CN114444302A - 一种考虑加载循环数的复合疲劳寿命预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种考虑加载循环数的复合疲劳寿命预测方法，所述方法包括：获取给定条件下的低周加载、高周加载下的失效循环数以及加载循环数；计算加载循环数对疲劳寿命的影响因子；建立能够描述复合疲劳的等效循环数模型，计算等效循环数；计算复合疲劳累积损伤；以及预测复合加载下的疲劳寿命。本发明方法可准确的预测材料的复合疲劳寿命，为高端装备的可靠性设计提供参考。

Description

一种考虑加载循环数的复合疲劳寿命预测方法
技术领域
本发明涉及疲劳寿命预测技术领域，具体地，涉及一种考虑加载循环数的复合疲劳寿命预测方法。
背景技术
诸如高速机车、航空发动机、燃气轮机等高端装备逐渐向高性能化、复杂化、智能化发展，保障这类装备的安全服役对国家经济和国防安全具有重大意义和价值。在服役过程中，这些装备的运行条件恶劣。由于需要在不同工况连续完成启动、运行、停止等任务，它们的零部件或结构往往承受一系列复杂交变循环载荷的作用，其失效形式通常为疲劳、磨损、蠕变、腐蚀等。其中，疲劳失效具有很大的隐蔽性和突发性，对装备的安全运行构成极大的隐患，一旦发生疲劳失效容易造成灾难性事故和生命财产损失。如果能够在这些高端装备失效的早期阶段进行清晰的判断，以确定设备的最佳维护时间并制定相应的维护规范，就可以提高设备运行的可靠性，降低运行风险。
在现有技术中，通常使用线性累积损伤来预测复合疲劳寿命，该方法的缺陷在于各载荷相对独立，预测结果偏差较大，忽略了循环数对疲劳载荷之间的相互作用。因此深入研究复合疲劳损伤规律，建立完整、可靠和通用性强的疲劳寿命预测模型是十分有必要的。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种能够准确预测材料的复合疲劳寿命的方法。
为解决上述问题，本发明的技术方案为：
一种考虑加载循环数的复合疲劳寿命预测方法，所述方法包括以下步骤：
获取给定条件下的低周加载、高周加载下的失效循环数以及加载循环数；
计算加载循环数对疲劳寿命的影响因子；
建立能够描述复合疲劳的等效循环数模型，计算等效循环数；
计算复合疲劳累积损伤；以及预测复合加载下的疲劳寿命。
可选地，所述获取给定条件下的低周加载、高周加载下的失效循环数以及加载循环数的步骤具体包括：通过疲劳试验或查询相关设计手册确定给定条件下的合金材料的应力-寿命曲线，即S-N曲线，根据S-N曲线的表达式：σmN＝C，式中，m,C均为材料常数；分别将低周疲劳、高周疲劳加载的不同应力水平σ代入S-N曲线表达式计算给定条件下的低周加载、高周加载下的失效循环数NL、NH。
可选地，所述计算加载循环数对疲劳寿命的影响因子的步骤具体包括：考虑加载循环数对高低周复合加载过程中相互作用的影响，建立表达式：
Figure BDA0003487688550000021
式中，α为影响因子，m为加载循环数。
可选地，所述建立能够描述复合疲劳的等效循环数模型，计算等效循环数的步骤具体包括：将给定条件下的低周疲劳与高周疲劳的失效循环数NL、NH代入建立好的计算合金材料低周疲劳等效循环数m′的模型中，所述建立好的计算合金材料低周疲劳等效循环数m′的模型为：
Figure BDA0003487688550000022
可选地，所述等效循环数的计算是依据其低周疲劳损伤与高周疲劳损伤存在损伤等值的情况进行的，通过方程：
Figure BDA0003487688550000023
来计算，式中，B,β为材料常数。
可选地，所述计算复合疲劳累积损伤的步骤具体包括：将计算出的等效循环数m′代入高低周复合疲劳加载下的线性损伤累积模型中，计算复合疲劳累积损伤：
Figure BDA0003487688550000024
可选地，所述预测复合加载下的疲劳寿命的步骤中，所述复合加载下的疲劳寿命为：
Figure BDA0003487688550000025
与现有的技术相比，本发明提出了一种考虑加载循环数的复合疲劳寿命预测方法，传统的损伤累积方法只是一种线性叠加，本发明建立的高低周复合疲劳损伤累积关系，更符合损伤演化规律，充分考虑了载荷之间的相互作用，提出了一个影响疲劳损伤累积的参数，该参数提高了疲劳寿命预测精度，建立了在一定范围内只需通过加载循环数和加载应力即可实现有效的寿命预测方法，因此，该方法理论基础坚实，参数简单，具有很好的实用性。另外，本发明的方法适合用于各种铝合金、钛合金等合金材料高低周复合疲劳加载的寿命预测，适用范围广，可靠性高。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例提供的考虑加载循环数的复合疲劳寿命预测方法流程框图；
图2为本发明实施例提供的钛合金试验值与预测值之间的比较图；
图3为本发明实施例提供的铝合金试验值与预测值之间的比较图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
具体地，图1为本发明实施例提供的考虑加载循环数的复合疲劳寿命预测方法流程框图，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
S1：获取给定条件下的低周加载、高周加载下的失效循环数以及加载循环数；
具体地，在本实施例中，通过疲劳试验或查询相关设计手册确定给定条件下的合金材料的应力-寿命曲线，即S-N曲线，其中S-N曲线为一条衰减曲线，表达式如下：σmN＝C，式中，m,C均为材料常数；
在双对数坐标下，S-N曲线的表达式也可表示为：mlgσ+lgN＝C，式中，m,C均为材料常数。
如果是通过疲劳试验获取的S-N曲线，那么材料常数m和C通过数据拟合得到，如果是通过相关设计手册获得的S-N曲线，手册将给出材料常数m和C。
分别将低周疲劳、高周疲劳加载的不同应力水平σ代入S-N曲线表达式计算给定条件下的低周加载、高周加载下的失效循环数NL、NH。
