CN111680436B - 基于主载荷模式的缺口件疲劳寿命预测方法及预测装置 - Google Patents

基于主载荷模式的缺口件疲劳寿命预测方法及预测装置 Download PDF

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CN111680436B CN202010388543.0A CN202010388543A CN111680436B CN 111680436 B CN111680436 B CN 111680436B CN 202010388543 A CN202010388543 A CN 202010388543A CN 111680436 B CN111680436 B CN 111680436B
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Abstract

本发明公开一种基于主载荷模式的缺口件疲劳寿命预测方法及预测装置，包括：建立缺口件的有限元模型；对缺口件的有限元模型的网格数进行收敛性分析；采用多轴循环计数算法计数所有的反复；通过材料的循环应力应变关系和Neuber法推导出虚拟等效应变与真实等效应力之间的关系；分别将拉伸型和剪切型Shang‑Wang多轴疲劳损伤参数替换虚拟等效应变幅来求解临界面上的真实等效应力幅；通过真实等效应力幅和Neuber法则来计算临界面上真实的拉压和剪切等效应变幅，并运用Manson‑Coffin方程来分别计算缺口部件的拉压和剪切疲劳寿命；选择拉压和剪切疲劳损伤值中的较大值作为每个计数反复的疲劳损伤，并采用Miner法则来进行疲劳损伤累积并预测疲劳寿命。

Description

基于主载荷模式的缺口件疲劳寿命预测方法及预测装置
技术领域
本发明涉及多轴疲劳强度理论领域，具体地说，涉及基于主载荷模式的缺口件疲劳寿命预测方法及预测装置。
背景技术
光刻机作为大规模集成电路的生产制造设备，其发展程度直接影响着半导体芯片的集成度及性能，因此光刻机的研发受到国家的高度重视。光刻机结构中存在大量的几何不连续的部位，如螺纹、键槽、油孔等，这使得构件截面尺寸发生突发变化。并且，这些结构部位通常是在多轴变幅载荷的作用下工作的，多轴疲劳破坏是其主要的破坏形式。目前，局部应力应变法可以较为成熟地应用于单轴缺口疲劳寿命预测。但是对于承受多种载荷作用的多轴缺口疲劳研究，其研究成果还很不成熟。特别是对于多轴变幅非比例载荷作用下缺口部件的疲劳问题，至今还没有较为成熟的疲劳寿命预测方法。
多轴疲劳问题相比单轴疲劳问题复杂的最大原因在于材料的多轴非比例疲劳行为。在多轴非比例加载过程中主应变/应力轴发生旋转，这导致材料微观结构和滑移系发生变化，表现出在单轴或多轴比例加载过程中都不存在的非比例附加循环强化现象。非比例附加强化现象使得材料的循环本构关系变得复杂，也使得多轴非比例加载下的疲劳寿命估算变得困难。因此，为了保证机械结构安全可靠地运行，防止突发性地疲劳破坏带来的经济和财产损失，研究适合工程应用的多轴变幅载荷下缺口件的疲劳寿命预测方法具有重要的理论意义和工程应用价值。
发明内容
本发明的基于主载荷模式的缺口件疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：
利用有限元方法建立缺口件有限元模型并划分网格；
利用有限元方法对缺口件有限元模型施加约束和载荷，获得缺口区域的虚拟应变历程eεij(t)；
利用Wang-Brown多轴循环计数算法获得总的循环计数n；
对应每个循环计数，进行拉伸型缺口件疲劳寿命预测，获得循环载荷产生的拉伸疲劳损伤值Dε；
对应每个循环计数，进行剪切型缺口件疲劳寿命预测，获得循环载荷产生的剪切疲劳损伤值Dγ；
对应每个循环计数，如果Dε≥Dγ，则选择拉伸型疲劳损伤模型估算疲劳损伤；如果Dε＜Dγ，则选择剪切型疲劳损伤模型估算疲劳损伤。
优选地，拉伸型疲劳损伤模型和剪切型疲劳损伤模型估算疲劳损伤的判定公式如下；
Figure SMS_1
其中，
Figure SMS_2
是临界面上的真实等效正应变幅；
Figure SMS_3
是临界面上的真实等效剪切应变幅；
σ′f，ε′f，b，和c分别是疲劳强度系数，疲劳延性系数，疲劳强度指数和疲劳延性指数，
Figure SMS_4
Nfε是拉伸疲劳寿命；
其中，τ′f是剪切疲劳强度系数；
γ′f是剪切疲劳延性系数；
b0是剪切疲劳强度指数；
c0是剪切疲劳延性指数；
Figure SMS_5
b0＝b，c0＝c，
σ′f、ε′f、b和c分别是拉伸疲劳强度系数，拉伸疲劳延性系数，拉伸疲劳强度指数和拉伸疲劳延性指数；
Figure SMS_6
Figure SMS_7
是剪切疲劳寿命；
G是剪切模量；
E是弹性模量。
优选地，还包括获得每个循环计数的疲劳损伤Di，Di＝Dε或Dγ；
利用Miner线性疲劳损伤累积理论，计算总的累积疲劳损伤Dtotal：
