并且按照同样的方式，计算在第二应变幅值下的第三固有耗散能。

依次类推，直至按照第五应变幅值对该待测试材料开始进行切向疲劳测试，直至发生疲劳失效，确定该待测试材料的第五切向疲劳寿命，并且计算在第五应变幅值下的第三固有耗散能。再将第一至第五应变幅值下的第三固有耗散能与第一至第五切向疲劳寿命在预设坐标系中进行拟合，得到的曲线如公式(7)所示：

其中，d_1,T第三固有耗散能，拟合常数D_T即为切向疲劳强度系数，拟合指数L_T即为切向疲劳强度指数。

通过上述方案，能够对该待测试材料进行切向疲劳测试，并确定切向疲劳测试过程中第三周次下的第三固有耗散能，进而根据第三固有耗散能与切向疲劳寿命的对应关系确定待测试材料的切向疲劳强度系数和切向疲劳强度指数。

为了更具体说明本发明方法的具体实施方式，下面以该待测试材料一组 316L不锈钢为例，对本发明如何预测多轴疲劳寿命进行说明。

首先对该316L不锈钢试样表面喷涂黑色哑光漆，提高该试样表面的热辐射率，以确保红外热像仪温度采集的准确性。架设红外热像仪，调整红外热像仪的位置，使该试样平行段正好呈像于红外热像仪视野中。进一步地，对红外热像仪进行非均匀矫正，并设置红外热像仪温度采集范围以及采样频率。

其次选择合适的加载应变幅值，进行一组包含5个不同应变幅值的单轴拉压疲劳测试，以及一组包含5个不同应变幅值的纯扭转疲劳测试。在每个疲劳测试过程中，先开启热像仪采集温度接着再开始疲劳测试，对试样在疲劳测试过程中的温度场数据进行实时采集。当试样发生疲劳失效后，疲劳试验结束，等试样温度冷却到室温附近时，停止热像仪的温度采集。

根据疲劳试验中采集的温度场数据，采用公式(1)计算所有单轴拉压疲劳测试的第二固有耗散能以及纯扭转疲劳测试的第三固有耗散能。

将多个第二固有耗散能与轴向疲劳寿命一一对应，并将多个第三固有耗散能与切向疲劳寿命一一对应，按照公式(6)和公式(7)的形式，分别建立单轴拉压疲劳以及纯扭转疲劳下的固有耗散能与疲劳寿命方程：

d_1,A＝2.34×10⁸·(N_A)^-0.53 (8)

d_1,T＝1.50×10⁸·(N_T)^-0.42 (9)

即拟合常数D_A＝2.34×10⁸、D_T＝1.50×10⁸，拟合指数L_A＝-0.53、L_T＝-0.42，其拟合关系如图5所示，图5是根据一示例性实施例示出的一种单轴拉压疲劳以及纯扭转疲劳下的固有耗散能与疲劳寿命的关系示意图。将D_A、D_T、 L_A和L_T代入到公式(4)中，可以得到该材料的基于耗散能的多轴疲劳寿命计算公式：

其中权重系数

只与多轴疲劳测试的轴向应变幅和切向应变幅的比值λ相关。对待测试材料进行多轴疲劳寿命预测时，其轴向应变幅和切向应变幅的比值λ是确定的，只要再确定对该待测试材料进行多轴疲劳测试时，第一周次下的第一固有耗散能d_1,cycle，代入到公式(10)中，即可评估出该多轴疲劳测试条件下的多轴疲劳寿命。接下来对通过公式(10)预测多轴寿命的准确性进行验证。

在本实施例中，对该待测材料进行疲劳测试验证公式(10)的准确性时，除了单轴拉压载荷路径以及纯扭转载荷路径以外，另选取了三种多轴载荷路径，分别为比例载荷路径、45°非比例载荷路径以及90°非比例载荷路径，所有5种载荷路径如图6所示。图6是根据一示例性实施例示出的一种载荷路径示意图。对每种载荷路径分别选取5～6个不同的加载应变幅进行疲劳测试，同时采集疲劳过程中的试样表面温度变化，采用公式(1)来计算第一周次下的第一固有耗散能。

