CN114580098A - 基于虚拟应变能的金属材料多轴疲劳寿命预测方法与系统 - Google Patents

基于虚拟应变能的金属材料多轴疲劳寿命预测方法与系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟应变能的金属材料多轴疲劳寿命预测方法与系统，方法包括：对金属构件进行有限元分析，确定危险点并求出危险点处应力应变载荷时间历程；计算经过危险点的每个平面上的剪应变能，以剪应变能最大的平面为临界面，得到临界面上的剪应变能以及多轴应力比；计算危险点处的虚拟应变能并采用扭转载荷的剪应变能寿命曲线进行寿命预测，本发明中的虚拟应变能为对单轴拉压载荷、扭转载荷下剪应变能寿命曲线中剪应变能进行归一化处理后的应变能。本发明提出的基于虚拟应变能的方法同时考虑了载荷路径对损伤参数系数和指数的影响，参数确定简单，可同时适用低、高周，不同载荷路径下的疲劳寿命分析。

Description

基于虚拟应变能的金属材料多轴疲劳寿命预测方法与系统
技术领域
本发明涉及一种基于虚拟应变能的金属材料多轴疲劳寿命预测方法与系统，属于增材制造金属材料寿命预测领域，可用于航空系统技术领域。
背景技术
飞机部件在服役过程中承受循环载荷。疲劳损伤是飞机结构失效的主要原因之一。航空公司为节约运营成本，对轻量化和长寿命的设计方案要求越发迫切。增材制造(AM)技术适用于复杂结构近净成形,可以满足结构拓扑优化的要求，同时具有快速成型和材料利用率高的优点而受到航空工业的广泛关注。
研究表明，增材制造加工的零件的静力性能与常规加工方式加工出的零件相差不大，但疲劳性能差距较大，表现为疲劳寿命较低、疲劳分散性较大。因此，增材制造技术尚未应用于飞机主承力结构的制造中。由于增材制造加工工艺的特点，在加工过程中不可避免地会产生大量的缺陷，对疲劳裂纹的萌生提供了较好的环境。目前，科学界针对增材制造中的疲劳行为进行了大量的研究，可以分为微观和宏观两个研究方向。如从微观角度分析，往往通过CT扫描，显微镜拍摄等手段，通过缺陷、表面粗糙度、裂纹扩展速率等方面进行分析；宏观的分析方法分为建立针对增材制造材料的应力寿命曲线或采用孔洞附近的局部参数代替全局参数等方法。微观分析有助于深入理解疲劳破坏的原理，而宏观分析在工程应用中更为便捷。总的来说，科学界对于增材制造的研究方向，主要集中在单轴状况的预测分析，多轴载荷下的疲劳问题尚未得到很好的解决。
飞机的结构在服役中承受复杂的多轴载荷。例如，机翼整体受到剪切力、弯矩和扭矩的作用。机翼上的蒙皮将同时承受正应力和剪应力。飞机起落架结构在起飞和着陆过程中承受着来自多个方向的载荷。多轴疲劳失效通常是这些结构失效的原因。目前，多轴疲劳寿命的预测主要通过将多轴应力状态等效到单轴应力状态，再根据单轴应力寿命曲线预测疲劳寿命。这些方法可分为应力准则、应变准则和能量准则。能量准则认为，疲劳危险点附近能量的累积是疲劳破坏的原因，较为符合疲劳破坏的内在机理。同时能量是标量，计算过程也较为简便。然而，各种方法适用于特定的材料或载荷条件，目前还没有公认的符合工程结构设计要求的对增材制造金属材料多轴疲劳寿命预测方法。
发明内容
发明目的：针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种多轴虚拟应变能处理方法，以解决增材制造金属材料多轴疲劳寿命预测问题。
技术方案：为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于虚拟应变能的金属材料多轴疲劳寿命预测方法，包括如下步骤：
(1)对金属构件进行有限元分析，确定危险点并求出危险点处应力应变载荷时间历程；
(2)计算经过危险点的每个平面上的剪应变能，以剪应变能最大的平面为临界面，得到临界面上的剪应变能以及多轴应力比；其中剪应变能定义为剪应力变幅与剪应变变幅的乘积，多轴应力比定义为临界面上正应力最大值与剪应力幅值的比值；
(3)计算危险点处的虚拟应变能并采用扭转载荷的剪应变能寿命曲线进行寿命预测；所述虚拟应变能为对单轴拉压载荷、扭转载荷下剪应变能寿命曲线中剪应变能进行归一化处理后的应变能。
作为优选，所述步骤(1)包括：
对于给定外载荷，采用三维建模软件绘制构件几何模型，并进行网格划分，对疲劳危险点附近进行网格细化；将材料属性赋予有限元模型，并对有限元模型添加边界条件，模拟构件在真实环境中的载荷状况；通过有限元分析得出危险点处应力应变载荷时间历程。
作为优选，所述步骤(2)中经过危险点的每个平面上的剪应变能计算方法包括：
设金属构件在时间[0,T]内承受载荷，在疲劳危险点O处建立局部笛卡尔坐标系Oxyz，经过危险点O的任意平面Δ可以用在其平面上的两个方向向量和一个平面的法向量描述。具体地，向量a为平面Δ与坐标系Oxyz中平面Oxy的交线，向量b为在平面Δ上与a轴垂直的向量，n为平面Δ的法向量。向量n,a,b与坐标系Oxyz的位置关系可以用三个角度
Figure BDA0003498329610000023
表示，其中，
Figure BDA0003498329610000024
为平面Δ的方向法向量n与x轴的夹角；θ为平面Δ的方向法向量n与z轴的夹角,α为平面Δ上任意向量q与向量a的夹角。危险点O处的应力应变载荷时间历程用如下矩阵表示：
Figure BDA0003498329610000021
Figure BDA0003498329610000022
式中，σx(t),σy(t),σz(t)为正应力分量，τxy(t),τyz(t),τxz(t)为剪应力分量，εx(t),εy(t),εz(t)为正应变分量，γxy(t),γyz(t),γxz(t)剪应变分量，t为[0,T]区间内的任一时刻；
描述平面Δ的三个单位向量n,a,b通过坐标变换表示为：
Figure BDA0003498329610000031
Figure BDA0003498329610000032
Figure BDA0003498329610000033
平面Δ上任意单位向量q写作：
Figure BDA0003498329610000034
任意角度的正应力σn(t)、剪应力τq(t)、剪应变γq(t)写作：
σn(t)＝nT[σ(t)]n
τq(t)＝qT[σ(t)]n
γq(t)＝2qT[ε(t)]n
任意平面上的正应力均值σn,m定义为[0,T]区间内正应力积分的平均值，正应力幅值σn,a通过正应力的方差定义
Figure BDA0003498329610000035
Figure BDA0003498329610000036
式中，
Figure BDA0003498329610000037
同理，可以定义剪应力、剪应变的均值和幅值τm,τa,γm,γa:
Figure BDA0003498329610000038
Figure BDA0003498329610000041
Figure BDA0003498329610000042
Figure BDA0003498329610000043
式中，
Figure BDA0003498329610000044
Figure BDA0003498329610000045
剪应变能ΔτΔγ定义为构件在稳定循环下包围迟滞回线的最小矩形，即为剪应力变幅Δτ与剪应变变幅Δγ的乘积，变幅Δτ＝2τa，Δγ＝2γa，于是ΔτΔγ＝4τa×γa多轴应力比ρ定义为正应力最大值σn,max与剪应力幅值τa的比值：
Figure BDA0003498329610000046
作为优选，所述步骤(3)中单轴拉压载荷、扭转载荷下剪应变能寿命曲线根据如下方法确定：
分别计算单轴拉压、扭转载荷下每个疲劳数据点临界面上的剪应变能，首尾相连绘制剪应变能-寿命曲线，以幂函数分别拟合求解两种载荷状况下，剪应变能-寿命曲线的各项参数A1,B1,A3,B3；两种载荷下的剪应变能-寿命曲线函数表示为：
Figure BDA0003498329610000047
单轴拉压载荷
Figure BDA0003498329610000048
扭转载荷
其中，ΔτΔγ为剪应变能，Nf为寿命。
作为优选，所述步骤(3)中归一化后的虚拟应变能WV表示为：
Figure BDA0003498329610000049
其中，
Figure BDA00034983296100000410
为归一化系数，ρ为多轴应力比。
基于相同的发明构思，本发明提供的一种基于虚拟应变能的金属材料多轴疲劳寿命预测系统，包括输入模块，处理模块以及输出模块，所述输入模块用于输入金属构件几何模型以及外载荷；所述输出模块用于显示预测的金属构件在给定外载荷下的寿命；所述处理模块包括：
应力应变计算单元，用于对金属构件进行有限元分析，确定危险点并求出危险点处应力应变载荷时间历程；
临界面计算单元，用于计算经过危险点的每个平面的剪应变能，以剪应变能最大的平面为临界面，得到临界面上的剪应变能以及多轴应力比；其中剪应变能定义为剪应力变幅与剪应变变幅的乘积，多轴应力比定义为临界面上正应力最大值与剪应力幅值的比值；
以及预测单元，用于计算危险点处的虚拟应变能并采用扭转载荷的剪应变能寿命曲线进行寿命预测；所述虚拟应变能为对单轴拉压载荷、扭转载荷下剪应变能寿命曲线中剪应变能进行归一化处理后的应变能。
作为优选，所述单轴拉压载荷、扭转载荷下剪应变能寿命曲线由幂函数拟合单元生成，所述幂函数拟合单元，用于分别计算单轴拉压、扭转载荷下每个疲劳数据点临界面上的剪应变能，首尾相连绘制剪应变能-寿命曲线，以幂函数分别拟合求解两种载荷状况下，剪应变能-寿命曲线的各项参数A1,B1,A3,B3。
作为优选，所述预测单元中归一化后的虚拟应变能WV表示为：
Figure BDA0003498329610000051
基于相同的发明构思，本发明提供的一种计算机系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现所述的基于虚拟应变能的金属材料多轴疲劳寿命预测方法。
有益效果：本发明分析了典型韧性金属材料单轴拉压、扭转状态下的剪应变能寿命曲线，发现两种载荷状况下的剪应变能与寿命具有较好的双对数线性关系，基于如下两点考虑将剪应变能进行归一化处理得到虚拟应变能，采用扭转载荷的剪应变能寿命曲线进行寿命预测，从而能够用于不同载荷路径的寿命分析问题：一是韧性金属材料的疲劳裂纹行为体现为剪破坏，采用扭转载荷的剪应变能寿命曲线更为直观；二是扭转载荷的剪应变能寿命曲线往往位于所有曲线的最上方，拟合到该曲线下更为直观，且归一化系数形式较为简单。此外，传统应力准则往往用于塑性应变较小的高周疲劳，应变准则往往用于塑性应变较大的低周疲劳，本发明采用应力与应变相乘的能量准则可以兼顾低周、高周疲劳。
