CN118347881A - 一种多轴高周疲劳寿命预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多轴高周疲劳寿命预测方法，涉及材料疲劳寿命预测技术领域，方法包括：根据能量守恒定律，确定疲劳损伤度；确定损伤驱动力；确定内部损伤增量和本征损伤耗散增量；确定内部损伤随循环周次的演化规律以及本征损伤耗散随循环周次的演化规律；确定本征损伤耗散随内部损伤的演化规律；确定本征损伤耗散累积表征模型；在疲劳裂纹萌生的临界面上，确定无平均应力的多轴高周疲劳全寿命累积本征损伤耗散表征方程；确定受对称载荷作用的多轴高周疲劳失效准则；根据多轴高周疲劳失效准则，结合S‑N曲线，构建多轴高周疲劳寿命预测模型；根据多轴高周疲劳寿命预测模型，预测疲劳寿命。
Description
技术领域
本发明涉及材料疲劳寿命预测技术领域，特别是指一种多轴高周疲劳寿命预测方法。
背景技术
随着科学技术发展，以及人们对结构件长寿命使用要求，多轴高周疲劳已成为结构件失效的主要诱因。多轴高周疲劳，指的是结构件受多向往复循环荷载下的失效行为，一般失效寿命高于10000周次，广泛存在于诸如航空航天、石油化工等重要工程领域。在这些领域，结构件一旦发生疲劳失效，后果不堪设想。多轴高周疲劳预测，旨在根据结构件多轴受载工况评估其疲劳寿命，具有重要的工程应用价值。
然而，现有的多轴高周疲劳损伤力学方法，大多以损伤内变量定义寿命初边值条件，推演寿命预测模型。现有预测方法及建模思路，无法刻画多轴高周疲劳破坏的热力学本质及裂纹萌生方向，制约预测稳定性。
发明内容
为了解决现有预测方法及建模思路，无法刻画多轴高周疲劳破坏的热力学本质及裂纹萌生方向，制约预测稳定性的技术问题，本发明提供了一种多轴高周疲劳寿命预测方法。
本发明实施例提供的技术方案如下：
本发明实施例提供的一种多轴高周疲劳寿命预测方法，包括：
S1：根据能量守恒定律，确定疲劳损伤度；
S2：根据所述疲劳损伤度，确定损伤驱动力；
S3：根据所述疲劳损伤度与所述损伤驱动力，确定内部损伤增量和本征损伤耗散增量；
S4：根据内部损伤增量和本征损伤耗散增量，确定内部损伤随循环周次的演化规律以及本征损伤耗散随循环周次的演化规律；
S5：根据内部损伤随循环周次的演化规律以及本征损伤耗散随循环周次的演化规律，确定本征损伤耗散随内部损伤的演化规律；
S6：根据本征损伤耗散随内部损伤的演化规律，确定本征损伤耗散累积表征模型；
S7：根据本征损伤耗散累积表征模型，在疲劳裂纹萌生的临界面上，确定无平均应力的多轴高周疲劳全寿命累积本征损伤耗散表征方程；
S8：根据无平均应力的多轴高周疲劳全寿命累积本征损伤耗散表征方程，确定受对称载荷作用的多轴高周疲劳失效准则；
S9：根据多轴高周疲劳失效准则，结合S-N曲线，构建多轴高周疲劳寿命预测模型；
S10：根据所述多轴高周疲劳寿命预测模型，预测疲劳寿命。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
在本发明中，基于连续介质损伤力学和不可逆热力学理论，利用本征损伤耗散功演化模型，推演材料在疲劳裂纹萌生的临界面上的全寿命累积本征损伤耗散，并以此作为等寿命条件，准确地对多轴高周疲劳寿命进行预测，提升了预测稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种多轴高周疲劳寿命预测方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明中的技术方案进行描述。
在本发明实施例中，“示例地”、“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明中被描述为“示例”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用示例的一词旨在以具体方式呈现概念。此外，在本发明实施例中，“和/或”所表达的含义可以是两者都有，或者可以是两者任选其一。