采用本发明的方法对5种载荷路径下的多轴疲劳寿命的预测结果，与试验寿命对比关系如图7所示。图7是根据一示例性实施例示出的一种多轴疲劳寿命预测结果与实验寿命结果对比图。图中黑色对角直线代表根据与试验得到多轴疲劳寿命相等的理想结果，虚线表示根据公式(10)预测出的多轴疲劳寿命与试验得到多轴疲劳寿命在2倍因子范围，两条虚线包含的范围表示根据公式(10)预测出的多轴疲劳寿命为试验得到的多轴疲劳寿命的0.5 倍～2倍。图7的数据点表示公式(10)预测出的不同载荷路径下的多轴疲劳寿命。当数据点落到虚线范围内则表示根据公式(10)预测出的疲劳寿命的结果较为理想。由图7可知，所有的数据点都落在2倍因子范围以内，绝大多数数据点都非常靠近直线，甚至落在直线上，因此通过本发明的方法预测多轴疲劳寿命结果的精度非常高。

图8是根据一示例性实施例示出的一种多轴疲劳寿命预测装置的框图。如图8所示，该装置80包括：

温升值获取模块801，用于获取待测试材料在第一周次下的第一温升值；

固有耗散能确定模块802，用于根据该第一温升值以及时间参数值确定该待测试材料在该第一周次下的第一固有耗散能；

多轴疲劳寿命确定模块803，用于根据第一比例值、该第一固有耗散能、轴向疲劳测试参数和切向疲劳测试参数确定该待测试材料的多轴疲劳寿命；该第一比例值为多轴疲劳测试的轴向应变幅和切向应变幅的比值，该轴向疲劳测试参数用于表征该待测试材料的轴向疲劳抗力，该切向疲劳测试参数用于表征该待测试材料的切向疲劳抗力。

可选地，该轴向疲劳测试参数包括轴向疲劳强度指数和轴向疲劳强度系数，该多轴疲劳寿命确定模块803用于：

对该待测试材料进行轴向疲劳测试，直至该待测试材料发生疲劳失效，确定该待测试材料的轴向疲劳寿命；

获取该待测试材料在第二周次下的第二温升值；

根据该第二温升值和该时间参数值确定该待测试材料在该第二周次下的第二固有耗散能；

根据该第二固有耗散能和该轴向疲劳寿命确定该待测试材料的轴向疲劳强度指数和轴向疲劳强度系数。

可选地，该切向疲劳测试参数包括切向疲劳强度指数和切向疲劳强度系数，该多轴疲劳寿命确定模块803用于：

对该待测试材料进行切向疲劳测试，直至该待测试材料发生疲劳失效，确定该待测试材料的切向疲劳寿命；

获取该待测试材料在第三周次下的第三温升值；

根据该第三温升值和该时间参数值确定该待测试材料在该第三周次下的第三固有耗散能；

根据该第三固有耗散能和该切向疲劳寿命确定该待测试材料的切向疲劳强度指数和切向疲劳强度系数。

可选地，图9是根据图8所示实施例示出的一种多轴疲劳寿命预测装置的框图，如图9所示，该装置80还包括：

疲劳测试停止模块804，用于在该待测试材料发生疲劳失效后，停止对该待测试材料进行轴向疲劳测试；

对应关系确定模块805，用于获取该待测试材料发生疲劳失效时到该材料的表面温度达到预设温度的第一时长，并在该第一时长内根据到该待测试材料的表面温度确定该待测试材料的温升值与时间的对应关系；

参数值确定模块806，用于根据该第一时长以及该对应关系确定该时间参数值。

可选地，该固有耗散能确定802模块用于：

根据所述第一温升值、该第一周次的第二时长、该时间参数值、该待测试材料的密度和该待测试材料的比热容确定该第一固有耗散能。

通过上述装置，能够获取待测试材料在第一周次下的第一温升值；根据该第一温升值以及时间参数值确定该待测试材料在该第一周次下的第一固有耗散能；再根据第一比例值、该第一固有耗散能、轴向疲劳测试参数和切向疲劳测试参数确定该待测试材料的多轴疲劳寿命，该第一比例值为多轴疲劳测试的轴向应变幅和切向应变幅的比值，该轴向疲劳测试参数用于表征该待测试材料的轴向疲劳抗力，该切向疲劳测试参数用于表征该待测试材料的切向疲劳抗力，充分考虑了待测试材料的材料拉-压疲劳抗力和扭转疲劳抗力，对不同材料的适用性更广。