附图说明
图1为本发明实施例的总体流程图。
图2为本发明实施例中所涉及的危险点处局部坐标系定义示意图。
图3为本发明实施例中疲劳寿命详细计算流程图。
图4为本发明实验例的316L钢单轴拉压、扭转载荷下剪应变能随寿命变化曲线图。
图5为本发明实验例的有限元建模网格划分示意图。
图6为本发明实验例的预测结果与试验结果比较图。
图7为本发明实施例的模块结构示意图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
如图1所示，本发明实施例公开的一种基于虚拟应变能的金属材料多轴疲劳寿命预测方法，主要步骤如下：
(1)对金属构件进行有限元分析，确定危险点并求出危险点处应力应变载荷时间历程。
主要包括：
对于给定外载荷，采用三维建模软件建立构件的几何模型，导入有限元软件；
对几何模型进行网格划分，并对疲劳危险点附近进行网格细化，直到计算结果收敛；
将材料属性赋予有限元模型，根据材料在疲劳试验过程有无塑性应变，选择线弹性或弹塑性本构模型；
对有限元模型添加边界条件，模拟构件在真实环境的载荷状况；
最后有限元分析得出危险点O处应力应变载荷时间历程以备后续计算。
(2)计算经过危险点的每个平面上的剪应变能，以剪应变能最大的平面为临界面，得到临界面上的剪应变能以及多轴应力比。主要包括：
设金属构件在时间[0,T]内承受载荷，在疲劳危险点O处建立局部笛卡尔坐标系Oxyz，经过危险点O的任意平面Δ可以用在其平面上的两个方向向量和一个平面的法向量描述。具体地，向量a为平面Δ与坐标系Oxyz中平面Oxy的交线，向量b为在平面Δ上与a轴垂直的向量，n为平面Δ的法向量。向量n,a,b与坐标系Oxyz的位置关系可以用三个角度
Figure BDA0003498329610000061
表示，其中，
Figure BDA0003498329610000062
为平面Δ的方向法向量n与x轴的夹角；θ为平面Δ的方向法向量n与z轴的夹角,α为平面Δ上任意向量q与向量a的夹角。危险点O处的应力应变载荷时间历程可以用如下矩阵表示：
Figure BDA0003498329610000071
Figure BDA0003498329610000072
式中，σx(t),σy(t),σz(t)为正应力分量，τxy(t),τyz(t),τxz(t)为剪应力分量，εx(t),εy(t),εz(t)为正应变分量，γxy(t),γyz(t),γxz(t)剪应变分量，t为[0,T]区间内的任一时刻。
描述平面Δ的三个单位向量n,a,b通过坐标变换表示为：
Figure BDA0003498329610000073
Figure BDA0003498329610000074
Figure BDA0003498329610000075
平面Δ上任意单位向量q可以写作：
Figure BDA0003498329610000076
任意角度的正应力σn(t)、剪应力τq(t)、剪应变γq(t)可以写作：
σn(t)＝nT[σ(t)]n
τq(t)＝qT[σ(t)]n
γq(t)＝2qT[ε(t)]n
任意平面上的正应力均值σn,m定义为[0,T]区间内正应力积分的平均值，正应力幅值σn,a通过正应力的方差定义
Figure BDA0003498329610000077
Figure BDA0003498329610000081
式中，
Figure BDA0003498329610000082
同理，可以定义剪应力、剪应变的均值和幅值τm,τa,γm,γa:
Figure BDA0003498329610000083
Figure BDA0003498329610000084
Figure BDA0003498329610000085
Figure BDA0003498329610000086
式中，
Figure BDA0003498329610000087
Figure BDA0003498329610000088
剪应变能ΔτΔγ定义为构件在稳定循环下包围迟滞回线的最小矩形，即为剪应力变幅Δτ与剪应变变幅Δγ的乘积，变幅Δτ＝2τa，Δγ＝2γa，于是
ΔτΔγ＝4τa×γa
多轴应力比ρ定义为正应力最大值σn,max与剪应力幅值τa的比值，即：
Figure BDA0003498329610000089
(3)计算危险点处的虚拟应变能并采用扭转载荷的剪应变能寿命曲线进行寿命预测。这里虚拟应变能为对单轴拉压载荷、扭转载荷下剪应变能寿命曲线中剪应变能进行归一化处理后的应变能。单轴拉压载荷、扭转载荷下剪应变能寿命曲线预先根据材料单轴拉压、扭转疲劳试验数据确定。具体为：
分别计算单轴拉压、扭转载荷下每个疲劳数据点临界面上的剪应变能，首尾相连绘制剪应变能-寿命曲线，拟合求解两种载荷状况下，剪应变能-寿命曲线的各项参数A1,B1,A3,B3。
分析典型韧性金属材料单轴拉压、扭转状态下的剪应变能-寿命曲线。可以发现两种载荷状况下的剪应变能与寿命具有较好的双对数线性关系，分别对两条曲线进行幂函数拟合，即可用以描述对应寿命的剪应变能。
Figure BDA0003498329610000091
单轴拉压载荷
Figure BDA0003498329610000092
扭转载荷
虚拟应变能通过归一化不同载荷路径的剪应变能，从而计算疲劳寿命：