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
参考说明书附图1，示出了本发明实施例提供的一种多轴高周疲劳寿命预测方法的流程示意图。
本发明实施例提供了一种多轴高周疲劳寿命预测方法，可以包括如下的步骤：
S1：根据能量守恒定律，确定疲劳损伤度。
在一种可能的实施方式中，S1具体为：根据以下公式，确定疲劳损伤度：
其中，σij表示应力张量，表示弹性应变张量，表示弹性应变率张量，表示塑性应变率张量，ρ表示材料密度，s表示平衡态的热力学熵值，表示熵的演化律，表示热通量对i(i＝x,y,z)取偏导数，T表示温度，表示温度变化率，D表示疲劳损伤度，表示疲劳损伤度的变化率，g表示Helmholtz自由能，Y表示损伤驱动力。
在本发明中，利用能量守恒定律来确定疲劳损伤度的好处包括更具物理基础、更准确的损伤度评估、更广泛的应用范围、更好的预测性能以及增强对疲劳机制的理解，有助于提高工程结构的安全性和可靠性。
S2：根据疲劳损伤度，确定损伤驱动力。
在一种可能的实施方式中，S2具体为：在考虑压应力作用下裂纹闭合效应的情况下，根据以下公式，确定损伤驱动力：
其中，Y表示损伤驱动力，Rv＝2(1+ν)/3+3(1-2ν)(σH/σeq)，σH表示静水应力，σeq表示von-Mises等效应力，Sij表示应力偏张量，Rv表示应力三轴因子，E0表示初始弹性模量，D表示疲劳损伤度，h表示裂纹闭合因子，σ1表示第一主应力，σ3表示第三主应力。
在不考虑压应力作用下裂纹闭合效应的情况下，根据以下公式，确定损伤驱动力：
在本发明中，根据疲劳损伤度确定损伤驱动力的好处包括更真实地反映实际工程情况、提高疲劳寿命预测的准确性和可靠性、更全面地评估材料性能以及增强对材料疲劳行为的深入理解。这有助于工程领域更好地设计和评估材料的使用寿命和可靠性。
S3：根据疲劳损伤度与损伤驱动力，确定内部损伤增量和本征损伤耗散增量。
在一种可能的实施方式中，S3具体包括：
根据以下公式，确定内部损伤增量：
dD＝ηYpdY
其中，dD表示内部损伤增量，η表示与疲劳载荷相关的参数，p表示材料参数，Y表示损伤驱动力，dY表示损伤驱动力增量。
根据以下公式，确定本征损伤耗散增量：
dQ＝YdD
其中，dQ表示本征损伤耗散增量。
在本发明中，根据疲劳损伤度与损伤驱动力确定内部损伤增量和本征损伤耗散增量的好处包括考虑疲劳载荷相关因素、更全面地描述损伤演化、提高预测精度以及深入理解材料性能。这有助于工程领域更好地评估材料的使用寿命和可靠性。
S4：根据内部损伤增量和本征损伤耗散增量，确定内部损伤随循环周次的演化规律以及本征损伤耗散随循环周次的演化规律。
在一种可能的实施方式中，S4具体包括：
使用Taylor级数将内部损伤按循环周次展开，并忽略高阶微量，确定内部损伤随循环周次的演化规律：
其中，N表示循环周次，Ymax表示单次循环中损伤驱动力最大值，Ymin表示单次循环中损伤驱动力最小值，D表示内部损伤，D(N+1)表示第N+1个循环周次中的内部损伤，D(N)表示第N个循环周次中的内部损伤，Y表示损伤驱动力，η表示与疲劳载荷相关的参数，p表示材料参数。
使用Taylor级数将本征损伤耗散按循环周次展开，并忽略高阶微量，确定本征损伤耗散随循环周次的演化规律：
其中，Q表示本征损伤耗散，Q(N+1)表示第N+1个循环周次中的本征损伤耗散，D(N)表示第N个循环周次中的本征损伤耗散。
在本发明中，根据内部损伤增量和本征损伤耗散增量，使用Taylor级数将其按循环周次展开，并忽略高阶微量，确定内部损伤随循环周次的演化规律以及本征损伤耗散随循环周次的演化规律的好处包括更全面地描述损伤演化、考虑疲劳载荷相关因素、提高预测精度以及深入理解材料疲劳行为。这有助于工程领域更好地评估材料的使用寿命和可靠性。
S5：根据内部损伤随循环周次的演化规律以及本征损伤耗散随循环周次的演化规律，确定本征损伤耗散随内部损伤的演化规律。