S2：计算加载循环数对疲劳寿命的影响因子；
具体地，考虑加载循环数对高低周复合加载过程中相互作用的影响，建立这种影响作用的表达式：
Figure BDA0003487688550000041
式中，α为影响因子，m为加载循环数。
S3：建立能够描述复合疲劳的等效循环数模型，计算等效循环数；
具体地，将给定条件下的低周疲劳与高周疲劳的失效循环数NL，NH代入建立好的计算合金材料低周疲劳等效循环数模型中，计算等效循环数，等效循环数的计算是依据其低周疲劳损伤与高周疲劳损伤存在损伤等值的情况进行的，通过如下方程计算：
Figure BDA0003487688550000042
式中，B,β为材料常数；对方程两边取对数，得到，
Figure BDA0003487688550000043
在等效循环数的计算中，考虑加载循环数对疲劳累积损伤的影响，所建立好的计算合金材料低周疲劳等效循环数m′的模型为：
Figure BDA0003487688550000044
S4：计算复合疲劳累积损伤；
通过线性累积法计算疲劳累积损伤，线性累积法通常指Miner法则，表达式如下所述：
Figure BDA0003487688550000045
式中，ni,Ni分别表示第i次加载时在应力σi水平下的加载循环数和失效循环数。
将计算出的等效循环数m′代入高低周复合疲劳加载下的线性损伤累积模型中，计算复合疲劳累积损伤为：
Figure BDA0003487688550000046
S5：预测复合加载下的疲劳寿命。
具体地，疲劳寿命预测方法是在块载条件下计算出的，其载荷块的数量为：
Figure BDA0003487688550000051
那么，合金材料的疲劳寿命为：
Figure BDA0003487688550000052
其中，
Figure BDA0003487688550000053
为了验证所述方法预测疲劳寿命的有效性，这里将钛合金和铝合金两种合金材料的数据用于所述方法的验证与比较，所得结果如图2和图3所示，可以看出，本发明所使用的寿命预测方法得到的预测值比Miner法则更符合试验值。
与现有的技术相比，本发明提出了一种考虑加载循环数的复合疲劳寿命预测方法，传统的损伤累积方法只是一种线性叠加，本发明建立的高低周复合疲劳损伤累积关系，更符合损伤演化规律，充分考虑了载荷之间的相互作用，提出了一个影响疲劳损伤累积的参数，该参数提高了疲劳寿命预测精度，建立了在一定范围内只需通过疲劳失效数和加载应力即可实现有效的寿命预测方法，因此，该方法理论基础坚实，参数简单，具有很好的实用性。另外，本发明的方法适合用于各种铝合金、钛合金等合金材料高低周复合疲劳加载的寿命预测，适用范围广，可靠性高。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种考虑加载循环数的复合疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
获取给定条件下的低周加载、高周加载下的失效循环数以及加载循环数；
计算加载循环数对疲劳寿命的影响因子；
建立能够描述复合疲劳的等效循环数模型，计算等效循环数；
计算复合疲劳累积损伤；
预测复合加载下的疲劳寿命。
2.根据权利要求1所述的考虑加载循环数的复合疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述获取给定条件下的低周加载、高周加载下的失效循环数以及加载循环数的步骤具体包括：通过疲劳试验或查询相关设计手册确定给定条件下的合金材料的应力-寿命曲线，即S-N曲线，根据S-N曲线的表达式：σmN＝C，式中，m,C均为材料常数；分别将低周疲劳、高周疲劳加载的不同应力水平σ代入S-N曲线表达式计算给定条件下的低周加载、高周加载下的失效循环数NL、NH。
3.根据权利要求2所述的考虑加载循环数的复合疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述计算加载循环数对疲劳寿命的影响因子的步骤具体包括：考虑加载循环数对高低周复合加载过程中相互作用的影响，建立表达式：
Figure FDA0003487688540000011
式中，α为影响因子，m为加载循环数。
4.根据权利要求3所述的考虑加载循环数的复合疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述建立能够描述复合疲劳的等效循环数模型，计算等效循环数的步骤具体包括：将给定条件下的低周疲劳与高周疲劳的失效循环数NL、NH代入建立好的计算合金材料低周疲劳等效循环数m′的模型中，所述建立好的计算合金材料低周疲劳等效循环数m′的模型为：
Figure FDA0003487688540000012
5.根据权利要求4所述的考虑加载循环数的复合疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述等效循环数的计算是依据其低周疲劳损伤与高周疲劳损伤存在损伤等值的情况进行的，通过方程：
Figure FDA0003487688540000021
来计算，式中，B,β为材料常数。
6.根据权利要求4所述的考虑加载循环数的复合疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述计算复合疲劳累积损伤的步骤具体包括：将计算出的等效循环数m′代入高低周复合疲劳加载下的线性损伤累积模型中，计算复合疲劳累积损伤：
Figure FDA0003487688540000022
7.根据权利要求4所述的考虑加载循环数的复合疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述预测复合加载下的疲劳寿命的步骤中，所述复合加载下的疲劳寿命为：
Figure FDA0003487688540000023
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