Figure SMS_8
其中n为总的循环计数；
确定疲劳失效需要的载荷块数Nblock，Nblock的表达式如下：
Figure SMS_9
优选地，对应每个循环计数，进行拉伸型缺口件疲劳寿命预测的步骤包括：
通过虚拟应变历程eεij(t)计算拉伸型Shang-Wang多轴疲劳损伤参数
Figure SMS_10
其公式如下：
Figure SMS_11
其中，Δeγmax/2是最大剪切平面上的虚拟剪切应变幅；
Figure SMS_12
是临界面上相邻最大剪切应变折返点之间的虚拟正应变变程，在比例多轴循环载荷下，拉伸型Shang-Wang多轴疲劳损伤参数/>
Figure SMS_13
等价于虚拟等效正应变幅/>
Figure SMS_14
通过使用拉伸型Neuber法和材料的循环应力应变关系确定拉伸型虚拟等效正应变与真实等效应力的关系；
拉伸型Neuber法则：
Figure SMS_15
其中，
Figure SMS_16
E是弹性模量，
e和N分别表示缺口处的虚拟量和真实量；
Figure SMS_17
是虚拟等效正应力幅，/>
Figure SMS_18
是虚拟等效正应变幅；
Figure SMS_19
是真实等效正应力幅，/>
Figure SMS_20
是真实等效正应变幅；
材料拉伸型的循环应力应变关系如下：
Figure SMS_21
其中，n′和K′分别是循环应变硬化指数和强度系数；
通过方程5和方程6确定拉伸型虚拟等效应变与真实等效应力关系如下：
Figure SMS_22
采用临界面上的Shang-Wang多轴疲劳损伤参量
Figure SMS_23
替换虚拟等效正应变幅
Figure SMS_24
来考虑载荷引起的非比例附加强化，其公式如下：
Figure SMS_25
通过式8求解临界面上的真实等效正应力幅
Figure SMS_26
通过计算得到临界面上的真实等效正应力幅
Figure SMS_27
和拉伸型Neuber法则来计算临界面上的真实等效正应变幅/>
Figure SMS_28
其公式如下：
Figure SMS_29
运用Manson-Coffin方程来计算缺口部件的疲劳寿命，并进而得到循环载荷产生的拉伸疲劳损伤值Dε，
Figure SMS_30
其中，σ′f，ε′f，b，和c分别是疲劳强度系数，疲劳延性系数，疲劳强度指数和疲劳延性指数，
Figure SMS_31
Nfε是拉伸疲劳寿命。
优选地，对应每个循环计数，进行剪切型缺口件疲劳寿命预测包括以下步骤：
通过虚拟应变历程eεij(t)计算剪切型Shang-Wang多轴疲劳损伤参数，表达式如下：
Figure SMS_32
在比例多轴循环载荷下，剪切型Shang-Wang多轴疲劳损伤参数
Figure SMS_33
等价为虚拟等效剪切应变/>
Figure SMS_34
使用剪切型Neuber法和材料的循环应力应变关系来确定剪切型虚拟等效剪切应变与真实等效应力关系；
剪切型Neuber法则：
Figure SMS_35
其中，
Figure SMS_36
G是剪切模量；
Figure SMS_37
是虚拟等效剪切应力幅，/>
Figure SMS_38
是虚拟等效剪切应变幅；
Figure SMS_39
是真实等效剪切应力幅，/>
Figure SMS_40
是真实等效剪切应变幅；
材料剪切型的循环应力应变关系如下：
Figure SMS_41
其中，n′0和K′0分别是剪切循环应变硬化指数和强度系数，n′0＝n′，
Figure SMS_42
n′和K′分别是拉伸循环应变硬化指数和强度系数；
通过方程12和方程13确定虚拟等效剪切应变与真实等效应力关系如下：
Figure SMS_43
对于虚拟应变历程，采用临界面上的剪切型Shang-Wang多轴疲劳损伤参量
Figure SMS_44
替换虚拟等效剪切应变幅/>
Figure SMS_45
来考虑载荷引起的非比例附加强化，由此得到公式15，
Figure SMS_46
通过式15求解临界面上的真实等效剪切应力幅
Figure SMS_47
通过临界面上的真实等效剪切应力幅
Figure SMS_48
和剪切型Neuber法则来计算临界面上的真实等效剪切应变幅/>
Figure SMS_49
Figure SMS_50
通过运用Manson-Coffin方程来计算缺口部件的疲劳寿命并进而得到循环载荷产生的剪切疲劳损伤值Dγ：
Figure SMS_51
其中，τ′f是剪切疲劳强度系数；
γ′f是剪切疲劳延性系数；
b0是剪切疲劳强度指数；
c0是剪切疲劳延性指数；
Figure SMS_52
b0＝b，c0＝c，
σ′f、ε′f、b和c分别是拉伸疲劳强度系数，拉伸疲劳延性系数，拉伸疲劳强度指数和拉伸疲劳延性指数；
Figure SMS_53
Figure SMS_54
是剪切疲劳寿命。