在一种可能的实施方式中，S5具体包括：
根据以下公式，确定本征损伤耗散随内部损伤的演化规律：
其中，dQ表示本征损伤耗散增量，dD表示内部损伤增量，p表示材料参数，Ymax表示单次循环中损伤驱动力最大值，Ymin表示单次循环中损伤驱动力最小值。
在本发明中，根据内部损伤随循环周次的演化规律以及本征损伤耗散随循环周次的演化规律，确定本征损伤耗散随内部损伤的演化规律的好处包括更准确地描述损伤演化关系、提高预测准确性、深入理解材料行为和损伤积累规律，从而在工程实践中更好地应用于材料疲劳寿命预测和结构安全评估。
不考虑压缩应力的裂纹闭合效应，并结合损伤驱动力的具体形式，对拉伸高周疲劳损伤可认为Ymax＞＞Ymin，对本征损伤耗散随内部损伤的演化规律简化处理为：
在本发明中，这种简化处理的好处在于降低了模型的复杂度，提高了模型的可操作性和实用性，使得本征损伤耗散随内部损伤的演化规律更加方便地应用于工程实践中，同时适应了特定工程需求和预测准确性的平衡。
S6：根据本征损伤耗散随内部损伤的演化规律，确定本征损伤耗散累积表征模型。
在一种可能的实施方式中，S6具体为：根据以下公式，确定本征损伤耗散累积表征模型：
其中，Qc表示本征损伤耗散累积量，Dc表示临界损伤值，p表示材料参数，Ymax表示单次循环中损伤驱动力最大值，dD表示内部损伤增量，σmax表示最大循环应力，E0表示初始弹性模量。
在本发明中，根据本征损伤耗散随内部损伤的演化规律，确定本征损伤耗散累积表征模型的好处在于提供了一种有效的方法来评估材料的疲劳性能和寿命，指导工程应用和结构设计，同时也能够节约资源并提高工程效率。
S7：根据本征损伤耗散累积表征模型，在疲劳裂纹萌生的临界面上，确定无平均应力的多轴高周疲劳全寿命累积本征损伤耗散表征方程。
在一种可能的实施方式中，S7具体为：根据以下公式，在疲劳裂纹萌生的临界面上，确定无平均应力的多轴高周疲劳全寿命累积本征损伤耗散表征方程：
其中，Qc表示本征损伤耗散累积量，表示临界面上的最大剪切应力，表示临界面上的最大法向应力，v表示材料泊松比，Dc表示临界损伤值。
在本发明中，提供了一种定量描述材料在多轴加载下裂纹萌生临界条件和本征损伤耗散过程的方法，有助于材料疲劳性能分析、结构设计优化以及结构安全可靠性评估。
S8：根据无平均应力的多轴高周疲劳全寿命累积本征损伤耗散表征方程，确定受对称载荷作用的多轴高周疲劳失效准则。
在一种可能的实施方式中，S8具体包括：
对于承受单轴对称拉压载荷的试件，其临界面上最大法应力和剪切应力为：
其中，σ-1a表示对称拉压应力幅。
根据以下公式，确定受对称载荷作用的多轴高周疲劳失效准则：
其中，f-1表示单轴拉压或弯曲疲劳极限强度，v表示材料泊松比。
对于承受对称纯扭转载荷的试件，其临界面上最大法应力和剪切应力为：
其中，τ-1a表示对称扭转应力幅。
根据以下公式，确定受对称载荷作用的多轴高周疲劳失效准则：
其中，t-1表示纯扭转疲劳极限强度。
在本发明中，根据无平均应力的多轴高周疲劳全寿命累积本征损伤耗散表征方程，确定受对称载荷作用的多轴高周疲劳失效准则的好处在于提供了一种全面、定量且可靠的方法，用于评估材料在对称载荷作用下的疲劳性能和失效情况，对工程实践具有指导意义，有助于结构设计优化、减少失效风险，并提供了预测材料疲劳寿命的手段。
S9：根据多轴高周疲劳失效准则，结合S-N曲线，构建多轴高周疲劳寿命预测模型。
其中，S-N曲线是工程材料疲劳性能评价的重要指标之一，用于描述材料在不同应力水平下的疲劳寿命。这个曲线通常表示材料在不同应力水平下的循环应力与循环寿命之间的关系。
进一步地，常用的S-N曲线模型有Basquin公式和三参数公式。
S10：根据多轴高周疲劳寿命预测模型，预测疲劳寿命。
在一种可能的实施方式中，S9具体包括：
根据以下公式，构建多轴高周疲劳寿命预测模型：
其中，σ′f表示单轴疲劳强度系数，Nf表示疲劳寿命。
或者，