关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

图10是根据一示例性实施例示出的一种电子设备1000的框图。参照图 10，电子设备1000包括处理器1022，其数量可以为一个或多个，以及存储器1032，用于存储可由处理器1022执行的计算机程序。存储器1032中存储的计算机程序可以包括一个或一个以上的每一个对应于一组指令的模块。此外，处理器1022可以被配置为执行该计算机程序，以执行上述的一种多轴疲劳寿命预测方法。

另外，电子设备1000还可以包括电源组件1026和通信组件1050，该电源组件1026可以被配置为执行电子设备900的电源管理，该通信组件050 可以被配置为实现电子设备1000的通信，例如，有线或无线通信。此外，该电子设备1000还可以包括输入/输出(I/O)接口1058。电子设备1000可以操作基于存储在存储器1032的操作系统，例如WindowsServerTM，Mac OS XTM，UnixTM，LinuxTM等等。

在另一示例性实施例中，还提供了一种包括程序指令的计算机可读存储介质，该程序指令被处理器执行时实现上述的一种多轴疲劳寿命预测方法的步骤。例如，该计算机可读存储介质可以为上述包括程序指令的存储器1032，上述程序指令可由电子设备1000的处理器1022执行以完成上述的一种多轴疲劳寿命预测方法。

在另一示例性实施例中，还提供一种计算机程序产品，该计算机程序产品包含能够由可编程的装置执行的计算机程序，该计算机程序具有当由该可编程的装置执行时用于执行上述的一种多轴疲劳寿命预测方法的代码部分。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (6)

1.一种多轴疲劳寿命测试方法，其特征在于，包括:

获取待测试材料在第一周次下的第一温升值；

根据所述第一温升值以及时间参数值确定所述待测试材料在所述第一周次下的第一固有耗散能；

根据第一比例值、所述第一固有耗散能、轴向疲劳测试参数和切向疲劳测试参数确定所述待测试材料的多轴疲劳寿命；所述第一比例值为多轴疲劳测试的轴向应变幅和切向应变幅的比值，所述轴向疲劳测试参数用于表征所述待测试材料的轴向疲劳抗力，所述切向疲劳测试参数用于表征所述待测试材料的切向疲劳抗力；

所述轴向疲劳测试参数包括轴向疲劳强度系数和轴向疲劳强度指数，所述轴向疲劳测试参数通过以下方式获取：

对所述待测试材料进行轴向疲劳测试，直至所述待测试材料发生疲劳失效，确定所述待测试材料的轴向疲劳寿命；

获取所述待测试材料在第二周次下的第二温升值；

根据所述第二温升值和所述时间参数值确定所述待测试材料在所述第二周次下的第二固有耗散能；

根据所述第二固有耗散能和所述轴向疲劳寿命确定所述待测试材料的轴向疲劳强度系数和轴向疲劳强度指数；

所述切向疲劳测试参数包括切向疲劳强度系数和切向疲劳强度指数，所述切向疲劳测试参数通过以下方式获取：

对所述待测试材料进行切向疲劳测试，直至所述待测试材料发生疲劳失效，确定所述待测试材料的切向疲劳寿命；

获取所述待测试材料在第三周次下的第三温升值；

根据所述第三温升值和所述时间参数值确定所述待测试材料在所述第三周次下的第三固有耗散能；

根据所述第三固有耗散能和所述切向疲劳寿命确定所述待测试材料的切向疲劳强度系数和切向疲劳强度指数；

所述多轴疲劳寿命的计算公式为：

其中，N_f,p为所述多轴疲劳寿命，k为权重系数，且k是由所述轴向应变幅和所述切向应变幅的比值确定的，d_1,cycle为所述第一固有耗散能，D_A和D_T分别相当于所述轴向疲劳强度系数和所述切向疲劳强度系数，L_A和L_T分别相当于所述轴向疲劳强度指数和所述切向疲劳强度指数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述待测试材料发生疲劳失效后，停止对所述待测试材料进行轴向疲劳测试；

获取所述待测试材料发生疲劳失效时到所述待测试材料的表面温度达到预设温度的第一时长，并在所述第一时长内根据到所述待测试材料的表面温度确定所述待测试材料的温升值与时间的对应关系；

根据所述第一时长以及所述对应关系确定所述时间参数值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述时间参数值、所述第一温升值确定所述第一固有耗散能包括：

根据所述第一温升值、所述第一周次的第二时长、所述时间参数值、所述待测试材料的密度和所述待测试材料的比热容确定所述第一固有耗散能。

4.一种多轴疲劳寿命测试装置，其特征在于，包括:

温升值获取模块，用于获取待测试材料在第一周次下的第一温升值；

固有耗散能确定模块，用于根据所述第一温升值以及时间参数值确定所述待测试材料在所述第一周次下的第一固有耗散能；

多轴疲劳寿命确定模块，用于根据第一比例值、所述第一固有耗散能、轴向疲劳测试参数和切向疲劳测试参数确定所述待测试材料的多轴疲劳寿命；所述第一比例值为多轴疲劳测试的轴向应变幅和切向应变幅的比值，所述轴向疲劳测试参数用于表征所述待测试材料的轴向疲劳抗力，所述切向疲劳测试参数用于表征所述待测试材料的切向疲劳抗力；

所述轴向疲劳测试参数包括轴向疲劳强度系数和轴向疲劳强度指数，所述多轴疲劳寿命确定模块用于：

对所述待测试材料进行轴向疲劳测试，直至所述待测试材料发生疲劳失效，确定所述待测试材料的轴向疲劳寿命；

获取所述待测试材料在第二周次下的第二温升值；

根据所述第二温升值和所述时间参数值确定所述待测试材料在所述第二周次下的第二固有耗散能；

根据所述第二固有耗散能和所述轴向疲劳寿命确定所述待测试材料的轴向疲劳强度系数和轴向疲劳强度指数；

所述切向疲劳测试参数包括切向疲劳强度系数和切向疲劳强度指数，所述多轴疲劳寿命确定模块用于：

对所述待测试材料进行切向疲劳测试，直至所述待测试材料发生疲劳失效，确定所述待测试材料的切向疲劳寿命；

获取所述待测试材料在第三周次下的第三温升值；

根据所述第三温升值和所述时间参数值确定所述待测试材料在所述第三周次下的第三固有耗散能；

根据所述第三固有耗散能和所述切向疲劳寿命确定所述待测试材料的切向疲劳强度系数和切向疲劳强度指数；

所述多轴疲劳寿命的计算公式为：

其中，N_f,p为所述多轴疲劳寿命，k为权为系数，且k是由所述轴向应变幅和所述切向应变幅的比值确定的，d_1,cycle为所述第一固有耗散能， D_A和D_T分别相当于所述轴向疲劳强度系数和所述切向疲劳强度系数，L_A和L_T分别相当于所述轴向疲劳强度指数和所述切向疲劳强度指数。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

疲劳测试停止模块，用于在所述待测试材料发生疲劳失效后，停止对所述待测试材料进行轴向疲劳测试；

对应关系确定模块，用于获取所述待测试材料发生疲劳失效时到所述待测试材料的表面温度达到预设温度的第一时长，并在所述第一时长内根据到所述待测试材料的表面温度确定所述待测试材料的温升值与时间的对应关系；

参数值确定模块，用于根据所述第一时长以及所述对应关系确定所述时间参数值。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述固有耗散能确定模块用于：

根据所述第一温升值、所述第一周次的第二时长、所述时间参数值、所述待测试材料的密度和所述待测试材料的比热容确定所述第一固有耗散能。

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