Figure BDA0003498329610000093
Figure BDA0003498329610000094
式中，多轴应力比ρ来反映不同载荷路径的影响。
基于虚拟应变能的扭转载荷下寿命曲线计算疲劳寿命的详细过程可见图3。
下面以一具体实验例对本发明方案做进一步验证。本例采用的材料是由选区激光熔化生产的316L不锈钢，进行了多种载荷路径的疲劳试验，即单轴拉压、扭转、比例和90°非比例多轴载荷。首先对试验件进行有限元分析，确定危险点并求出危险点处应力应变载荷时间历程[σ(t)]，[ε(t)]；然后通过坐标变换求解临界面上剪应变能ΔτΔγ和多轴应力比ρ；再根据材料单轴拉压、扭转疲劳试验数据确定模型的参数A1,B1,A3,B3；最后计算待求载荷下危险点处虚拟应变能WV并求解寿命Nf。详细过程如下：
S1：本例采用的试验件材料为增材制造316L钢，标距段长度为38mm，直径为12mm的实心圆棒。采用MTS809拉扭试验机进行不含平均应力的单轴拉压、扭转、多轴比例载荷、90°非比例载荷和包含平均应力的单轴拉压、多轴比例载荷、90°非比例载荷试验。单轴拉压、扭转试验件疲劳数据用以确定本发明模型的参数，其他载荷路径的疲劳数据用以验证本发明模型的正确性，具体的试验数据如表1所示，其中载荷比R为应力最小值与最大值之比，用以描述平均应力的大小，相位角Φ为正应力与剪应力的相位差，用以描述非比例程度。
表1 316L钢疲劳试验结果
Figure BDA0003498329610000095
Figure BDA0003498329610000101
本例采用有限元软件Patran&Nastran进行有限元分析。以试验件质心为原点，试验件轴线方向为x轴，建立整体坐标系。由于光滑试件标距段表面每个点应力应变状态都相同，裂纹可能从标距段表面任意位置萌生，不妨假定疲劳危险点为坐标(0,6,0)的点。
网格划分采取先建立二维壳单元，再沿轴线旋转扫掠生成三维实体单元的方法，并对疲劳危险点局部加密，1mm划分20个单元，有限元建模结果如图5所示。
在疲劳试验过程中，未发现塑性应变或塑性应变可以忽略，因此采用线弹性本构模型，弹性模量E＝190.8GPa,泊松比v＝0.3由静力试验测得。
为模拟试验件在试验机上的受载状况，对试验件一端固支，另一端建立MPC并施加载荷。
最后进行有限元计算，并导出应力应变载荷时间历程[σ(t)]，[ε(t)]。
S2：采用matlab软件进行编程，对三个角度
Figure BDA0003498329610000102
从0°到180°，步长为1，分别求解每个平面Δ的剪应变能，找出其中剪应变能最大的平面定位临界面，并求解本模型需要的参数，列于表2的3-7列。
表2 316L钢采用本模型计算的数据
Figure BDA0003498329610000111
S3：绘制单轴拉压(编号P-03至P-12)，扭转(编号P-21至P-28)状况下剪应变能ΔτΔγ-寿命Nf曲线，如图4所示，采用matlab拟合程序或Excel拟合功能对曲线进行幂函数拟合，求出A1＝5.42,B1＝-0.13,A3＝3.03,B3＝-0.06。
S4：根据模型
Figure BDA0003498329610000112
Figure BDA0003498329610000113
求解各个载荷状况下的虚拟应变能值WV，并计算寿命Nf,e，分别列于表2的第8、9列。为了便于比较结果，计算结果与试验结果绘制与图6。由图可见，79％的寿命预测点处于2倍误差带内，93％的寿命预测点处于3倍误差带内，对各种载荷路径的疲劳寿命预测均取得了较好的预测效果。
基于相同的发明构思，本发明实施例提供的一种基于虚拟应变能的金属材料多轴疲劳寿命预测系统，如图7所示，包括输入模块，处理模块以及输出模块，所述输入模块用于输入金属构件几何模型以及外载荷；所述输出模块用于显示预测的金属构件在给定外载荷下的寿命；所述处理模块包括：应力应变计算单元，用于对金属构件进行有限元分析，确定危险点并求出危险点处应力应变载荷时间历程；临界面计算单元，用于计算经过危险点的每个平面的剪应变能，以剪应变能最大的平面为临界面，得到临界面上的剪应变能以及多轴应力比；其中剪应变能定义为剪应力变幅与剪应变变幅的乘积，多轴应力比定义为临界面上正应力最大值与剪应力幅值的比值；以及预测单元，用于计算危险点处的虚拟应变能并采用扭转载荷的剪应变能寿命曲线进行寿命预测；所述虚拟应变能为对单轴拉压载荷、扭转载荷下剪应变能寿命曲线中剪应变能进行归一化处理后的应变能。单轴拉压载荷、扭转载荷下剪应变能寿命曲线由幂函数拟合单元生成，所述幂函数拟合单元，用于分别计算单轴拉压、扭转载荷下每个疲劳数据点临界面上的剪应变能，首尾相连绘制剪应变能-寿命曲线，以幂函数分别拟合求解两种载荷状况下，剪应变能-寿命曲线的各项参数。
本领域技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的各单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。所述单元的划分仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元可以结合或者可以集成到另一个系统。
基于相同的发明构思，本发明实施例提供的一种计算机系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现所述的基于虚拟应变能的金属材料多轴疲劳寿命预测方法。
本领域技术人员可以理解的是，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明实施例所述方法的全部或部分步骤。存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储计算机程序的介质。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于虚拟应变能的金属材料多轴疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对金属构件进行有限元分析，确定危险点并求出危险点处应力应变载荷时间历程；
(2)计算经过危险点的每个平面上的剪应变能，以剪应变能最大的平面为临界面，得到临界面上的剪应变能以及多轴应力比；其中剪应变能定义为剪应力变幅与剪应变变幅的乘积，多轴应力比定义为临界面上正应力最大值与剪应力幅值的比值；
(3)计算危险点处的虚拟应变能并采用扭转载荷的剪应变能寿命曲线进行寿命预测；所述虚拟应变能为对单轴拉压载荷、扭转载荷下剪应变能寿命曲线中剪应变能进行归一化处理后的应变能。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟应变能的金属材料多轴疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤(1)包括：
对于给定外载荷，采用三维建模软件绘制构件几何模型，并进行网格划分，对疲劳危险点附近进行网格细化；将材料属性赋予有限元模型，并对有限元模型添加边界条件，模拟构件在真实环境中的载荷状况；通过有限元分析得出危险点处应力应变载荷时间历程。
3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟应变能的金属材料多轴疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤(2)中经过危险点的每个平面上的剪应变能计算方法包括：
设金属构件在时间[0，T]内承受载荷，在疲劳危险点O处建立局部坐标系Oxyz，经过危险点O的任意平面Δ可以用在其平面上的两个方向向量和一个平面的法向量描述；具体地，向量a为平面Δ与坐标系Oxyz中平面Oxy的交线，向量b为在平面Δ上与a轴垂直的向量，n为平面Δ的法向量；向量n，a，b与坐标系Oxyz的位置关系可以用三个角度
Figure FDA0003498329600000011
表示，其中，
Figure FDA0003498329600000012
为平面Δ的方向法向量n与x轴的夹角；θ为平面Δ的方向法向量n与z轴的夹角，α为平面Δ上任意向量q与向量a的夹角；危险点O处的应力应变载荷时间历程用如下矩阵表示：
Figure FDA0003498329600000021
Figure FDA0003498329600000022
式中，σx(t)，σy(t)，σz(t)为正应力分量，τxy(t)，τyz(t)，τxz(t)为剪应力分量，εx(t)，εy(t)，εz(t)为正应变分量，γxy(t)，γyz(t)，γxz(t)剪应变分量，t为[0，T]区间内的任一时刻；
描述平面Δ的三个单位向量n，a，b通过坐标变换表示为：
Figure FDA0003498329600000023
Figure FDA0003498329600000024
Figure FDA0003498329600000025
平面Δ上任意单位向量q写作：
Figure FDA0003498329600000026
任意角度的正应力σn(t)、剪应力τq(t)、剪应变γq(t)写作：
σn(t)＝nT[σ(t)]n
τq(t)＝qT[σ(t)]n
γq(t)＝2qT[ε(t)]n
任意平面上的正应力均值σn，m定义为[0，T]区间内正应力积分的平均值，正应力幅值σn，a通过正应力的方差定义
Figure FDA0003498329600000027
Figure FDA0003498329600000031
式中，
Figure FDA0003498329600000032
定义剪应力、剪应变的均值和幅值τm，τa，γm，γa：
Figure FDA0003498329600000033
Figure FDA0003498329600000034
Figure FDA0003498329600000035
Figure FDA0003498329600000036
式中，
Figure FDA0003498329600000037
Figure FDA0003498329600000038
剪应变能ΔτΔγ定义为构件在稳定循环下包围迟滞回线的最小矩形，即为剪应力变幅Δτ与剪应变变幅Δγ的乘积，变幅Δτ＝2τa，Δγ＝2γa，于是
ΔτΔγ＝4τa×γa。
4.根据权利要求3所述的一种基于虚拟应变能的金属材料多轴疲劳寿命预测方法，其特征在于，多轴应力比ρ表示为
Figure FDA0003498329600000039
其中，σn，max为临界面上正应力最大值，σn，m为正应力均值，σn，a为正应力幅值，τa为剪应力幅值。
5.根据权利要求1所述的一种基于虚拟应变能的金属材料多轴疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤(3)中单轴拉压载荷、扭转载荷下剪应变能寿命曲线根据如下方法确定：
分别计算单轴拉压、扭转载荷下每个疲劳数据点临界面上的剪应变能，首尾相连绘制剪应变能-寿命曲线，以幂函数分别拟合求解两种载荷状况下，剪应变能-寿命曲线的各项参数A1，B1，A3，B3；两种载荷下的剪应变能-寿命曲线函数表示为：
Figure FDA0003498329600000041
单轴拉压载荷
Figure FDA0003498329600000042
扭转载荷
其中，ΔτΔγ为剪应变能，Nf为寿命。
6.根据权利要求5所述的一种基于虚拟应变能的金属材料多轴疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤(3)中归一化后的虚拟应变能WV表示为：
Figure FDA0003498329600000043
其中，
Figure FDA0003498329600000044
为归一化系数，ρ为多轴应力比。
7.一种基于虚拟应变能的金属材料多轴疲劳寿命预测系统，其特征在于，包括输入模块，处理模块以及输出模块，所述输入模块用于输入金属构件几何模型以及外载荷；所述输出模块用于显示预测的金属构件在给定外载荷下的寿命；所述处理模块包括：
应力应变计算单元，用于对金属构件进行有限元分析，确定危险点并求出危险点处应力应变载荷时间历程；
临界面计算单元，用于计算经过危险点的每个平面的剪应变能，以剪应变能最大的平面为临界面，得到临界面上的剪应变能以及多轴应力比；其中剪应变能定义为剪应力变幅与剪应变变幅的乘积，多轴应力比定义为临界面上正应力最大值与剪应力幅值的比值；
以及预测单元，用于计算危险点处的虚拟应变能并采用扭转载荷的剪应变能寿命曲线进行寿命预测；所述虚拟应变能为对单轴拉压载荷、扭转载荷下剪应变能寿命曲线中剪应变能进行归一化处理后的应变能。
8.根据权利要求7所述的一种基于虚拟应变能的金属材料多轴疲劳寿命预测系统，其特征在于，所述单轴拉压载荷、扭转载荷下剪应变能寿命曲线由幂函数拟合单元生成，所述幂函数拟合单元，用于分别计算单轴拉压、扭转载荷下每个疲劳数据点临界面上的剪应变能，首尾相连绘制剪应变能-寿命曲线，以幂函数分别拟合求解两种载荷状况下，剪应变能-寿命曲线的各项参数A1，B1，A3，B3；两种载荷下的剪应变能-寿命曲线函数表示为：
Figure FDA0003498329600000051
单轴拉压载荷
Figure FDA0003498329600000052
扭转载荷
其中，ΔτΔγ为剪应变能，Nf为寿命。
9.根据权利要求8所述的一种基于虚拟应变能的金属材料多轴疲劳寿命预测系统，其特征在于，所述预测单元中归一化后的虚拟应变能WV表示为：
Figure FDA0003498329600000053
其中，
Figure FDA0003498329600000054
为归一化系数，ρ为多轴应力比。
10.一种计算机系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被加载至处理器时实现根据权利要求1-6任一项所述的基于虚拟应变能的金属材料多轴疲劳寿命预测方法。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115034118A (zh) * 2022-07-07 2022-09-09 广州港集团有限公司 一种用于岸桥金属结构的多轴疲劳寿命计算方法
CN115310311A (zh) * 2022-07-01 2022-11-08 南京航空航天大学 一种金属材料在谱载荷下疲劳寿命计算方法
CN115982907A (zh) * 2022-12-27 2023-04-18 重庆科技学院 一种海洋深水钻井导管或者表层套管疲劳分析方法及系统
WO2023151233A1 (zh) * 2022-02-09 2023-08-17 南京航空航天大学 基于虚拟应变能的金属材料多轴疲劳寿命预测方法与系统
CN119000297A (zh) * 2024-10-16 2024-11-22 广东井岗智能精密有限公司 铝合金构件拉扭力测试方法、装置、设备及存储介质
CN120020795A (zh) * 2023-11-17 2025-05-20 中国石油化工股份有限公司 一种考虑动态特性的旋转导向疲劳寿命预测方法及系统

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116660012B (zh) * 2023-05-27 2025-11-28 河北工业大学 一种基于临界平面的多轴变幅疲劳寿命预测方法
CN117131748B (zh) * 2023-10-26 2024-01-30 湖南云箭科技有限公司 基于静动疲劳分析的结构抗疲劳分析方法及系统
CN117373580B (zh) * 2023-12-05 2024-03-08 宝鸡富士特钛业（集团）有限公司 基于时序网络实现钛合金产品的性能分析方法及系统
CN117540494B (zh) * 2024-01-10 2024-04-05 天目山实验室 一种航空舱段结构降阶分析方法、系统及设备
CN117571507B (zh) * 2024-01-16 2024-04-09 中国航空工业集团公司金城南京机电液压工程研究中心 一种单向复合材料界面剪应力值的计算方法
CN118364533B (zh) * 2024-03-05 2024-11-15 华蓝设计（集团）有限公司 一种压力锚杆剪切抗力预测方法及锚固力优化系统
CN118130098B (zh) * 2024-05-10 2024-07-16 中国航发四川燃气涡轮研究院 发动机轴类零件振扭比获取方法
CN118171397B (zh) * 2024-05-15 2024-08-13 三一重型装备有限公司 拨档齿轮轴的拨档寿命次数确定方法、装置及设备
CN118675670A (zh) * 2024-08-20 2024-09-20 南昌大学 表面粗糙度对金属材料疲劳性能影响的数值模拟量化方法
CN119004911B (zh) * 2024-08-27 2025-03-07 陆良刚 有限元边界荷载模型的设计方法、系统
CN118734660B (zh) * 2024-09-04 2024-11-08 大连理工大学 面向载荷识别的应变片最优布局方法
CN119437140A (zh) * 2024-10-15 2025-02-14 中国直升机设计研究所 一种起落架着陆载荷的应变片测量数据的解耦方法及装置
CN119715122B (zh) * 2024-12-16 2025-09-30 燕山大学 光滑试验件在预测疲劳寿命时确定临界面的方法
CN119418839A (zh) * 2025-01-08 2025-02-11 温州奇嘉鞋业有限公司 一种基于数据分析的橡胶材料疲劳寿命预测方法
CN120145627B (zh) * 2025-01-20 2025-11-21 燕山大学 一种适用于点阵结构高周疲劳性能评估的数值模拟方法
CN120105792B (zh) * 2025-02-07 2025-09-23 电子科技大学 一种随机振动载荷下的结构多轴疲劳寿命预测方法
CN120522009B (zh) * 2025-07-25 2025-09-19 上海高博航空制造有限公司 一种航空座椅生产加工在线检测控制系统
CN120594299B (zh) * 2025-08-06 2025-10-14 西北工业大学 一种合金超结构疲劳寿命预测方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106354898A (zh) * 2016-06-28 2017-01-25 湖南工业大学 一种基于总应变能量密度的焊缝疲劳寿命计算方法
CN109241577A (zh) * 2018-08-14 2019-01-18 南京航空航天大学 一种预测多轴疲劳寿命的修正fs法
CN110362940A (zh) * 2019-07-19 2019-10-22 中国船舶科学研究中心（中国船舶重工集团公司第七0二研究所） 复杂载荷作用下海洋工程结构极限承载能力计算方法
CN111881603A (zh) * 2020-07-17 2020-11-03 北京理工大学 一种考虑失效相关性的机械结构疲劳可靠性评估方法
CN113435017A (zh) * 2021-06-10 2021-09-24 北京理工大学 一种jh-2本构完整强度方程参数的优化方法
WO2021222384A1 (en) * 2020-04-28 2021-11-04 Strong Force Intellectual Capital, Llc Digital twin systems and methods for transportation systems

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005227065A (ja) 2004-02-12 2005-08-25 Hitachi Ltd 構造物の推定寿命表示方法、寿命分布作成方法、画像表示装置
US9243985B2 (en) 2009-10-05 2016-01-26 Board Of Supervisors Of Louisiana State University And Agricultural And Mechanical College Fracture fatigue entropy determination
CN107423540A (zh) * 2017-04-09 2017-12-01 北京工业大学 一种基于权平均最大剪切应变幅平面的多轴疲劳寿命预测方法
CN109885874B (zh) 2019-01-11 2022-12-23 华东理工大学 一种基于abaqus的多轴蠕变疲劳预测方法
CN109948216B (zh) 2019-03-12 2023-01-03 华东理工大学 总应变能密度修正的缺口件低周疲劳预测方法
CN110274826B (zh) 2019-07-17 2020-10-09 北京航空航天大学 基于单轴s-n的硬质金属多轴高周疲劳寿命预测方法
CN111680436B (zh) 2020-05-09 2023-07-14 清华大学 基于主载荷模式的缺口件疲劳寿命预测方法及预测装置
CN112711835B (zh) 2020-12-16 2022-10-21 北京理工大学 一种基于修正塑性应变能的金属材料疲劳寿命预测方法
CN113312817B (zh) 2021-05-31 2022-05-20 中国石油大学(华东) 一种小冲杆疲劳试验获得材料应变-寿命曲线的方法
CN113987681B (zh) 2021-11-02 2024-11-01 电子科技大学 缺口-尺寸效应下耦合应变能梯度的结构疲劳寿命评估方法
CN114580098B (zh) * 2022-02-09 2024-08-06 南京航空航天大学 基于虚拟应变能的金属材料多轴疲劳寿命预测方法与系统

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106354898A (zh) * 2016-06-28 2017-01-25 湖南工业大学 一种基于总应变能量密度的焊缝疲劳寿命计算方法
CN109241577A (zh) * 2018-08-14 2019-01-18 南京航空航天大学 一种预测多轴疲劳寿命的修正fs法
CN110362940A (zh) * 2019-07-19 2019-10-22 中国船舶科学研究中心（中国船舶重工集团公司第七0二研究所） 复杂载荷作用下海洋工程结构极限承载能力计算方法
WO2021222384A1 (en) * 2020-04-28 2021-11-04 Strong Force Intellectual Capital, Llc Digital twin systems and methods for transportation systems
CN111881603A (zh) * 2020-07-17 2020-11-03 北京理工大学 一种考虑失效相关性的机械结构疲劳可靠性评估方法
CN113435017A (zh) * 2021-06-10 2021-09-24 北京理工大学 一种jh-2本构完整强度方程参数的优化方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JING LI: ""Multiaxial fatigue life prediction for metals by means of an improved strain energy density-based critical plane criterion"", 《EUROPEAN JOURNAL OF MECHANICS - A/SOLIDS》, vol. 90, 28 June 2021 (2021-06-28), pages 104353, XP086754338, DOI: 10.1016/j.euromechsol.2021.104353 *
WENXUAN WANG: ""Research on multiaxial notch fatigue life of additively manufactured 316L considering mean stress and multiaxial stress state"", 《CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING》, 18 August 2023 (2023-08-18), pages 1 - 35 *
李斌: ""基于损伤机理的复杂应力下钢桥疲劳寿命预估研究"", 《中国博士学位论文全文数据库 工程科技II辑》, no. 2021, 15 February 2021 (2021-02-15), pages 034 - 8 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023151233A1 (zh) * 2022-02-09 2023-08-17 南京航空航天大学 基于虚拟应变能的金属材料多轴疲劳寿命预测方法与系统
CN115310311A (zh) * 2022-07-01 2022-11-08 南京航空航天大学 一种金属材料在谱载荷下疲劳寿命计算方法
CN115034118A (zh) * 2022-07-07 2022-09-09 广州港集团有限公司 一种用于岸桥金属结构的多轴疲劳寿命计算方法
CN115982907A (zh) * 2022-12-27 2023-04-18 重庆科技学院 一种海洋深水钻井导管或者表层套管疲劳分析方法及系统
CN115982907B (zh) * 2022-12-27 2023-10-17 重庆科技学院 一种海洋深水钻井导管或者表层套管疲劳分析方法及系统
CN120020795A (zh) * 2023-11-17 2025-05-20 中国石油化工股份有限公司 一种考虑动态特性的旋转导向疲劳寿命预测方法及系统
CN119000297A (zh) * 2024-10-16 2024-11-22 广东井岗智能精密有限公司 铝合金构件拉扭力测试方法、装置、设备及存储介质

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