WO2021227925A1 - 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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WO2021227925A1
WO2021227925A1 PCT/CN2021/091925 CN2021091925W WO2021227925A1 WO 2021227925 A1 WO2021227925 A1 WO 2021227925A1 CN 2021091925 W CN2021091925 W CN 2021091925W WO 2021227925 A1 WO2021227925 A1 WO 2021227925A1
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shear
fatigue
strain
equivalent
tensile
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PCT/CN2021/091925
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李鑫
朱煜
陶志强
成荣
王磊杰
张鸣
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清华大学
北京华卓精科科技股份有限公司
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    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces

Definitions

  • the present invention relates to the field of multi-axis fatigue strength theory, in particular to a method and a device for predicting fatigue life of notched parts based on a main load mode.
  • the degree of development of the lithography machine directly affects the integration and performance of the semiconductor chip, so the research and development of the lithography machine is highly valued by the country.
  • these structural parts usually work under the action of multiaxial variable amplitude loads, and multiaxial fatigue failure is the main failure form.
  • the local stress-strain method can be applied to the prediction of uniaxial notch fatigue life more maturely.
  • the research results of multi-axial notch fatigue under various loads are still immature. Especially for the fatigue problem of notched parts under the action of multi-axis variable amplitude non-proportional load, there is no mature fatigue life prediction method so far.
  • the fatigue life prediction method of notched parts based on the main load mode of the present invention includes the following steps:
  • the tensile fatigue damage model is selected to estimate the fatigue damage; if D ⁇ ⁇ D ⁇ , the shear fatigue damage model is selected to estimate the fatigue damage.
  • the determination formulas for estimating fatigue damage by the tensile fatigue damage model and the shear fatigue damage model are as follows;
  • ⁇ ′ f , ⁇ ′ f , b, and c are the fatigue strength coefficient, fatigue ductility coefficient, fatigue strength index and fatigue ductility index, respectively,
  • N f ⁇ is the tensile fatigue life
  • ⁇ ′ f is the shear fatigue strength coefficient
  • ⁇ ′ f is the shear fatigue ductility coefficient
  • c 0 is the shear fatigue ductility index
  • ⁇ ′ f , ⁇ ′ f , b and c are the tensile fatigue strength coefficient, tensile fatigue ductility coefficient, tensile fatigue strength index and tensile fatigue ductility index respectively;
  • G is the shear modulus
  • E is the modulus of elasticity.
  • n is the total cycle count
  • N block load required fatigue failure N block load required fatigue failure
  • the step of predicting the fatigue life of the tensile notch includes:
  • ⁇ e ⁇ max /2 is the virtual shear strain amplitude on the maximum shear plane
  • E is the modulus of elasticity
  • e and N respectively represent the virtual quantity and the real quantity at the gap
  • n'and K' are the cyclic strain hardening index and strength coefficient, respectively;
  • Equation 5 The relationship between the tensile virtual equivalent strain and the true equivalent stress is determined by Equation 5 and Equation 6 as follows:
  • ⁇ ′ f , ⁇ ′ f , b, and c are the fatigue strength coefficient, fatigue ductility coefficient, fatigue strength index and fatigue ductility index, respectively,
  • N f ⁇ is the tensile fatigue life.
  • the prediction of the fatigue life of the shear-type notch includes the following steps:
  • G is the shear modulus
  • Equation 12 The relationship between the virtual equivalent shear strain and the real equivalent stress is determined by Equation 12 and Equation 13 as follows:
  • the fatigue life of the notched component is calculated by using the Manson-Coffin equation, and then the shear fatigue damage value D ⁇ generated by the cyclic load is obtained:
  • ⁇ ′ f is the shear fatigue strength coefficient
  • ⁇ ′ f is the shear fatigue ductility coefficient
  • c 0 is the shear fatigue ductility index
  • ⁇ ′ f , ⁇ ′ f , b and c are the tensile fatigue strength coefficient, tensile fatigue ductility coefficient, tensile fatigue strength index and tensile fatigue ductility index respectively;
  • the load applied to the finite element model of the notch includes any one or more of tension and compression, torsion, and bending and torsion loads.
  • Process is preferably calculated shear Shang-Wang multiaxial fatigue damage parameters by the virtual strain history e ⁇ ij (t), first to determine the critical shear strain virtual virtual plane strain history e ⁇ ij (t) The history e ⁇ (t) and the virtual normal strain history e ⁇ n (t) are then determined by the virtual shear strain history e ⁇ (t) and the virtual normal strain history e ⁇ n (t) on the critical surface Fictitious normal strain range on the critical surface And the virtual shear strain range ⁇ e ⁇ max .
  • the calculation formula of von Mises equivalent strain is:
  • ⁇ eff is the effective Poisson's ratio
  • ⁇ x (t), ⁇ y (t), and ⁇ z (t) are the normal strain of the corresponding coordinate axis at time t;
  • ⁇ xy (t), ⁇ yz (t), and ⁇ xz (t) are respectively the shear strain of the corresponding coordinate axis at time t,
  • ⁇ x (t r ), ⁇ y (t r ), and ⁇ z (t r ) are respectively the normal strain of the corresponding coordinate axis at the time t r;
  • ⁇ xy (t r ), ⁇ yz (t r ), and ⁇ xz (t r ) are respectively the shear strain of the corresponding coordinate axis at the time t r.
