一種基于臨界面法的塑性金屬材料多軸高周疲勞壽命預(yù)測方法
【專利摘要】本發(fā)明建立了一種基于臨界面法的塑性金屬材料多軸高周疲勞壽命預(yù)測方法，考慮了拉扭復(fù)合加載下塑性金屬材料的疲勞失效模式，同時(shí)考慮了多軸加載下應(yīng)力幅比和相位差對多軸高周疲勞壽命的影響，以多軸疲勞的臨界面準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，建立了采用最大主應(yīng)力峰值和最大剪應(yīng)力變程的線性組合來預(yù)測多軸高周疲勞壽命的疲勞壽命預(yù)測模型，用以預(yù)測塑性金屬材料在承受多軸高周疲勞載荷時(shí)的壽命，并最終提出一種基于臨界面法的塑性金屬材料多軸高周疲勞壽命預(yù)測方法。本發(fā)明建立的模型，基于能夠揭示多軸疲勞破壞物理機(jī)理的臨界面準(zhǔn)則，考慮了多軸加載下應(yīng)力幅比和相位差對多軸高周疲勞失效的影響，其預(yù)測結(jié)果分散性小，準(zhǔn)確度高。
【專利說明】一種基于臨界面法的塑性金屬材料多軸高周疲勞壽命預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及塑性金屬材料承受多軸疲勞載荷時(shí)疲勞壽命的預(yù)測問題，具體涉及一種基于臨界面法的金屬材料結(jié)構(gòu)的多軸高周疲勞失效方法，適用于航空航天飛行器中廣泛使用的各種塑性金屬材料結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]在航空航天領(lǐng)域，由于工況復(fù)雜，大多數(shù)承力結(jié)構(gòu)都承受多軸循環(huán)載荷作用，如飛機(jī)的機(jī)身蒙皮由于反復(fù)加壓和減壓承受環(huán)向和縱向循環(huán)應(yīng)力的作用，機(jī)翼蒙皮由于氣動(dòng)力載荷承受彎矩及扭矩的作用，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤及導(dǎo)航系統(tǒng)中的陀螺結(jié)構(gòu)也承受彎曲、扭轉(zhuǎn)和拉壓的多軸載荷作用。從疲勞研究初期開始，多軸疲勞就是一個(gè)重要的研究方向，但由于其過于復(fù)雜，工程問題大多都將其簡化為單軸疲勞處理。由于單軸載荷并不能真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際載荷狀況，在壽命預(yù)測時(shí)往往會給出過于保守或不安全的結(jié)果。近年來，隨著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的不斷提高和試驗(yàn)研究手段的不斷進(jìn)步，如何更準(zhǔn)確地預(yù)測零部件的多軸疲勞壽命成為了關(guān)鍵問題。
[0003]多軸疲勞中由于載荷特征參量較多，如應(yīng)力(變)幅、相位差及平均應(yīng)力(變)等，且載荷作用過程中主應(yīng)力(變)的大小及方向隨時(shí)間不斷變化，因而各載荷特征參量對疲勞失效的影響比較復(fù)雜，到目前為止尚有許多問題沒有達(dá)到共識。尤其對于多軸高周疲勞，由于理論分析和試驗(yàn)研究都不夠充分，目前仍然沒有被廣泛認(rèn)可的壽命預(yù)測模型和失效準(zhǔn)則?，F(xiàn)有的多軸高周疲勞失效準(zhǔn)則中，等效應(yīng)力準(zhǔn)則和等效應(yīng)變準(zhǔn)則形式簡單，但缺乏合理的物理解釋；應(yīng)力不變量準(zhǔn)則中參數(shù)的確定比較復(fù)雜；能量準(zhǔn)則中能量為標(biāo)量，無法確定裂紋的擴(kuò)展方向；臨界面應(yīng)力準(zhǔn)則和臨界面應(yīng)變準(zhǔn)則具有合理的物理解釋，已得到普遍的認(rèn)可，但高周疲勞中臨界面法的研究還不成熟。本發(fā)明正是在這一背景下，基于多軸疲勞壽命預(yù)測方法中的臨界面法提出的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為:考慮相位差和應(yīng)力幅比對多軸高周疲勞失效的影響，基于多軸疲勞壽命預(yù)測中臨界面法準(zhǔn)則，建立塑性金屬材料的多軸高周疲勞失效預(yù)測模型，用以預(yù)測塑性金屬材料在承受多軸疲勞載荷時(shí)的壽命，并最終提出一種基于臨界面法的塑性金屬材料多軸高周疲勞壽命預(yù)測方法。
[0005]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為:一種基于臨界面法的塑性金屬材料多軸高周疲勞壽命預(yù)測方法，其特征在于包括以下步驟:
[0006]步驟A，首先確定結(jié)構(gòu)材料是否為塑性金屬材料，若是塑性金屬材料，則進(jìn)行步驟B，若不是塑性金屬材料，則不適用該基于臨界面法的塑性金屬材料多軸高周疲勞壽命預(yù)測方法，直接進(jìn)入步驟G ;
[0007]步驟B，根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何形狀，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，如果是簡單結(jié)構(gòu)，則對其進(jìn)行理論計(jì)算，若為復(fù)雜結(jié)構(gòu)，則對其進(jìn)行有限元分析；
[0008]步驟C，分析得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，確定結(jié)構(gòu)是否為高周疲勞；