优选地，对缺口件有限元模型施加的载荷包括拉压、扭转、弯扭载荷中的任一种或多种。
优选地，通过虚拟应变历程eεij(t)计算剪切型Shang-Wang多轴疲劳损伤参数的过程中，首先通过虚拟应变历程eεij(t)来确定临界面上的虚拟剪切应变历程eγ(t)和虚拟法向应变历程eεn(t)，然后再由临界面上的虚拟剪切应变历程eγ(t)和虚拟法向应变历程eεn(t)来确定临界面上的虚拟正应变变程
Figure SMS_55
和虚拟剪切应变范围Δeγmax。
优选地，在Wang-Brown的多轴循环计数算法中，包括以下步骤：
将整个载荷历程的最大von Mises等效应变点定义为初始参考点，对载荷谱进行重新排列，计算得到各点相对于初始参考点的等效相对应变；
一旦该等效相对应变开始下降，就将初始参考点到等效相对应变出现下降点之间的载荷计数为半循环，同时将该下降点定义为新的初始参考点，如此重复，最终确定整个载荷历程的所有计数反复作为总的循环计数n。
优选地，von Mises等效应变的计算公式为：
Figure SMS_56
其中，veff为有效泊松比；
εx(t)、εy(t)、εｚ(t)分别是t时刻对应坐标轴的正应变；
γxy(t)、γyz(t)、γxz(t)分别是t时刻对应坐标轴的剪切应变，
t时刻相对于tr时刻的相对等效应变
Figure SMS_57
的计算公式为：
Figure SMS_58
其中，公式3中相对应变εr x(t)，εr y(t)，εr z(t)，
Figure SMS_59
的计算表达式分别为：εr x(t)＝εx(t)-εx(tr)，εr y(t)＝εy(t)-εy(tr)，εr z(t)＝εｚ(t)-εｚ(tr)，
Figure SMS_60
εx(tr)、εy(tr)、εz(tr)分别是tr时刻对应坐标轴的正应变；
γxy(tr)、γyz(tr)、γxz(tr)分别是tr时刻对应坐标轴的剪切应变。
本发明还提供一种基于主载荷模式的缺口件疲劳寿命预测装置，包括：
虚拟应变历程获取模块，利用有限元方法建立缺口件有限元模型并划分网格，利用有限元方法对缺口件有限元模型施加约束和载荷，获得缺口区域的虚拟应变历程eεij(t)，
循环计数获取模块，利用Wang-Brown多轴循环计数算法获得总的循环计数n；
疲劳损伤模型确定模块，对应每个循环计数，进行拉伸型缺口件疲劳寿命预测，获得循环载荷产生的拉伸疲劳损伤值Dε；
对应每个循环计数，进行剪切型缺口件疲劳寿命预测，获得循环载荷产生的剪切疲劳损伤值Dγ；
对应每个循环计数，如果Dε≥Dγ，则选择拉伸型疲劳损伤模型估算疲劳损伤；如果Dε＜Dγ，则选择剪切型疲劳损伤模型估算疲劳损伤。
本发明具有以下有益效果
1)对于多轴载荷作用下的缺口件，提出的方法能够考虑外载引起的非比例附加强化效应，疲劳寿命预测的精度更高；
2)提出的基于主载荷模式的缺口件疲劳寿命预测方法不包含经验常数，便于工程应用；
3)将剪切型Neuber法与临界面法相结合来预测多轴疲劳寿命取得了较好的预测效果。
附图说明
通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。
图1是表示本发明实施例的基于主载荷模式的缺口件疲劳寿命预测方法的步骤示意图；
图2是表示缺口件的示意图。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明所述的基于主载荷模式的缺口件疲劳寿命预测方法及预测装置的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。
本实施例的基于主载荷模式的缺口件疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：
步骤S1)：利用有限元方法建立缺口件有限元模型，并划分网格；
步骤S2)：对所述缺口件有限元模型的网格数进行收敛性分析，调整缺口根部的网格数。网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般情况下，随着网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，所以在确定网格数量时应权衡两个因数综合考虑。对缺口根部网格数进行收敛性分析时，逐渐细化缺口根部的网格数，当计算精度没有明显提高时，就可以确定缺口根部的网格数。具体地，可以在当前后两次的计算精度差值小于预设的阈值时，则以前一次的网格数作为缺口根部的网格数。
步骤S3)：利用有限元方法对缺口件有限元模型施加约束和载荷Lb(t)，例如，对于图2所示的柱状缺口件(其中尺寸仅是示例性，并不局限于该尺寸，只要形成有缺口即可)，其一端的直径从
Figure SMS_61
经斜台肩/>
Figure SMS_62
及R5的圆角变化为/>
Figure SMS_63
另一端的直径从/>
Figure SMS_64
经R25的圆角变化为/>