  • the present invention also provides a device for predicting fatigue life of notched parts based on the main load mode, including:
  • the virtual strain history acquisition module uses the finite element method to establish the finite element model of the notch and divides the mesh, and uses the finite element method to impose constraints and loads on the finite element model of the notch to obtain the virtual strain history e ⁇ ij (t) of the notch area.
  • the loop count acquisition module uses the Wang-Brown multi-axis loop count algorithm to obtain the total loop count n;
  • the fatigue damage model determination module corresponding to each cycle count, predicts the fatigue life of tensile notched parts, and obtains the tensile fatigue damage value D ⁇ generated by the cyclic load;
  • the tensile fatigue damage model is selected to estimate the fatigue damage; if D ⁇ ⁇ D ⁇ , the shear fatigue damage model is selected to estimate the fatigue damage.
  • the proposed method can consider the non-proportional additional strengthening effect caused by external load, and the fatigue life prediction accuracy is higher;
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the steps of a method for predicting fatigue life of a notch based on a main load mode according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 2 is a schematic diagram showing a notch.
  • Step S1) Use the finite element method to establish a finite element model of the notched part, and divide the mesh;
  • the number of grids will affect the accuracy of the calculation result and the size of the calculation scale. Under normal circumstances, as the number of grids increases, the calculation accuracy will increase, but at the same time the calculation scale will also increase. Therefore, two factors should be considered when determining the number of grids.
  • the grid number at the root of the gap is gradually refined.
  • the grid number at the root of the gap can be determined. Specifically, when the current and last two calculation accuracy differences are less than a preset threshold, the number of grids in the previous time may be used as the number of grids at the root of the gap.
  • the load L b (t) includes any one or more of tension and compression, torsion, and bending torsion loads.
  • d represents the number of loads L b (t), and b represents one of the loads;
  • the subscript e represents the virtual quantity at the gap, which represents the quantity simulated by the finite element method
  • Step S4) Use the Wang-Brown multi-axis cycle counting algorithm to obtain the total cycle count n;
  • Step S5) Corresponding to each cycle count, predict the fatigue life of the tensile notch, and obtain the tensile fatigue damage value D ⁇ generated by the cyclic load;
  • Step S6 Corresponding to each cycle count, predict the fatigue life of the shear-type notch, and obtain the shear fatigue damage value D ⁇ generated by the cyclic load;
  • Step S7 Corresponding to each cycle count, if D ⁇ ⁇ D ⁇ , then the tension and compression load is the main load, and the tensile fatigue damage model is selected to estimate the fatigue damage; if D ⁇ ⁇ D ⁇ , the torsional load is the main load, select The shear-type fatigue damage model estimates the fatigue damage, and its judgment formula is as follows:
  • ⁇ ′ f , ⁇ ′ f , b, and c are the fatigue strength coefficient, fatigue ductility coefficient, fatigue strength index and fatigue ductility index, respectively,
  • N f ⁇ is the tensile fatigue life
  • ⁇ ′ f is the shear fatigue strength coefficient
  • ⁇ ′ f is the shear fatigue ductility coefficient
  • c 0 is the shear fatigue ductility index
  • ⁇ ′ f , ⁇ ′ f , b and c are the tensile fatigue strength coefficient, tensile fatigue ductility coefficient, tensile fatigue strength index and tensile fatigue ductility index respectively;
  • G is the shear modulus
  • E is the modulus of elasticity.
  • step S8 to step S10
  • Step S9 using the Miner linear fatigue damage accumulation theory, calculate the total cumulative fatigue damage D total :
  • n is the total cycle count
  • Step S10 Determine the number of load blocks N block required for fatigue failure.
  • the expression of N block is as follows:
  • step S5 includes
  • Step S51 Calculate tensile Shang-Wang multiaxial fatigue damage parameters through the virtual strain history e ⁇ ij (t)
  • the formula is as follows:
  • ⁇ e ⁇ max /2 is the virtual shear strain amplitude on the maximum shear plane
  • Step S52 Determine the relationship between the tensile virtual equivalent normal strain and the true equivalent stress by using the tensile Neuber method and the cyclic stress-strain relationship of the material;
  • E is the modulus of elasticity
  • e and N respectively represent the virtual quantity and the real quantity at the gap
  • n'and K' are the cyclic strain hardening index and strength coefficient, respectively;
  • Equation 5 The relationship between the tensile virtual equivalent strain and the true equivalent stress is determined by Equation 5 and Equation 6 as follows:
  • Step S53 Use the Shang-Wang multiaxial fatigue damage parameter on the critical surface Replace the virtual equivalent normal strain amplitude To consider the non-proportional additional strengthening caused by the load, the formula is as follows:
  • Step S54 Obtain the true equivalent normal stress amplitude on the critical surface through calculation And the tensile Neuber law to calculate the true equivalent normal strain amplitude on the critical surface
  • the formula is as follows:
  • Step S55 Use the Manson-Coffin equation to calculate the fatigue life of the notched component, and then obtain the tensile fatigue damage value D ⁇ generated by the uniaxial tension-compression cyclic load,
  • ⁇ ′ f , ⁇ ′ f , b, and c are the fatigue strength coefficient, fatigue ductility coefficient, fatigue strength index and fatigue ductility index, respectively,
  • N f ⁇ is the tensile fatigue life
  • step S6 includes
  • Step S61 Calculate shear-type Shang-Wang multiaxial fatigue damage parameters through the virtual strain history e ⁇ ij (t), the expression is as follows:
  • G is the shear modulus
  • Equation 12 The relationship between the virtual equivalent shear strain and the real equivalent stress is determined by Equation 12 and Equation 13 as follows:
  • Step S63 For the virtual strain history, the shear-type Shang-Wang multiaxial fatigue damage parameter on the critical surface is used Replace virtual equivalent shear strain amplitude Considering the non-proportional additional strengthening caused by the load, formula 15 is obtained,
  • Step S64 Calculate the true equivalent shear stress amplitude on the critical surface through step S63 And the shear-type Neuber law to calculate the true equivalent shear strain amplitude on the critical surface
  • Step S65 Calculate the fatigue life of the notched component by using the Manson-Coffin equation, and then obtain the shear fatigue damage value D ⁇ generated by the torsional cyclic load:
  • ⁇ ′ f is the shear fatigue strength coefficient
  • ⁇ ′ f is the shear fatigue ductility coefficient
  • c 0 is the shear fatigue ductility index
  • ⁇ ′ f , ⁇ ′ f , b and c are the tensile fatigue strength coefficient, tensile fatigue ductility coefficient, tensile fatigue strength index and tensile fatigue ductility index respectively;
  • step S61 the process of calculating the parameters of shear multiaxial fatigue damage by the virtual Shang-Wang strain history e ⁇ ij (t), the first threshold is determined by a virtual plane strain history e ⁇ ij (t) The virtual shear strain history e ⁇ (t) and the virtual normal strain history e ⁇ n (t), and then the virtual shear strain history e ⁇ (t) and the virtual normal strain history e ⁇ n ( t) to determine the virtual normal strain range on the critical surface And the virtual shear strain range ⁇ e ⁇ max .
  • ⁇ eff is the effective Poisson's ratio
  • ⁇ x (t), ⁇ y (t), and ⁇ z (t) are the normal strain of the corresponding coordinate axis at time t;
  • ⁇ xy (t), ⁇ yz (t), and ⁇ xz (t) are respectively the shear strain of the corresponding coordinate axis at time t,
  • ⁇ x (t r ), ⁇ y (t r ), and ⁇ z (t r ) are respectively the normal strain of the corresponding coordinate axis at the time t r;
  • ⁇ xy (t r ), ⁇ yz (t r ), and ⁇ xz (t r ) are respectively the shear strain of the corresponding coordinate axis at the time t r.

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Abstract

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 eε ij(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D ε；
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D γ；
对应每个循环计数，如果D ε≥D γ，则选择拉伸型疲劳损伤模型估算疲劳损伤；如果D ε<D γ，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 PCTCN2021091925-appb-000001
其中，
Figure PCTCN2021091925-appb-000002
是临界面上的真实等效正应变幅；
Figure PCTCN2021091925-appb-000003
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 PCTCN2021091925-appb-000004
N fε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；
b 0是剪切疲劳强度指数；
c 0是剪切疲劳延性指数；
Figure PCTCN2021091925-appb-000005
b 0＝b，c 0＝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 PCTCN2021091925-appb-000006
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D i，D i＝D ε或D γ；
利用Miner线性疲劳损伤累积理论，计算总的累积疲劳损伤D total：
Figure PCTCN2021091925-appb-000007
其中n为总的循环计数；
确定疲劳失效需要的载荷块数N block，N block的表达式如下：
Figure PCTCN2021091925-appb-000008
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 eε ij(t)计算拉伸型Shang-Wang多轴疲劳损伤参数
Figure PCTCN2021091925-appb-000009
其公式如下：
Figure PCTCN2021091925-appb-000010
其中，Δ eγ max/2是最大剪切平面上的虚拟剪切应变幅；
Figure PCTCN2021091925-appb-000011
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 PCTCN2021091925-appb-000012
等价于虚拟等效正应变幅
Figure PCTCN2021091925-appb-000013
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 PCTCN2021091925-appb-000014
其中，
Figure PCTCN2021091925-appb-000015
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 PCTCN2021091925-appb-000016
是虚拟等效正应力幅，
Figure PCTCN2021091925-appb-000017
是虚拟等效正应变幅；
Figure PCTCN2021091925-appb-000018
是真实等效正应力幅，
Figure PCTCN2021091925-appb-000019
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 PCTCN2021091925-appb-000020
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 PCTCN2021091925-appb-000021
采用临界面上的Shang-Wang多轴疲劳损伤参量
Figure PCTCN2021091925-appb-000022
替换虚拟等效正应变幅
Figure PCTCN2021091925-appb-000023
来考虑载荷引起的非比例附加强化，其公式如下：
Figure PCTCN2021091925-appb-000024
通过式8求解临界面上的真实等效正应力幅
Figure PCTCN2021091925-appb-000025
通过计算得到临界面上的真实等效正应力幅
Figure PCTCN2021091925-appb-000026
和拉伸型Neuber法则来计算临界面上的真实等效正应变幅
Figure PCTCN2021091925-appb-000027
其公式如下：
Figure PCTCN2021091925-appb-000028
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D ε，
Figure PCTCN2021091925-appb-000029
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 PCTCN2021091925-appb-000030
N fε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 eε ij(t)计算剪切型Shang-Wang多轴疲劳损伤参数，表达式如下：
Figure PCTCN2021091925-appb-000031
在比例多轴循环载荷下，剪切型Shang-Wang多轴疲劳损伤参数
Figure PCTCN2021091925-appb-000032
等价为虚拟等效剪切应变
Figure PCTCN2021091925-appb-000033
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 PCTCN2021091925-appb-000034
其中，
Figure PCTCN2021091925-appb-000035
G是剪切模量；
Figure PCTCN2021091925-appb-000036
是虚拟等效剪切应力幅，
Figure PCTCN2021091925-appb-000037
是虚拟等效剪切应变幅；
Figure PCTCN2021091925-appb-000038
是真实等效剪切应力幅，
Figure PCTCN2021091925-appb-000039
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 PCTCN2021091925-appb-000040
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 PCTCN2021091925-appb-000041
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 PCTCN2021091925-appb-000042
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 PCTCN2021091925-appb-000043
替换虚拟等效剪切应变幅
Figure PCTCN2021091925-appb-000044
来考虑载荷引起的非比例附加强化，由此得到公式15，
Figure PCTCN2021091925-appb-000045
通过式15求解临界面上的真实等效剪切应力幅
Figure PCTCN2021091925-appb-000046
通过临界面上的真实等效剪切应力幅
Figure PCTCN2021091925-appb-000047
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 PCTCN2021091925-appb-000048
Figure PCTCN2021091925-appb-000049
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D γ：
Figure PCTCN2021091925-appb-000050
其中，τ′ f是剪切疲劳强度系数；
γ′ f是剪切疲劳延性系数；
b 0是剪切疲劳强度指数；
c 0是剪切疲劳延性指数；
Figure PCTCN2021091925-appb-000051
b 0＝b，c 0＝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 PCTCN2021091925-appb-000052
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 eε ij(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 eε ij(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 eε n(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 eε n(t)来确定临界面上的虚拟正应变变程
Figure PCTCN2021091925-appb-000053
和虚拟剪切应变范围Δ eγ max。
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 PCTCN2021091925-appb-000054
其中，ν eff为有效泊松比；
ε x(t)、ε y(t)、ε z(t)分别是t时刻对应坐标轴的正应变；
γ xy(t)、γ yz(t)、γ xz(t)分别是t时刻对应坐标轴的剪切应变，
t时刻相对于t r时刻的相对等效应变
Figure PCTCN2021091925-appb-000055
的计算公式为：
Figure PCTCN2021091925-appb-000056
其中，公式3中相对应变ε r x(t)，ε r y(t)，ε r z(t)，
Figure PCTCN2021091925-appb-000057
的计算表达式分别为：ε r x(t)＝ε x(t)-ε x(t r)，ε r y(t)＝ε y(t)-ε y(t r)，ε r z(t)＝ε z(t)-ε z(t r)，
Figure PCTCN2021091925-appb-000058
ε x(t r)、ε y(t r)、ε z(t r)分别是t r时刻对应坐标轴的正应变；
γ xy(t r)、γ yz(t r)、γ xz(t r)分别是t r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 eε ij(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D ε；
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D γ；
对应每个循环计数，如果D ε≥D γ，则选择拉伸型疲劳损伤模型估算疲劳损伤；如果D ε<D γ，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L b(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 PCTCN2021091925-appb-000059
经斜台肩
Figure PCTCN2021091925-appb-000060
及R5的圆角变化为
Figure PCTCN2021091925-appb-000061
另一端的直径从
Figure PCTCN2021091925-appb-000062
经R25的圆角变化为
Figure PCTCN2021091925-appb-000063
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L b(t)，载荷L b(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L b(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(C ij) b，进而通过公式1来获得缺口区域的虚拟应变历程 eε ij(t)，
Figure PCTCN2021091925-appb-000064
其中，d表示载荷L b(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D ε；
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D γ；
步骤S7：对应每个循环计数，如果D ε≥D γ，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D ε<D γ，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 PCTCN2021091925-appb-000065
其中，
Figure PCTCN2021091925-appb-000066
是临界面上的真实等效正应变幅；
Figure PCTCN2021091925-appb-000067
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 PCTCN2021091925-appb-000068
N fε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；
b 0是剪切疲劳强度指数；
c 0是剪切疲劳延性指数；
Figure PCTCN2021091925-appb-000069
b 0＝b，c 0＝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 PCTCN2021091925-appb-000070
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D i，D i＝D ε或D γ；
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D total：
Figure PCTCN2021091925-appb-000071
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N block，N block的表达式如下：
Figure PCTCN2021091925-appb-000072
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 eε ij(t)计算拉伸型Shang-Wang多轴疲劳损伤参数
Figure PCTCN2021091925-appb-000073
其公式如下：
Figure PCTCN2021091925-appb-000074
其中，Δ eγ max/2是最大剪切平面上的虚拟剪切应变幅；
Figure PCTCN2021091925-appb-000075
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 PCTCN2021091925-appb-000076
等价于虚拟等效正应变幅
Figure PCTCN2021091925-appb-000077
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 PCTCN2021091925-appb-000078
其中，
Figure PCTCN2021091925-appb-000079
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 PCTCN2021091925-appb-000080
是虚拟等效正应力幅，
Figure PCTCN2021091925-appb-000081
是虚拟等效正应变幅；
Figure PCTCN2021091925-appb-000082
是真实等效正应力幅，
Figure PCTCN2021091925-appb-000083
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 PCTCN2021091925-appb-000084
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 PCTCN2021091925-appb-000085
步骤S53)采用临界面上的Shang-Wang多轴疲劳损伤参量
Figure PCTCN2021091925-appb-000086
替换虚拟等效正应变幅
Figure PCTCN2021091925-appb-000087
来考虑载荷引起的非比例附加强化，其公式如下：
Figure PCTCN2021091925-appb-000088
通过式(8)求解临界面上的真实等效正应力幅
Figure PCTCN2021091925-appb-000089
步骤S54)通过计算得到临界面上的真实等效正应力幅
Figure PCTCN2021091925-appb-000090
和拉伸型Neuber法则来计算临界面上的真实等效正应变幅
Figure PCTCN2021091925-appb-000091
其公式如下：
Figure PCTCN2021091925-appb-000092
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D ε，
Figure PCTCN2021091925-appb-000093
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 PCTCN2021091925-appb-000094
N fε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 eε ij(t)计算剪切型Shang-Wang多轴疲劳损伤参数，表达式如下：
Figure PCTCN2021091925-appb-000095
在比例多轴循环载荷下，剪切型Shang-Wang多轴疲劳损伤参数
Figure PCTCN2021091925-appb-000096
等价为虚拟等效剪切应变
Figure PCTCN2021091925-appb-000097
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 PCTCN2021091925-appb-000098
其中，
Figure PCTCN2021091925-appb-000099
G是剪切模量；
Figure PCTCN2021091925-appb-000100
是虚拟等效剪切应力幅，
Figure PCTCN2021091925-appb-000101
是虚拟等效剪切应变幅；
Figure PCTCN2021091925-appb-000102
是真实等效剪切应力幅，
Figure PCTCN2021091925-appb-000103
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 PCTCN2021091925-appb-000104
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 PCTCN2021091925-appb-000105
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 PCTCN2021091925-appb-000106
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 PCTCN2021091925-appb-000107
替换虚拟等效剪切应变幅
Figure PCTCN2021091925-appb-000108
来考虑载荷引起的非比例附加强化，由此得到公式15，
Figure PCTCN2021091925-appb-000109
通过式15求解临界面上的真实等效剪切应力幅
Figure PCTCN2021091925-appb-000110
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 PCTCN2021091925-appb-000111
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 PCTCN2021091925-appb-000112
Figure PCTCN2021091925-appb-000113
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D γ：
Figure PCTCN2021091925-appb-000114
其中，τ′ f是剪切疲劳强度系数；
γ′ f是剪切疲劳延性系数；
b 0是剪切疲劳强度指数；
c 0是剪切疲劳延性指数；
Figure PCTCN2021091925-appb-000115
b 0＝b，c 0＝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 PCTCN2021091925-appb-000116
是剪切疲劳寿命。
进一步地，步骤S61中，通过虚拟应变历程 eε ij(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 eε ij(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 eε n(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 eε n(t)来确定临界面上的虚拟正应变变程
Figure PCTCN2021091925-appb-000117
和虚拟剪切应变范围Δ eγ max。
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 PCTCN2021091925-appb-000118
其中，ν eff为有效泊松比；
ε x(t)、ε y(t)、ε z(t)分别是t时刻对应坐标轴的正应变；
γ xy(t)、γ yz(t)、γ xz(t)分别是t时刻对应坐标轴的剪切应变，
t时刻相对于t r时刻的相对等效应变
Figure PCTCN2021091925-appb-000119
的计算公式为：
Figure PCTCN2021091925-appb-000120
其中，公式(3)中相对应变ε r x(t)，ε r y(t)，ε r z(t)，
Figure PCTCN2021091925-appb-000121
的计算表达式分别为：ε r x(t)＝ε x(t)-ε x(t r)，ε r y(t)＝ε y(t)-ε y(t r)，ε r z(t)＝ε z(t)-ε z(t r)，
Figure PCTCN2021091925-appb-000122
Figure PCTCN2021091925-appb-000123
ε x(t r)、ε y(t r)、ε z(t r)分别是t r时刻对应坐标轴的正应变；
γ xy(t r)、γ yz(t r)、γ xz(t r)分别是t r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 (10)

  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 eε ij(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D ε；
    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D γ；
    对应每个循环计数，如果D ε≥D γ，则选择拉伸型疲劳损伤模型估算疲劳损伤；如果D ε<D γ，则选择剪切型疲劳损伤模型估算疲劳损伤。
  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 PCTCN2021091925-appb-100001
    其中，
    Figure PCTCN2021091925-appb-100002
    是临界面上的真实等效正应变幅；
    Figure PCTCN2021091925-appb-100003
    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 PCTCN2021091925-appb-100004
    N fε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；
    b 0是剪切疲劳强度指数；
    c 0是剪切疲劳延性指数；
    Figure PCTCN2021091925-appb-100005
    b 0＝b，c 0＝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 PCTCN2021091925-appb-100006
    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D i，D i＝D ε或D γ；
    利用Miner线性疲劳损伤累积理论，计算总的累积疲劳损伤D total：
    Figure PCTCN2021091925-appb-100007
    其中n为总的循环计数；
    确定疲劳失效需要的载荷块数N block，N block的表达式如下：
    Figure PCTCN2021091925-appb-100008
  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 eε ij(t)计算拉伸型Shang-Wang多轴疲劳损伤参数
    Figure PCTCN2021091925-appb-100009
    其公式如下：
    Figure PCTCN2021091925-appb-100010
    其中，Δ eγ max/2是最大剪切平面上的虚拟剪切应变幅；
    Figure PCTCN2021091925-appb-100011
    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 PCTCN2021091925-appb-100012
    等价于虚拟等效正应变幅
    Figure PCTCN2021091925-appb-100013
    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 PCTCN2021091925-appb-100014
    其中，
    Figure PCTCN2021091925-appb-100015
    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 PCTCN2021091925-appb-100016
    是虚拟等效正应力幅，
    Figure PCTCN2021091925-appb-100017
    是虚拟等效正应变幅；
    Figure PCTCN2021091925-appb-100018
    是真实等效正应力幅，
    Figure PCTCN2021091925-appb-100019
    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 PCTCN2021091925-appb-100020
    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 PCTCN2021091925-appb-100021
    采用临界面上的Shang-Wang多轴疲劳损伤参量
    Figure PCTCN2021091925-appb-100022
    替换虚拟等效正应变幅
    Figure PCTCN2021091925-appb-100023
    来考虑载荷引起的非比例附加强化，其公式如下：
    Figure PCTCN2021091925-appb-100024
    通过式8求解临界面上的真实等效正应力幅
    Figure PCTCN2021091925-appb-100025
    通过计算得到临界面上的真实等效正应力幅
    Figure PCTCN2021091925-appb-100026
    和拉伸型Neuber法则来计算临界面上的真实等效正应变幅
    Figure PCTCN2021091925-appb-100027
    其公式如下：
    Figure PCTCN2021091925-appb-100028
    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D ε，
    Figure PCTCN2021091925-appb-100029
    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 PCTCN2021091925-appb-100030
    N fε是拉伸疲劳寿命。
  5. 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 eε ij(t)计算剪切型Shang-Wang多轴疲劳损伤参数，表达式如下：
    Figure PCTCN2021091925-appb-100031
    在比例多轴循环载荷下，剪切型Shang-Wang多轴疲劳损伤参数
    Figure PCTCN2021091925-appb-100032
    等价为虚拟等效剪切应变
    Figure PCTCN2021091925-appb-100033
    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 PCTCN2021091925-appb-100034
    其中，
    Figure PCTCN2021091925-appb-100035
    G是剪切模量；
    Figure PCTCN2021091925-appb-100036
    是虚拟等效剪切应力幅，
    Figure PCTCN2021091925-appb-100037
    是虚拟等效剪切应变幅；
    Figure PCTCN2021091925-appb-100038
    是真实等效剪切应力幅，
    Figure PCTCN2021091925-appb-100039
    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 PCTCN2021091925-appb-100040
    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 PCTCN2021091925-appb-100041
    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 PCTCN2021091925-appb-100042
    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 PCTCN2021091925-appb-100043
    替换虚拟等效剪切应变幅
    Figure PCTCN2021091925-appb-100044
    来考虑载荷引起的非比例附加强化，由此得到公式15，
    Figure PCTCN2021091925-appb-100045
    通过式15求解临界面上的真实等效剪切应力幅
    Figure PCTCN2021091925-appb-100046
    通过临界面上的真实等效剪切应力幅
    Figure PCTCN2021091925-appb-100047
    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 PCTCN2021091925-appb-100048
    Figure PCTCN2021091925-appb-100049
    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D γ：
    Figure PCTCN2021091925-appb-100050
    其中，τ′ f是剪切疲劳强度系数；
    γ′ f是剪切疲劳延性系数；
    b 0是剪切疲劳强度指数；
    c 0是剪切疲劳延性指数；
    Figure PCTCN2021091925-appb-100051
    b 0＝b，c 0＝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 PCTCN2021091925-appb-100052
    是剪切疲劳寿命。
  6. 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。
  7. 根据权利要求5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 eε ij(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 eε ij(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 eε n(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 eε n(t)来确定临界面上的虚拟正应变变程
    Figure PCTCN2021091925-appb-100053
    和虚拟剪切应变范围Δ eγ max。
  8. 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。
  9. 根据权利要求8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 PCTCN2021091925-appb-100054
    其中，ν eff为有效泊松比；
    ε x(t)、ε y(t)、ε z(t)分别是t时刻对应坐标轴的正应变；
    γ xy(t)、γ yz(t)、γ xz(t)分别是t时刻对应坐标轴的剪切应变，
    t时刻相对于t r时刻的相对等效应变
    Figure PCTCN2021091925-appb-100055
    的计算公式为：
    Figure PCTCN2021091925-appb-100056
    其中，公式3中相对应变ε r x(t)，ε r y(t)，ε r z(t)，
    Figure PCTCN2021091925-appb-100057
    的计算表达式分别为：ε r x(t)＝ε x(t)-ε x(t r)，ε r y(t)＝ε y(t)-ε y(t r)，ε r z(t)＝ε z(t)-ε z(t r)，
    Figure PCTCN2021091925-appb-100058
    ε x(t r)、ε y(t r)、ε z(t r)分别是t r时刻对应坐标轴的正应变；
    γ xy(t r)、γ yz(t r)、γ xz(t r)分别是t r时刻对应坐标轴的剪切应变。
  10. 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 eε ij(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D ε；
    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D γ；
    对应每个循环计数，如果D ε≥D γ，则选择拉伸型疲劳损伤模型估算疲劳损伤；如果D ε<D γ，则选择剪切型疲劳损伤模型估算疲劳损伤。
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Cited By (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114117826A (zh) * 2022-01-21 2022-03-01 中国科学院力学研究所 一种针对浮动摩擦片跨尺度疲劳寿命预测方法及装置
CN114139309A (zh) * 2021-11-24 2022-03-04 中国人民解放军国防科技大学 一种液体火箭发动机推力室寿命预估方法
CN114218835A (zh) * 2021-12-20 2022-03-22 大连理工大学 一种考虑风致疲劳效应的输电塔结构全寿命抗多灾性能评估方法
CN114323622A (zh) * 2022-01-05 2022-04-12 中国航发贵阳发动机设计研究所 一种通过模拟件对比试验验证粉末冶金涡轮盘寿命的方法
CN114858585A (zh) * 2022-04-13 2022-08-05 北京航空航天大学 一种压-压循环载荷作用下裂纹萌生寿命的预测方法
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
CN115329546A (zh) * 2022-07-21 2022-11-11 北京联合大学 基于临界面等效能量损伤参数的疲劳寿命预测方法
CN115329544A (zh) * 2022-07-21 2022-11-11 北京联合大学 一种多轴变幅载荷下的疲劳寿命预测方法
CN115544794A (zh) * 2022-10-26 2022-12-30 中冶建筑研究总院有限公司 基于疲劳寿命预测的支撑钢框架设计参数选取方法
CN115640666A (zh) * 2022-07-25 2023-01-24 南京航空航天大学 一种基于损伤等效的航空发动机加速任务试车谱编制方法
CN115758770A (zh) * 2022-11-25 2023-03-07 中国水产科学研究院南海水产研究所 一种海洋非粘接柔性管疲劳特性分析方法
CN115828628A (zh) * 2022-12-27 2023-03-21 南京航空航天大学 一种多级变幅疲劳加载剩余寿命计算方法
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
CN116090138A (zh) * 2023-04-03 2023-05-09 浙江远算科技有限公司 一种基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算方法和系统
CN116189832A (zh) * 2023-04-14 2023-05-30 岚图汽车科技有限公司 一种材料疲劳寿命曲线确定方法及相关设备
CN116595654A (zh) * 2023-02-28 2023-08-15 南京航空航天大学 一种基于遗传算法的多轴疲劳试验谱编制方法
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
CN117131748A (zh) * 2023-10-26 2023-11-28 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
CN117473841A (zh) * 2023-12-28 2024-01-30 中国航发四川燃气涡轮研究院 考虑疲劳体积效应的轮盘低周疲劳寿命分析体方法及系统
CN117972361A (zh) * 2024-03-29 2024-05-03 中国航发四川燃气涡轮研究院 一种航空发动机关键件寿命预测方法及装置
CN117993304A (zh) * 2024-04-03 2024-05-07 北京航空航天大学 物理信息驱动的金属材料缺口疲劳寿命机器学习预测方法