其中，τ′f表示剪切疲劳强度系数。
在本发明中，根据多轴高周疲劳失效准则，结合S-N曲线，构建多轴高周疲劳寿命预测模型的好处在于提供了一种全面、定量、可靠的方法来预测材料在多轴高周疲劳加载下的寿命，有助于工程设计、材料选择、减少试验成本，提高工程效率，并为决策提供数据支持，降低结构失效风险。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
在本发明中，基于连续介质损伤力学和不可逆热力学理论，利用本征损伤耗散功演化模型，推演材料在疲劳裂纹萌生的临界面上的全寿命累积本征损伤耗散，并以此作为等寿命条件，准确地对多轴高周疲劳寿命进行预测，提升了预测稳定性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
有以下几点需要说明：
(1)本发明实施例附图只涉及到与本发明实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。
(2)为了清晰起见，在用于描述本发明的实施例的附图中，层或区域的厚度被放大或缩小，即这些附图并非按照实际的比例绘制。可以理解，当诸如层、膜、区域或基板之类的元件被称作位于另一元件“上”或“下”时，该元件可以“直接”位于另一元件“上”或“下”或者可以存在中间元件。
(3)在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种多轴高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括：
S1：根据能量守恒定律，确定疲劳损伤度；
S2：根据所述疲劳损伤度，确定损伤驱动力；
S3：根据所述疲劳损伤度与所述损伤驱动力，确定内部损伤增量和本征损伤耗散增量；
S4：根据内部损伤增量和本征损伤耗散增量，确定内部损伤随循环周次的演化规律以及本征损伤耗散随循环周次的演化规律；
S5：根据内部损伤随循环周次的演化规律以及本征损伤耗散随循环周次的演化规律，确定本征损伤耗散随内部损伤的演化规律；
S6：根据本征损伤耗散随内部损伤的演化规律，确定本征损伤耗散累积表征模型；
S7：根据本征损伤耗散累积表征模型，在疲劳裂纹萌生的临界面上，确定无平均应力的多轴高周疲劳全寿命累积本征损伤耗散表征方程；
S8：根据无平均应力的多轴高周疲劳全寿命累积本征损伤耗散表征方程，确定受对称载荷作用的多轴高周疲劳失效准则；
S9：根据多轴高周疲劳失效准则，结合S-N曲线，构建多轴高周疲劳寿命预测模型；
S10：根据所述多轴高周疲劳寿命预测模型，预测疲劳寿命。
2.根据权利要求1所述的多轴高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述S1具体为：
根据以下公式，确定疲劳损伤度：
其中，σij表示应力张量，表示弹性应变张量，表示弹性应变率张量，表示塑性应变率张量，ρ表示材料密度，s表示平衡态的热力学熵值，表示熵的演化律，表示热通量对i(i＝x,y,z)取偏导数，T表示温度，表示温度变化率，D表示疲劳损伤度，表示疲劳损伤度的变化率，g表示Helmholtz自由能，Y表示损伤驱动力。
3.根据权利要求1所述的多轴高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述S2具体为：
在考虑压应力作用下裂纹闭合效应的情况下，根据以下公式，确定损伤驱动力：
其中，Y表示损伤驱动力，Rv＝2(1+ν)/3+3(1-2ν)(σH/σeq)，σH表示静水应力，σeq表示von-Mises等效应力，Sij表示应力偏张量，Rv表示应力三轴因子，E0表示初始弹性模量，D表示疲劳损伤度，h表示裂纹闭合因子，σ1表示第一主应力，σ3表示第三主应力；
在不考虑压应力作用下裂纹闭合效应的情况下，根据以下公式，确定损伤驱动力：