Figure SMS_65
Figure SMS_66
区域为缺口，在该柱状缺口件的一端施加约束，一端施加载荷Lb(t)，载荷Lb(t)包括拉压、扭转、弯扭载荷中的任一种或多种。获得单位载荷Lb(t)作用在缺口件有限元模型上得到的线弹性应力分量，从而确定单位载荷作用下缺口区域的应力集中系数(Cij)b，进而通过公式1来获得缺口区域的虚拟应变历程eεij(t)，
Figure SMS_67
其中，d表示载荷Lb(t)的个数，b表示其中一个载荷；
i和j均是自由指标，且i，j＝1，2，3；
角标e表示缺口处的虚拟量，代表有限元模拟出的量；
t表示时间，
步骤S4)：利用Wang-Brown多轴循环计数算法获得总的循环计数n；
步骤S5)：对应每个循环计数，进行拉伸型缺口件疲劳寿命预测，获得循环载荷产生的拉伸疲劳损伤值Dε；
步骤S6：对应每个循环计数，进行剪切型缺口件疲劳寿命预测，获得循环载荷产生的剪切疲劳损伤值Dγ；
步骤S7：对应每个循环计数，如果Dε≥Dγ，则拉压载荷为主载荷，选择拉伸型疲劳损伤模型估算疲劳损伤；如果Dε＜Dγ，则扭转载荷为主载荷，选择剪切型疲劳损伤模型估算疲劳损伤，其判定公式如下；
Figure SMS_68
其中，
Figure SMS_69
是临界面上的真实等效正应变幅；
Figure SMS_70
是临界面上的真实等效剪切应变幅；
σ′f，ε′f，b，和c分别是疲劳强度系数，疲劳延性系数，疲劳强度指数和疲劳延性指数，
Figure SMS_71
Nfε是拉伸疲劳寿命；
其中，τ′f是剪切疲劳强度系数；
γ′f是剪切疲劳延性系数；
b0是剪切疲劳强度指数；
c0是剪切疲劳延性指数；
Figure SMS_72
b0＝b，c0＝c，
σ′f、ε′f、b和c分别是拉伸疲劳强度系数，拉伸疲劳延性系数，拉伸疲劳强度指数和拉伸疲劳延性指数；
Figure SMS_73
Figure SMS_74
是剪切疲劳寿命；
G是剪切模量；
E是弹性模量。
进一步地，还包括步骤S8至步骤S10，
步骤S8，获得每个循环计数的疲劳损伤Di，Di＝Dε或Dγ；
步骤S9，利用Miner线性疲劳损伤累积理论，计算总的累积疲劳损伤Dtotal：
Figure SMS_75
其中n为总的循环计数；
步骤S10，确定疲劳失效需要的载荷块数Nblock，Nblock的表达式如下：
Figure SMS_76
在一个可选实施例中，步骤S5中，包括
步骤S51)通过虚拟应变历程eεij(t)计算拉伸型Shang-Wang多轴疲劳损伤参数
Figure SMS_77
其公式如下：
Figure SMS_78
其中，Δeγmax/2是最大剪切平面上的虚拟剪切应变幅；
Figure SMS_79
是临界面上相邻最大剪切应变折返点之间的虚拟正应变变程，在比例多轴循环载荷下，拉伸型Shang-Wang多轴疲劳损伤参数/>
Figure SMS_80
等价于虚拟等效正应变幅/>
Figure SMS_81
步骤S52)通过使用拉伸型Neuber法和材料的循环应力应变关系确定拉伸型虚拟等效正应变与真实等效应力的关系；
拉伸型Neuber法则：
Figure SMS_82
其中，
Figure SMS_83
E是弹性模量，
e和N分别表示缺口处的虚拟量和真实量；
Figure SMS_84
是虚拟等效正应力幅，/>
Figure SMS_85
是虚拟等效正应变幅；
Figure SMS_86
是真实等效正应力幅，/>
Figure SMS_87
是真实等效正应变幅；
材料拉伸型的循环应力应变关系如下：
Figure SMS_88
其中，n′和K′分别是循环应变硬化指数和强度系数；
通过方程5和方程6确定拉伸型虚拟等效应变与真实等效应力关系如下：
Figure SMS_89
步骤S53)采用临界面上的Shang-Wang多轴疲劳损伤参量
Figure SMS_90
替换虚拟等效正应变幅/>
Figure SMS_91
来考虑载荷引起的非比例附加强化，其公式如下：
Figure SMS_92
通过式(8)求解临界面上的真实等效正应力幅
Figure SMS_93
步骤S54)通过计算得到临界面上的真实等效正应力幅
Figure SMS_94
和拉伸型 Neuber法则来计算临界面上的真实等效正应变幅/>
Figure SMS_95
其公式如下：
Figure SMS_96
步骤S55)运用Manson-Coffin方程来计算缺口部件的疲劳寿命，并进而得到单轴拉压循环载荷产生的拉伸疲劳损伤值Dε，
Figure SMS_97
其中，σ′f，ε′f，b，和c分别是疲劳强度系数，疲劳延性系数，疲劳强度指数和疲劳延性指数，
Figure SMS_98
Nfε是拉伸疲劳寿命；
在一个可选实施例中，步骤S6中包括
步骤S61)通过虚拟应变历程eεij(t)计算剪切型Shang-Wang多轴疲劳损伤参数，表达式如下：
Figure SMS_99
在比例多轴循环载荷下，剪切型Shang-Wang多轴疲劳损伤参数
Figure SMS_100
等价为虚拟等效剪切应变/>
Figure SMS_101
步骤S62)使用剪切型Neuber法和材料的循环应力应变关系来确定剪切型虚拟等效剪切应变与真实等效应力关系；
剪切型Neuber法则：
Figure SMS_102
其中，
Figure SMS_103
G是剪切模量；
Figure SMS_104
是虚拟等效剪切应力幅，/>
Figure SMS_105
是虚拟等效剪切应变幅；
Figure SMS_106
是真实等效剪切应力幅，/>
Figure SMS_107
是真实等效剪切应变幅；
材料剪切型的循环应力应变关系如下：
Figure SMS_108
其中，n′0和K′0分别是剪切循环应变硬化指数和强度系数，n′0＝n′，
Figure SMS_109
n′和K′分别是拉伸循环应变硬化指数和强度系数；
通过方程12和方程13确定虚拟等效剪切应变与真实等效应力关系如下：
Figure SMS_110
步骤S63)对于虚拟应变历程，采用临界面上的剪切型Shang-Wang多轴疲劳损伤参量
Figure SMS_111
替换虚拟等效剪切应变幅/>
Figure SMS_112
来考虑载荷引起的非比例附加强化，由此得到公式15，
Figure SMS_113
通过式15求解临界面上的真实等效剪切应力幅
Figure SMS_114
步骤S64)通过步骤S63计算得到临界面上的真实等效剪切应力幅
Figure SMS_115
和剪切型Neuber法则来计算临界面上的真实等效剪切应变幅/>
Figure SMS_116
Figure SMS_117
步骤S65)通过运用Manson-Coffin方程来计算缺口部件的疲劳寿命并进而得到扭转循环载荷产生的剪切疲劳损伤值Dγ：
Figure SMS_118
其中，τ′f是剪切疲劳强度系数；
γ′f是剪切疲劳延性系数；
b0是剪切疲劳强度指数；
c0是剪切疲劳延性指数；
Figure SMS_119
b0＝b，c0＝c，
σ′f、ε′f、b和c分别是拉伸疲劳强度系数，拉伸疲劳延性系数，拉伸疲劳强度指数和拉伸疲劳延性指数；
Figure SMS_120
Figure SMS_121
是剪切疲劳寿命。
进一步地，步骤S61中，通过虚拟应变历程eεij(t)计算剪切型Shang-Wang 多轴疲劳损伤参数的过程中，首先通过虚拟应变历程eεij(t)来确定临界面上的虚拟剪切应变历程eγ(t)和虚拟法向应变历程eεn(t)，然后再由临界面上的虚拟剪切应变历程eγ(t)和虚拟法向应变历程eεn(t)来确定临界面上的虚拟正应变变程
Figure SMS_122
和虚拟剪切应变范围Δeγmax。
进一步地，在Wang-Brown的多轴循环计数算法中，包括以下步骤：
将整个载荷历程的最大von Mises等效应变点定义为初始参考点，对载荷谱进行重新排列，计算得到各点相对于初始参考点的等效相对应变；
一旦该等效相对应变开始下降，就将初始参考点到等效相对应变出现下降点之间的载荷计数为半循环，同时将该下降点定义为新的初始参考点，如此重复，最终确定整个载荷历程的所有计数反复。
进一步地，在Wang-Brown的多轴循环计数算法中，
von Mises等效应变的计算公式为：
Figure SMS_123
其中，veff为有效泊松比；
εx(t)、εy(t)、εｚ(t)分别是t时刻对应坐标轴的正应变；
γxy(t)、γyz(t)、γxz(t)分别是t时刻对应坐标轴的剪切应变，
t时刻相对于tr时刻的相对等效应变
Figure SMS_124
的计算公式为：
Figure SMS_125
其中，公式(3)中相对应变εr x(t)，εr y(t)，εr z(t)，
Figure SMS_126
的计算表达式分别为：εr x(t)＝εx(t)-εx(tr)，εr y(t)＝εy(t)-εy(tr)，εr z(t)＝εｚ(t)-εｚ(tr)，
Figure SMS_127
Figure SMS_128
εx(tr)、εy(tr)、εz(tr)分别是tr时刻对应坐标轴的正应变；
γxy(tr)、γyz(tr)、γxz(tr)分别是tr时刻对应坐标轴的剪切应变。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于主载荷模式的缺口件疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用有限元方法建立缺口件有限元模型并划分网格；
利用有限元方法对缺口件有限元模型施加约束和载荷，获得缺口区域的虚拟应变历程eεij(t)；
利用Wang-Brown多轴循环计数算法获得总的循环计数n；
对应每个循环计数，进行拉伸型缺口件疲劳寿命预测，获得循环载荷产生的拉伸疲劳损伤值Dε；
对应每个循环计数，进行剪切型缺口件疲劳寿命预测，获得循环载荷产生的剪切疲劳损伤值Dγ；
对应每个循环计数，如果Dε≥Dγ，则选择拉伸型疲劳损伤模型估算疲劳损伤；如果Dε<Dγ，则选择剪切型疲劳损伤模型估算疲劳损伤，
对应每个循环计数，进行拉伸型缺口件疲劳寿命预测的步骤包括：
通过虚拟应变历程eεij(t)计算拉伸型Shang-Wang多轴疲劳损伤参数
Figure FDA0004154153790000011
其公式如下：
Figure FDA0004154153790000012
其中，Δeγmax/2是最大剪切平面上的虚拟剪切应变幅；
Figure FDA0004154153790000013
是临界面上相邻最大剪切应变折返点之间的虚拟正应变变程，在比例多轴循环载荷下，拉伸型Shang-Wang多轴疲劳损伤参数/>
Figure FDA0004154153790000014
等价于虚拟等效正应变幅/>
Figure FDA0004154153790000015
通过使用拉伸型Neuber法和材料的循环应力应变关系确定拉伸型虚拟等效正应变与真实等效应力的关系；
拉伸型Neuber法则：
Figure FDA0004154153790000016
其中，
Figure FDA0004154153790000017
E是弹性模量，
e和N分别表示缺口处的虚拟量和真实量；
Figure FDA0004154153790000018
是虚拟等效正应力幅，/>
Figure FDA0004154153790000019
是虚拟等效正应变幅；
Figure FDA0004154153790000021
是真实等效正应力幅，/>
Figure FDA0004154153790000022
是真实等效正应变幅；
材料拉伸型的循环应力应变关系如下：
Figure FDA0004154153790000023
其中，n′和K′分别是循环应变硬化指数和强度系数；
通过方程5和方程6确定拉伸型虚拟等效应变与真实等效应力关系如下：
Figure FDA0004154153790000024
采用临界面上的Shang-Wang多轴疲劳损伤参量
Figure FDA0004154153790000025
替换虚拟等效正应变幅/>
Figure FDA0004154153790000026
来考虑载荷引起的非比例附加强化，其公式如下：
Figure FDA0004154153790000027
通过式8求解临界面上的真实等效正应力幅
Figure FDA0004154153790000028
通过计算得到临界面上的真实等效正应力幅
Figure FDA0004154153790000029
和拉伸型Neuber法则来计算临界面上的真实等效正应变幅/>
Figure FDA00041541537900000210
其公式如下：
运用Manson-Coffin方程来计算缺口部件的疲劳寿命，并进而得到循环载荷产生的拉伸疲劳损伤值Dε，
Figure FDA00041541537900000212
其中，σ′f,ε′f,b,和c分别是疲劳强度系数，疲劳延性系数，疲劳强度指数和疲劳延性指数，
Figure FDA00041541537900000213
Nfε是拉伸疲劳寿命。
2.根据权利要求1所述的基于主载荷模式的缺口件疲劳寿命预测方法，其特征在于，拉伸型疲劳损伤模型和剪切型疲劳损伤模型估算疲劳损伤的判定公式如下；
Figure FDA00041541537900000214
其中，
Figure FDA00041541537900000215
是临界面上的真实等效正应变幅；
Figure FDA00041541537900000216
是临界面上的真实等效剪切应变幅；
σ′f,ε′f,b,和c分别是疲劳强度系数，疲劳延性系数，疲劳强度指数和疲劳延性指数，
Figure FDA0004154153790000031
Nfε是拉伸疲劳寿命；
其中，τ′f是剪切疲劳强度系数；
γ′f是剪切疲劳延性系数；
b0是剪切疲劳强度指数；
c0是剪切疲劳延性指数；
Figure FDA0004154153790000032
b0＝b，c0＝c，
σ′f、ε′f、b和c分别是拉伸疲劳强度系数，拉伸疲劳延性系数，拉伸疲劳强度指数和拉伸疲劳延性指数；
Figure FDA0004154153790000033
Figure FDA0004154153790000034
是剪切疲劳寿命；
G是剪切模量；
E是弹性模量。
3.根据权利要求1或2所述的基于主载荷模式的缺口件疲劳寿命预测方法，其特征在于，还包括获得每个循环计数的疲劳损伤Di，Di＝Dε或Dγ；
利用Miner线性疲劳损伤累积理论，计算总的累积疲劳损伤Dtotal：
Figure FDA0004154153790000035
其中n为总的循环计数；
确定疲劳失效需要的载荷块数Nblock，Nblock的表达式如下：