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
CN112763352B (zh) * 2020-12-15 2023-06-27 长安大学 一种基于量子隧穿的材料多轴疲劳寿命预测方法
CN113536490B (zh) * 2021-08-27 2022-05-17 西安石油大学 一种抽油杆疲劳寿命预测方法及系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107977516A (zh) * 2017-12-02 2018-05-01 北京工业大学 一种考虑多轴载荷非比例度的缺口件局部应力应变确定方法
CN108897900A (zh) * 2018-03-24 2018-11-27 北京工业大学 一种多轴变幅加载下疲劳短裂纹扩展寿命预测方法
CN110017981A (zh) * 2019-05-24 2019-07-16 南京林业大学 基于改进多轴疲劳模型的曲轴疲劳极限载荷预测方法
CN111680436A (zh) * 2020-05-09 2020-09-18 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

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
JP2019007838A (ja) * 2017-06-23 2019-01-17 健 三堀 金属材料の疲労寿命推定方法および疲労寿命推定方法を適用した最適設計方法
CN107389471B (zh) * 2017-07-13 2020-08-18 电子科技大学 裂纹失效模式判定方法及基于该方法的疲劳寿命预测方法
CN108627328B (zh) * 2018-05-24 2019-10-25 电子科技大学 一种耦合应力梯度修正的缺口件多轴疲劳寿命预测方法
CN110442920B (zh) * 2019-07-15 2023-03-24 南京理工大学 一种基于刚柔耦合的起重机臂架疲劳计算方法
CN110987675B (zh) * 2019-12-23 2022-10-11 北京工业大学 一种基于临界面损伤的多轴变幅热机械疲劳寿命预测方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107977516A (zh) * 2017-12-02 2018-05-01 北京工业大学 一种考虑多轴载荷非比例度的缺口件局部应力应变确定方法
CN108897900A (zh) * 2018-03-24 2018-11-27 北京工业大学 一种多轴变幅加载下疲劳短裂纹扩展寿命预测方法
CN110017981A (zh) * 2019-05-24 2019-07-16 南京林业大学 基于改进多轴疲劳模型的曲轴疲劳极限载荷预测方法
CN111680436A (zh) * 2020-05-09 2020-09-18 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

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
TAO, ZHIQIANG ET AL.: "Notch Fatigue Life Prediction Methodology Based on the Load Control Modes under Multiaxial Variable Amplitude Loading", PRESSURE VESSEL TECHNOLOGY, vol. 37, no. 4, 30 April 2020 (2020-04-30), pages 9 - 13,20, XP055865744 *

Cited By (35)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114139309A (zh) * 2021-11-24 2022-03-04 中国人民解放军国防科技大学 一种液体火箭发动机推力室寿命预估方法
CN114218835A (zh) * 2021-12-20 2022-03-22 大连理工大学 一种考虑风致疲劳效应的输电塔结构全寿命抗多灾性能评估方法
CN114323622A (zh) * 2022-01-05 2022-04-12 中国航发贵阳发动机设计研究所 一种通过模拟件对比试验验证粉末冶金涡轮盘寿命的方法
CN114323622B (zh) * 2022-01-05 2024-03-19 中国航发贵阳发动机设计研究所 一种通过模拟件对比试验验证粉末冶金涡轮盘寿命的方法
CN114117826B (zh) * 2022-01-21 2022-04-29 中国科学院力学研究所 一种针对浮动摩擦片跨尺度疲劳寿命预测方法及装置
CN114117826A (zh) * 2022-01-21 2022-03-01 中国科学院力学研究所 一种针对浮动摩擦片跨尺度疲劳寿命预测方法及装置
JP7479727B2 (ja) 2022-02-09 2024-05-09 南京航空航天大学 仮想歪みエネルギーに基づく金属材料の多軸疲労寿命予測方法及びシステム
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
CN114858585A (zh) * 2022-04-13 2022-08-05 北京航空航天大学 一种压-压循环载荷作用下裂纹萌生寿命的预测方法
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
CN115329546A (zh) * 2022-07-21 2022-11-11 北京联合大学 基于临界面等效能量损伤参数的疲劳寿命预测方法
CN115329544A (zh) * 2022-07-21 2022-11-11 北京联合大学 一种多轴变幅载荷下的疲劳寿命预测方法
CN115329544B (zh) * 2022-07-21 2024-04-26 北京联合大学 一种多轴变幅载荷下的疲劳寿命预测方法
CN115640666B (zh) * 2022-07-25 2023-03-28 南京航空航天大学 一种基于损伤等效的航空发动机加速任务试车谱编制方法
CN115640666A (zh) * 2022-07-25 2023-01-24 南京航空航天大学 一种基于损伤等效的航空发动机加速任务试车谱编制方法
CN115544794B (zh) * 2022-10-26 2023-05-30 中冶建筑研究总院有限公司 基于疲劳寿命预测的支撑钢框架设计参数选取方法
CN115544794A (zh) * 2022-10-26 2022-12-30 中冶建筑研究总院有限公司 基于疲劳寿命预测的支撑钢框架设计参数选取方法
CN115758770A (zh) * 2022-11-25 2023-03-07 中国水产科学研究院南海水产研究所 一种海洋非粘接柔性管疲劳特性分析方法
CN115758770B (zh) * 2022-11-25 2023-11-03 中国水产科学研究院南海水产研究所 一种海洋非粘接柔性管疲劳特性分析方法
CN115828628A (zh) * 2022-12-27 2023-03-21 南京航空航天大学 一种多级变幅疲劳加载剩余寿命计算方法
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
CN115828628B (zh) * 2022-12-27 2023-08-18 南京航空航天大学 一种多级变幅疲劳加载剩余寿命计算方法
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
CN116595654B (zh) * 2023-02-28 2024-01-23 南京航空航天大学 一种基于遗传算法的多轴疲劳试验谱编制方法
CN116595654A (zh) * 2023-02-28 2023-08-15 南京航空航天大学 一种基于遗传算法的多轴疲劳试验谱编制方法
CN116090138A (zh) * 2023-04-03 2023-05-09 浙江远算科技有限公司 一种基于数据监测的水轮机转轮疲劳仿真计算方法和系统
CN116189832A (zh) * 2023-04-14 2023-05-30 岚图汽车科技有限公司 一种材料疲劳寿命曲线确定方法及相关设备
CN117131748A (zh) * 2023-10-26 2023-11-28 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
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
CN117473841A (zh) * 2023-12-28 2024-01-30 中国航发四川燃气涡轮研究院 考虑疲劳体积效应的轮盘低周疲劳寿命分析体方法及系统
CN117473841B (zh) * 2023-12-28 2024-03-26 中国航发四川燃气涡轮研究院 考虑疲劳体积效应的轮盘低周疲劳寿命分析体方法及系统
CN117972361A (zh) * 2024-03-29 2024-05-03 中国航发四川燃气涡轮研究院 一种航空发动机关键件寿命预测方法及装置
CN117972361B (zh) * 2024-03-29 2024-05-31 中国航发四川燃气涡轮研究院 一种航空发动机关键件寿命预测方法及装置
CN117993304A (zh) * 2024-04-03 2024-05-07 北京航空航天大学 物理信息驱动的金属材料缺口疲劳寿命机器学习预测方法
CN117993304B (zh) * 2024-04-03 2024-06-07 北京航空航天大学 物理信息驱动的金属材料缺口疲劳寿命机器学习预测方法

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