4.根据权利要求1所述的多轴高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述S3具体包括：
根据以下公式，确定内部损伤增量：
dD＝ηYpdY
其中，dD表示内部损伤增量，η表示与疲劳载荷相关的参数，p表示材料参数，Y表示损伤驱动力，dY表示损伤驱动力增量；
根据以下公式，确定本征损伤耗散增量：
dQ＝YdD
其中，dQ表示本征损伤耗散增量。
5.根据权利要求1所述的多轴高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述S4具体包括：
使用Taylor级数将内部损伤按循环周次展开，并忽略高阶微量，确定内部损伤随循环周次的演化规律：
其中，N表示循环周次，Ymax表示单次循环中损伤驱动力最大值，Ymin表示单次循环中损伤驱动力最小值，D表示内部损伤，D(N+1)表示第N+1个循环周次中的内部损伤，D(N)表示第N个循环周次中的内部损伤，Y表示损伤驱动力，η表示与疲劳载荷相关的参数，p表示材料参数；
使用Taylor级数将本征损伤耗散按循环周次展开，并忽略高阶微量，确定本征损伤耗散随循环周次的演化规律：
其中，Q表示本征损伤耗散，Q(N+1)表示第N+1个循环周次中的本征损伤耗散，D(N)表示第N个循环周次中的本征损伤耗散。
6.根据权利要求1所述的多轴高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述S5具体包括：
根据以下公式，确定本征损伤耗散随内部损伤的演化规律：
其中，dQ表示本征损伤耗散增量，dD表示内部损伤增量，p表示材料参数，Ymax表示单次循环中损伤驱动力最大值，Ymin表示单次循环中损伤驱动力最小值；
不考虑压缩应力的裂纹闭合效应，并结合损伤驱动力的具体形式，对拉伸高周疲劳损伤可认为Ymax＞＞Ymin，对本征损伤耗散随内部损伤的演化规律简化处理为：
7.根据权利要求1所述的多轴高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述S6具体为：
根据以下公式，确定本征损伤耗散累积表征模型：
其中，Qc表示本征损伤耗散累积量，Dc表示临界损伤值，p表示材料参数，Ymax表示单次循环中损伤驱动力最大值，dD表示内部损伤增量，σmax表示最大循环应力，E0表示初始弹性模量。
8.根据权利要求1所述的多轴高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述S7具体为：
根据以下公式，在疲劳裂纹萌生的临界面上，确定无平均应力的多轴高周疲劳全寿命累积本征损伤耗散表征方程：
其中，Qc表示本征损伤耗散累积量，表示临界面上的最大剪切应力，表示临界面上的最大法向应力，v表示材料泊松比，Dc表示临界损伤值。
9.根据权利要求1所述的多轴高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述S8具体包括：
对于承受单轴对称拉压载荷的试件，其临界面上最大法应力和剪切应力为：
其中，σ-1a表示对称拉压应力幅；
根据以下公式，确定受对称载荷作用的多轴高周疲劳失效准则：
其中，f-1表示单轴拉压或弯曲疲劳极限强度，v表示材料泊松比；
对于承受对称纯扭转载荷的试件，其临界面上最大法应力和剪切应力为：
其中，τ-1a表示对称扭转应力幅；
根据以下公式，确定受对称载荷作用的多轴高周疲劳失效准则：
其中，t-1表示纯扭转疲劳极限强度。
10.根据权利要求1所述的多轴高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述S9具体包括：
根据以下公式，构建多轴高周疲劳寿命预测模型：
其中，σ′f表示单轴疲劳强度系数，Nf表示疲劳寿命；
或者，
其中，τ′f表示剪切疲劳强度系数。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |