CN115828628A - 一种多级变幅疲劳加载剩余寿命计算方法 - Google Patents

一种多级变幅疲劳加载剩余寿命计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多级变幅疲劳加载剩余寿命计算方法，根据应力寿命S‑N曲线，拟合得到应力寿命关系式，开展单轴多级变幅疲劳加载试验，结合疲劳驱动力等效和考虑载荷相互作用的疲劳损伤等效法则推导出多级变幅疲劳加载剩余寿命计算模型，当获取到材料的每一级应力对应的疲劳寿命和前n‑1级的循环加载次数，则可以预测第n级的剩余循环寿命，加载第n级载荷直至材料失效，获得预测剩余寿命与试验的误差。本发明基于应力寿命S‑N曲线，通过损伤等效推导出多级变幅疲劳加载剩余寿命计算模型，运用载荷交互系数将每级载荷交互考虑到对疲劳寿命影响中，使得能够很好地考虑载荷相互作用和载荷次序效应对疲劳寿命的影响，得到更为精确的剩余寿命计算方法。

Description

一种多级变幅疲劳加载剩余寿命计算方法
技术领域
本发明涉及机械结构强度疲劳计算技术领域，尤其涉及一种多级变幅疲劳加载剩余寿命计算方法。
背景技术
机械部件在其寿命期间通常在振幅变化的循环应力下工作，疲劳现象是由这些应力产生的，它是机械部件在运行过程中失效的主要原因，因此评估机械部件疲劳寿命是一个关键问题，这也是最常见的结构工程问题之一。为了预测部件的剩余寿命，重要的是制定一种评估疲劳损伤累积的方法。
多年来，设计工程师使用线性损伤规则及其修正来预测变幅载荷情况下部件的疲劳寿命，但由于材料损伤往往是非线性的，需要考虑加载历史对寿命的影响，基于该法则的寿命预测通常都不令人满意，因此需要建立变幅载荷下的非线性寿命预测方法，而且现有的机械部件结构多级疲劳加载剩余寿命预测方法通常没有考虑载荷相互作用的影响，导致依据此方法得到的剩余寿命准确度不高的缺陷。
因此有必要建立一种新的多级变幅疲劳加载剩余寿命计算方法，同时考虑载荷交互作用和载荷次序效应，为机械结构部件在复杂疲劳载荷下的剩余寿命计算提供新的解决手段。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的没有考虑载荷相互作用的影响造成剩余寿命预测准确度不高的缺点，而提出的一种多级变幅疲劳加载剩余寿命计算方法，为了提高目前工程中的变幅疲劳加载剩余寿命预测准确度，考虑载荷交互作用和载荷次序效应对疲劳寿命的影响。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种多级变幅疲劳加载剩余寿命计算方法，包括以下步骤：
步骤一，根据单轴疲劳试验获得材料的应力寿命S-N曲线，拟合得到应力寿命关系式，获得系数b和A，表达式为：
Figure BDA0004020070910000021
步骤二，开展单轴多级变幅疲劳加载试验，将每一级的加载应力σn带入应力寿命关系式，获得在该加载应力下的疲劳寿命Nfn，记录前n-1级的循环加载次数；
步骤三，根据应力寿命关系式，结合疲劳驱动力等效和考虑载荷相互作用的疲劳损伤等效法则推导出多级变幅疲劳加载剩余寿命计算模型，表达式为：
Figure BDA0004020070910000022
Figure BDA0004020070910000023
式中，σ1为第一级加载应力，σn为第n级加载应力(n≥2)，θn-1，n为疲劳载荷交互系数，下标n表示第n级加载，nn为第n级加载循环次数，Nfn为第n级加载应力σn条件下的寿命循环次数，n″n为n-1级的等效加载循环次数；
根据多级变幅疲劳加载剩余寿命计算模型，当获取到材料的每一级应力对应的疲劳寿命Nfn和前n-1级的循环加载次数，则可以预测第n级的剩余循环寿命；
步骤四，继续加载第n级载荷直至材料失效，获得预测剩余寿命与试验的误差。
进一步的，所述步骤一中，材料单轴疲劳试验为应力比为R＝-1的循环对称疲劳加载试验。
进一步的，所述步骤二中，材料单轴多级变幅疲劳加载试验为每级应力比为R＝-1的循环对称疲劳加载试验。
进一步的，所述步骤三中，每级之间载荷交互系数θ表现了载荷交互作用，第一级载荷对第二级载荷的交互影响表现为：
Figure BDA0004020070910000031
第二级对三级的交互影响表现为：
Figure BDA0004020070910000032
第n-1级对第n级的交互影响表现为：
Figure BDA0004020070910000033
进一步的，所述步骤三中，n″n为第n-1级等效加载循环次数，是通过将第n-1级的等效驱动力考虑载荷交互系数θn-1，n，然后等效为第n的等效驱动力得到的，等效关系表示为：
Figure BDA0004020070910000041
其中F表示疲劳驱动力函数，F的表达式为：
Figure BDA0004020070910000042
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出的多级变幅疲劳加载剩余寿命计算方法，只需要基于应力寿命S-N曲线，然后通过损伤等效推导出多级变幅疲劳加载剩余寿命计算模型，运用载荷交互系数θ将每级载荷交互考虑到对疲劳寿命影响中，使得本发明的方法能够很好地考虑载荷相互作用和载荷次序效应对疲劳寿命的影响，得到更为精确的机械部件结构的多级变幅疲劳加载剩余寿命计算方法。
附图说明
图1为本发明提出的一种多级变幅疲劳加载剩余寿命计算方法的实施流程图；
图2为实施例中铝合金Al2024应力寿命图；
图3为实施例中铝合金Al2024第二级剩余寿命循环与模型预测剩余循环误差图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例一：
如图1所示，多级变幅疲劳加载剩余寿命计算方法包括以下步骤：
步骤一，根据单轴疲劳试验获得材料的应力寿命S-N曲线，拟合得到应力寿命关系式，获得系数b和A，表达式为：
Figure BDA0004020070910000051
材料单轴疲劳试验的应力比为R＝-1的循环对称疲劳加载试验。
步骤二，开展单轴多级变幅疲劳加载试验，将每一级的加载应力σn带入应力寿命关系式，获得在该加载应力下的疲劳寿命Nfn，记录前n-1级的循环加载次数，材料单轴多级变幅疲劳加载试验为每级应力比为R＝-1的循环对称疲劳加载试验。
步骤三，根据应力寿命关系式，结合疲劳驱动力等效和考虑载荷相互作用的疲劳损伤等效法则推导出多级变幅疲劳加载剩余寿命计算模型，表达式为：
Figure BDA0004020070910000052
Figure BDA0004020070910000053
式中，σ1为第一级加载应力，σn为第n级加载应力(n≥2)，θn-1，n、θn-2，n-1均为疲劳载荷交互系数，下标n表示第n级加载，nn为第n级加载循环次数，Nfn为第n级加载应力σn条件下的寿命循环次数，n″n为n-1级的等效加载循环次数；
根据多级变幅疲劳加载剩余寿命计算模型，当获取到材料的每一级应力对应的疲劳寿命Nfn和前n-1级的循环加载次数，则可以预测第n级的剩余循环寿命；
每级之间载荷交互系数θ表现了载荷交互作用，第一级载荷对第二级载荷的交互影响表现为：
Figure BDA0004020070910000061
第二级对三级的交互影响表现为：
Figure BDA0004020070910000062
第n-1级对第n级的交互影响表现为：
Figure BDA0004020070910000063
n″n为第n-1级等效加载循环次数，是通过将第n-1级的等效驱动力考虑载荷交互系数θn-1，n，然后等效为第n的等效驱动力得到的，等效关系表示为：
Figure BDA0004020070910000064
其中F表示疲劳驱动力函数，F的表达式为：
Figure BDA0004020070910000065
步骤四，继续加载第n级载荷直至材料失效，获得预测剩余寿命与试验的误差。
实施例二：
本实施例以铝合金A12024为研究对象，来验证多级变幅疲劳加载剩余寿命计算方法的可行性，铝合金Al2024的材料名称为：2024铝合金，其标准：JIS H4000-1999，主要特征表现为：高强度硬铝，可进行热处理强化，在淬火和刚淬火状态下塑性中等，点焊焊接良好，用气焊时有形成晶间裂纹的倾向，合金在淬火和冷作硬化后其可切削性能尚好，退火后可切削性低，抗腐蚀性不高，常采用阳极氧化处理与涂漆方法或表面加包铝层以提高其抗腐蚀能力。用途主要用于制作各种高负荷的零件和构件(但不包括冲压件锻件)，如飞机上的骨架零件，蒙皮，隔框，翼肋，翼梁，铆钉等150℃以下工作的零件。
结合图1的实施流程图，铝合金Al2024的多级变幅疲劳加载剩余寿命计算方法包括以下步骤：
步骤1、根据单轴疲劳试验获得铝合金A12024在不同应力下的疲劳寿命，拟合得到应力寿命关系式，获得系数b和A；单轴疲劳试验为应力比为R＝-1的循环对称疲劳加载试验，试验方案和试验结果如表1所示：
表1铝合金A12024疲劳试验方案
Figure BDA0004020070910000071
如图2所示，通过应力幅σ与循环寿命Nf拟合得到材料的S-N曲线，表达式为：
Figure BDA0004020070910000072
式中，b和A为材料参数，可以拟合得到参数b和A为：
b＝-0.273，
A＝5179.4；
步骤2、开展单轴两级变幅疲劳加载试验，将第一级的加载应力σ1带入应力寿命关系式(3)，获得在该加载应力下的疲劳寿命
Figure BDA0004020070910000081
将第二级加载应力σ2带入应力寿命关系式(3)，获得在该加载应力下的疲劳寿命
Figure BDA0004020070910000082
记录第一级的循环加载次数，结果如表2所示：
表2为铝合金A12024两级加载疲劳试验
Figure BDA0004020070910000083
步骤3，根据应力寿命关系式，结合疲劳驱动力等效和考虑载荷相互作用的疲劳损伤等效法则推导出变幅疲劳加载第二级剩余寿命预测模型，表达式为：
Figure BDA0004020070910000084
Figure BDA0004020070910000085
式中，σ1为第一级加载应力，σ2为第二级加载应力(n≥2)，θ1，2为疲劳载荷交互系数，下标2表示第二级加载，n2为第二级加载循环次数，n″2为第一级等效加载循环次数，Nf2为第二级加载应力σ2条件下的寿命循环次数。
根据剩余寿命计算模型，计算第二级的剩余循环寿命，结果如表3所示：
表3为铝合金Al2024第二级加载寿命预测结果
Figure BDA0004020070910000091
步骤4，继续加载第二级载荷直至材料失效，获得预测剩余寿命与试验的误差；寿命的误差如附图3所示。
通过本实施例及图3铝合金Al2024第二级剩余寿命循环与模型预测剩余循环误差图可知，本实施例提出的多级变幅疲劳加载剩余寿命计算方法，只需要基于应力寿命S-N曲线，然后通过损伤等效推导出多级变幅疲劳加载剩余寿命计算模型，运用载荷交互系数θ将每级载荷交互考虑到对疲劳寿命影响中，使得本发明的方法能够很好地考虑载荷相互作用和载荷次序效应对疲劳寿命的影响，是一种更为精确的剩余寿命计算方法。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多级变幅疲劳加载剩余寿命计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，根据单轴疲劳试验获得材料的应力寿命S-N曲线，拟合得到应力寿命关系式，获得系数b和A，表达式为：
Figure FDA0004020070900000011
步骤二，开展单轴多级变幅疲劳加载试验，将每一级的加载应力σn带入应力寿命关系式，获得在该加载应力下的疲劳寿命Nfn，记录前n-1级的循环加载次数；
步骤三，根据应力寿命关系式，结合疲劳驱动力等效和考虑载荷相互作用的疲劳损伤等效法则推导出多级变幅疲劳加载剩余寿命计算模型，表达式为：
Figure FDA0004020070900000012
Figure FDA0004020070900000013
式中，σ1为第一级加载应力，σn为第n级加载应力(n≥2)，θn-1，n为疲劳载荷交互系数，下标n表示第n级加载，nn为第n级加载循环次数，Nfn为第n级加载应力σn条件下的寿命循环次数，n″n为n-1级的等效加载循环次数；
根据多级变幅疲劳加载剩余寿命计算模型，当获取到材料的每一级应力对应的疲劳寿命Nfn和前n-1级的循环加载次数，则可以预测第n级的剩余循环寿命；
步骤四，继续加载第n级载荷直至材料失效，获得预测剩余寿命与试验的误差。
2.根据权利要求1所述的一种多级变幅疲劳加载剩余寿命计算方法，其特征在于，所述步骤一中，材料单轴疲劳试验为应力比为R＝-1的循环对称疲劳加载试验。
3.根据权利要求1所述的一种多级变幅疲劳加载剩余寿命计算方法，其特征在于，所述步骤二中，材料单轴多级变幅疲劳加载试验为每级应力比为R＝-1的循环对称疲劳加载试验。
4.根据权利要求1所述的一种多级变幅疲劳加载剩余寿命计算方法，其特征在于，所述步骤三中，每级之间载荷交互系数θ表现了载荷交互作用，第一级载荷对第二级载荷的交互影响表现为：
Figure FDA0004020070900000021
第二级对三级的交互影响表现为：
Figure FDA0004020070900000022
第n-1级对第n级的交互影响表现为：
Figure FDA0004020070900000023
5.根据权利要求1所述的一种多级变幅疲劳加载剩余寿命计算方法，其特征在于，所述步骤三中，n″n为第n-1级等效加载循环次数，是通过将第n-1级的等效驱动力考虑载荷交互系数θn-1，n，然后等效为第n的等效驱动力得到的，等效关系表示为：
Figure FDA0004020070900000031
其中F表示疲劳驱动力函数，F的表达式为：
Figure FDA0004020070900000032
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