[0009]步驟D，若結(jié)構(gòu)在危險(xiǎn)點(diǎn)處不產(chǎn)生塑性應(yīng)變，即為高周疲勞，則提取結(jié)構(gòu)件危險(xiǎn)點(diǎn)處的應(yīng)力值，進(jìn)入步驟E ;若結(jié)構(gòu)在危險(xiǎn)點(diǎn)處產(chǎn)生塑性應(yīng)變，即為低周疲勞，則直接進(jìn)入步驟G;
[0010]步驟E，計(jì)算危險(xiǎn)點(diǎn)處最大主應(yīng)力峰值(O ^niax及最大剪應(yīng)力變程A Tmax ；
[0011]步驟F，將上述最大主應(yīng)力峰值(O1)max和最大剪應(yīng)力變程A Tmax帶入該基于臨界面法的塑性金屬材料多軸高周疲勞壽命預(yù)測方法的多軸高周疲勞壽命預(yù)測模型，預(yù)測結(jié)構(gòu)多軸高周疲勞壽命Nf，該基于臨界面法的塑性金屬材料多軸高周疲勞壽命預(yù)測方法的壽命預(yù)測模型為:
[0012](O1)ffla^A TniaxA = Kf (2N,)1
[0013]其中(O Jniax為加載過程中最大主應(yīng)力峰值，A T _為加載過程中最大剪應(yīng)力變程，k為常數(shù)，根據(jù)材料的不同有不同的取值，可以通過實(shí)驗(yàn)來確定，1^和〖為材料常數(shù)，Nf為疲勞壽命；
[0014]步驟G，結(jié)束。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0016](I)本發(fā)明基于臨界面法的塑性金屬材料多軸高周疲勞壽命預(yù)測方法，分別考慮了相位差及應(yīng)力幅比對多軸高周疲勞壽命的影響，提出了一種塑性金屬材料多軸高周疲勞壽命預(yù)測模型。
[0017](2)本發(fā)明基于臨界面法的塑性金屬材料多軸高周疲勞壽命預(yù)測方法，以多軸疲勞臨界面準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，建立了采用最大主應(yīng)力峰值和最大剪應(yīng)力變程的線性組合來預(yù)測多軸高周疲勞壽命的多軸高周疲勞失效預(yù)測模型。
[0018](3)本發(fā)明基于臨界面法的塑性金屬材料多軸高周疲勞壽命預(yù)測方法，與現(xiàn)有的多軸高周疲勞預(yù)測模型相比，基于能夠揭示物理機(jī)理的臨界面法準(zhǔn)則，預(yù)測結(jié)果分散性小，準(zhǔn)確度高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明實(shí)施流程圖；
[0020]圖2是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所用試件尺寸圖；
[0021]圖3是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證加載形式示意圖以及所加載荷的波形示意圖，其中圖3(a)為試樣夾持示意圖，圖3 (b)為加載波形示意圖；
[0022]圖4是0°加載時(shí)不同應(yīng)力幅比下2A12-T4鋁合金材料的疲勞壽命預(yù)測結(jié)果；
[0023]圖5是不同相位差下2A12-T4鋁合金材料的疲勞壽命預(yù)測結(jié)果；
[0024]圖6是不同的壽命預(yù)測模型對不同應(yīng)力比情況下的疲勞壽命預(yù)測結(jié)果對比；
[0025]圖7是不同的壽命預(yù)測模型對不同相位差情況下的疲勞壽命預(yù)測結(jié)果對比。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0027]如圖1所示，本發(fā)明基于臨界面法的塑性金屬材料多軸高周疲勞壽命預(yù)測方法的具體實(shí)現(xiàn)步驟為:
[0028]1.首先確定結(jié)構(gòu)材料是否為塑性金屬材料，若是塑性金屬材料，則可按本發(fā)明提出的模型進(jìn)行多軸高周疲勞壽命預(yù)測；
[0029]2.若所分析對象為簡單結(jié)構(gòu)，則通過理論計(jì)算，進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，若為復(fù)雜結(jié)構(gòu)，則對其進(jìn)行有限元建模，進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析；
[0030]3.基于上述結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果，可以確定結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，進(jìn)而判斷結(jié)構(gòu)在給定載荷下危險(xiǎn)點(diǎn)是否產(chǎn)生塑性變形，即是否為高周疲勞；
[0031]4.若結(jié)構(gòu)在危險(xiǎn)點(diǎn)處不產(chǎn)生塑性變形，即為高周疲勞，則提取結(jié)構(gòu)件危險(xiǎn)點(diǎn)處的應(yīng)力值，并計(jì)算危險(xiǎn)點(diǎn)處最大主應(yīng)力峰值(O Dnlax及最大剪應(yīng)力變程A Tmax ;
[0032]5.將上述最大主應(yīng)力峰值(O:)_和最大剪應(yīng)力變程A T _帶入本發(fā)明提出的多軸高周疲勞壽命預(yù)測模型，即可預(yù)測結(jié)構(gòu)多軸高周疲勞壽命Nf，本發(fā)明的壽命預(yù)測模型為:
[0033](O1)ffla^A TfflaxA = Kf (2N,)1
[0034]其中(O Jniax為加載過程中最大主應(yīng)力峰值，A T _為加載過程中最大剪應(yīng)力變程，k為常數(shù)，根據(jù)材料的不同有不同的取值，可以通過實(shí)驗(yàn)來確定，1^和〖為材料常數(shù)，Nf為疲勞壽命。
[0035]實(shí)施例1:拉扭復(fù)合加載下2A12-T4鋁合金高周疲勞壽命預(yù)測
[0036]如圖2所示，為拉扭試驗(yàn)試驗(yàn)件尺寸示意圖，其靜力性能E=76.8GPa,o s=395.1MPa, o b=568.4MPa，G=29.4GPa, x b=419.8Mpa。取 Von-Mises 等效應(yīng)力相同，分別在不同的應(yīng)力幅比及相位 差下對試驗(yàn)件施加載荷，得到試驗(yàn)件的拉扭疲勞試驗(yàn)壽命。
[0037]1.首先給定材料為塑性金屬材料，其次由于試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)簡單，故可以由理論分析計(jì)算其在拉扭載荷作用下危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力變化；
[0038]2.根據(jù)計(jì)算得到的危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力變化，得出試驗(yàn)件材料未進(jìn)入屈服，因此本發(fā)明提出的模型適用；
[0039]3.將上面計(jì)算得到的危險(xiǎn)點(diǎn)處的最大主應(yīng)力峰值(。上ax、最大剪應(yīng)力變程A Tmax帶入本發(fā)明所提出的多軸高周疲勞壽命預(yù)測模型，即:
_] (O 1_/4 = ^(2^)1
[0041]其中，對于2A12-T4鋁合金而言，常數(shù)k=4 ;
[0042]4.分別將試驗(yàn)壽命與預(yù)測壽命進(jìn)行比較，如圖4及圖5所示，同時(shí)分別用不同的壽命預(yù)測模型對不同應(yīng)力比以及不同相位差情況下的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測，其結(jié)果如圖6及圖7所示；
[0043]5.從上述對比結(jié)果可以看出，采用本發(fā)明所提出的基于臨界面法的塑性金屬材料多軸高周疲勞壽命預(yù)測方法能夠很好地預(yù)測塑性金屬材料的多軸高周疲勞壽命。
[0044]本發(fā)明未詳細(xì)公開的部分屬于本領(lǐng)域的公知技術(shù)。
[0045]盡管上面對本發(fā)明說明性的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了描述，以便于本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于【具體實(shí)施方式】的范圍，對本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。
【權(quán)利要求】
1.一種基于臨界面法的塑性金屬材料多軸高周疲勞壽命預(yù)測方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟A，首先確定結(jié)構(gòu)材料是否為塑性金屬材料，若是塑性金屬材料，則進(jìn)行步驟B，若不是塑性金屬材料，則不適用該基于臨界面法的塑性金屬材料多軸高周疲勞壽命預(yù)測方法，直接進(jìn)入步驟G ; 步驟B，根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何形狀，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，如果是簡單結(jié)構(gòu)，則對其進(jìn)行理論計(jì)算，若為復(fù)雜結(jié)構(gòu)，則對其進(jìn)行有限元分析； 步驟C，分析得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，確定結(jié)構(gòu)是否為高周疲勞； 步驟D，若結(jié)構(gòu)在危險(xiǎn)點(diǎn)處不產(chǎn)生塑性應(yīng)變，即為高周疲勞，則提取結(jié)構(gòu)件危險(xiǎn)點(diǎn)處的應(yīng)力值，進(jìn)入步驟E ;若結(jié)構(gòu)在危險(xiǎn)點(diǎn)處產(chǎn)生塑性應(yīng)變，即為低周疲勞，則直接進(jìn)入步驟G ; 步驟E，計(jì)算危險(xiǎn)點(diǎn)處最大主應(yīng)力峰值(O1)max及最大剪應(yīng)力變程A Tmax; 步驟F，將上述最大主應(yīng)力峰值(O1)max和最大剪應(yīng)力變程A 帶入該基于臨界面法的塑性金屬材料多軸高周疲勞壽命預(yù)測方法的多軸高周疲勞壽命預(yù)測模型，預(yù)測結(jié)構(gòu)多軸高周疲勞壽命Nf，該基于臨界面法的塑性金屬材料多軸高周疲勞壽命預(yù)測方法的壽命預(yù)測模型為:
【文檔編號】G06F19/00GK103604688SQ201310632048
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年12月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月1日
【發(fā)明者】時(shí)新紅, 張建宇, 劉天奇 申請人:北京航空航天大學(xué)