Figure FDA0004154153790000036
4.根据权利要求1或2所述的基于主载荷模式的缺口件疲劳寿命预测方法，其特征在于，对应每个循环计数，进行剪切型缺口件疲劳寿命预测包括以下步骤：
通过虚拟应变历程eεij(t)计算剪切型Shang-Wang多轴疲劳损伤参数，表达式如下：
Figure FDA0004154153790000037
在比例多轴循环载荷下，剪切型Shang-Wang多轴疲劳损伤参数
Figure FDA0004154153790000038
等价为虚拟等效剪切应变/>
Figure FDA0004154153790000039
使用剪切型Neuber法和材料的循环应力应变关系来确定剪切型虚拟等效剪切应变与真实等效应力关系；
剪切型Neuber法则：
Figure FDA00041541537900000310
其中，
Figure FDA0004154153790000041
G是剪切模量；
Figure FDA0004154153790000042
是虚拟等效剪切应力幅，/>
Figure FDA0004154153790000043
是虚拟等效剪切应变幅；
Figure FDA0004154153790000044
是真实等效剪切应力幅，/>
Figure FDA0004154153790000045
是真实等效剪切应变幅；
材料剪切型的循环应力应变关系如下：
Figure FDA0004154153790000046
其中，n′0和K′0分别是剪切循环应变硬化指数和强度系数，n′0＝n′，
Figure FDA0004154153790000047
n′和K′分别是拉伸循环应变硬化指数和强度系数；
通过方程12和方程13确定虚拟等效剪切应变与真实等效应力关系如下：
Figure FDA0004154153790000048
对于虚拟应变历程，采用临界面上的剪切型Shang-Wang多轴疲劳损伤参量
Figure FDA0004154153790000049
替换虚拟等效剪切应变幅/>
Figure FDA00041541537900000410
来考虑载荷引起的非比例附加强化，由此得到公式15，
Figure FDA00041541537900000411
通过式15求解临界面上的真实等效剪切应力幅
Figure FDA00041541537900000412
通过临界面上的真实等效剪切应力幅
Figure FDA00041541537900000413
和剪切型Neuber法则来计算临界面上的真实等效剪切应变幅/>
Figure FDA00041541537900000414
Figure FDA00041541537900000415
通过运用Manson-Coffin方程来计算缺口部件的疲劳寿命并进而得到循环载荷产生的剪切疲劳损伤值Dγ：
Figure FDA00041541537900000416
其中，τ′f是剪切疲劳强度系数；
γ′f是剪切疲劳延性系数；
b0是剪切疲劳强度指数；
c0是剪切疲劳延性指数；
Figure FDA00041541537900000417
b0＝b，c0＝c，
σ′f、ε′f、b和c分别是拉伸疲劳强度系数，拉伸疲劳延性系数，拉伸疲劳强度指数和拉伸疲劳延性指数；
Figure FDA00041541537900000418
Figure FDA00041541537900000419
是剪切疲劳寿命。
5.根据权利要求1所述的基于主载荷模式的缺口件疲劳寿命预测方法，其特征在于，对缺口件有限元模型施加的载荷包括拉压、扭转、弯扭载荷中的任一种或多种。
6.根据权利要求4所述的基于主载荷模式的缺口件疲劳寿命预测方法，其特征在于，通过虚拟应变历程eεij(t)计算剪切型Shang-Wang多轴疲劳损伤参数的过程中，首先通过虚拟应变历程eεij(t)来确定临界面上的虚拟剪切应变历程eγ(t)和虚拟法向应变历程eεn(t)，然后再由临界面上的虚拟剪切应变历程eγ(t)和虚拟法向应变历程eεn(t)来确定临界面上的虚拟正应变变程
Figure FDA0004154153790000051
和虚拟剪切应变范围Δeγmax。
7.根据权利要求1所述的基于主载荷模式的缺口件疲劳寿命预测方法，其特征在于，在Wang-Brown的多轴循环计数算法中，包括以下步骤：
将整个载荷历程的最大von Mises等效应变点定义为初始参考点，对载荷谱进行重新排列，计算得到各点相对于初始参考点的等效相对应变；
一旦该等效相对应变开始下降，就将初始参考点到等效相对应变出现下降点之间的载荷计数为半循环，同时将该下降点定义为新的初始参考点，如此重复，最终确定整个载荷历程的所有计数反复作为总的循环计数n。
8.根据权利要求7所述的基于主载荷模式的缺口件疲劳寿命预测方法，其特征在于，
von Mises等效应变的计算公式为：
Figure FDA0004154153790000052
其中，νeff为有效泊松比；
εx(t)、εy(t)、εz(t)分别是t时刻对应坐标轴的正应变；
γxy(t)、γyz(t)、γxz(t)分别是t时刻对应坐标轴的剪切应变，
t时刻相对于tr时刻的相对等效应变的计算公式为：
Figure FDA0004154153790000062
其中，公式3中相对应变εr x(t)，εr y(t)，εr z(t)，
Figure FDA0004154153790000063
的计算表达式分别为：εr x(t)＝εx(t)-εx(tr)，εr y(t)＝εy(t)-εy(tr)，εr z(t)＝εz(t)-εz(tr)，
Figure FDA0004154153790000064
εx(tr)、εy(tr)、εz(tr)分别是tr时刻对应坐标轴的正应变；
γxy(tr)、γyz(tr)、γxz(tr)分别是tr时刻对应坐标轴的剪切应变。
9.一种基于主载荷模式的缺口件疲劳寿命预测装置，其特征在于，包括：
虚拟应变历程获取模块，利用有限元方法建立缺口件有限元模型并划分网格，利用有限元方法对缺口件有限元模型施加约束和载荷，获得缺口区域的虚拟应变历程eεij(t)，
循环计数获取模块，利用Wang-Brown多轴循环计数算法获得总的循环计数n；
疲劳损伤模型确定模块，对应每个循环计数，进行拉伸型缺口件疲劳寿命预测，获得循环载荷产生的拉伸疲劳损伤值Dε；
对应每个循环计数，进行剪切型缺口件疲劳寿命预测，获得循环载荷产生的剪切疲劳损伤值Dγ；
对应每个循环计数，如果Dε≥Dγ，则选择拉伸型疲劳损伤模型估算疲劳损伤；如果Dε<Dγ，则选择剪切型疲劳损伤模型估算疲劳损伤，
对应每个循环计数，进行拉伸型缺口件疲劳寿命预测的步骤包括：
通过虚拟应变历程eεij(t)计算拉伸型Shang-Wang多轴疲劳损伤参数
Figure FDA0004154153790000065
其公式如下：
Figure FDA0004154153790000066
其中，Δeγmax/2是最大剪切平面上的虚拟剪切应变幅；
Figure FDA0004154153790000067
是临界面上相邻最大剪切应变折返点之间的虚拟正应变变程，在比例多轴循环载荷下，拉伸型Shang-Wang多轴疲劳损伤参数/>
Figure FDA0004154153790000068
等价于虚拟等效正应变幅/>
Figure FDA0004154153790000069
通过使用拉伸型Neuber法和材料的循环应力应变关系确定拉伸型虚拟等效正应变与真实等效应力的关系；
拉伸型Neuber法则：
Figure FDA0004154153790000071
其中，
Figure FDA0004154153790000072
E是弹性模量，
e和N分别表示缺口处的虚拟量和真实量；
Figure FDA0004154153790000073
是虚拟等效正应力幅，/>
Figure FDA0004154153790000074
是虚拟等效正应变幅；
Figure FDA0004154153790000075
是真实等效正应力幅，/>
Figure FDA0004154153790000076
是真实等效正应变幅；
材料拉伸型的循环应力应变关系如下：
Figure FDA0004154153790000077
其中，n′和K′分别是循环应变硬化指数和强度系数；
通过方程5和方程6确定拉伸型虚拟等效应变与真实等效应力关系如下：
Figure FDA0004154153790000078
采用临界面上的Shang-Wang多轴疲劳损伤参量
Figure FDA0004154153790000079
替换虚拟等效正应变幅/>
Figure FDA00041541537900000710
来考虑载荷引起的非比例附加强化，其公式如下：
Figure FDA00041541537900000711
通过式8求解临界面上的真实等效正应力幅
Figure FDA00041541537900000712
通过计算得到临界面上的真实等效正应力幅
Figure FDA00041541537900000713
和拉伸型Neuber法则来计算临界面上的真实等效正应变幅/>
Figure FDA00041541537900000714
其公式如下：
Figure FDA00041541537900000715
运用Manson-Coffin方程来计算缺口部件的疲劳寿命，并进而得到循环载荷产生的拉伸疲劳损伤值Dε，
Figure FDA00041541537900000716
其中，σ′f,ε′f,b,和c分别是疲劳强度系数，疲劳延性系数，疲劳强度指数和疲劳延性指数，
Figure FDA00041541537900000717
Nfε是拉伸疲劳寿命。
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