本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)，涉及多軸疲勞和微動(dòng)疲勞等復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞分析和壽命計(jì)算，具體是一種考慮接觸壓力對(duì)疲勞強(qiáng)度影響的低周疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)等高負(fù)荷機(jī)械系統(tǒng)中部件的疲勞分析和結(jié)構(gòu)疲勞壽命評(píng)估。

背景技術(shù)：

1、疲勞是指材料在反復(fù)作用的應(yīng)力或應(yīng)變下逐漸損傷、開裂直至斷裂的過程。在航空航天、機(jī)械制造、交通運(yùn)輸?shù)戎T多工程領(lǐng)域中，疲勞問題一直是備受關(guān)注的重要課題。尤其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，疲勞已成為部件失效的主要原因之一。疲勞破壞的危險(xiǎn)性表現(xiàn)在當(dāng)結(jié)構(gòu)達(dá)到疲勞壽命時(shí)無明顯先兆，即當(dāng)結(jié)構(gòu)達(dá)到疲勞壽命時(shí)往往不會(huì)出現(xiàn)顯著變形等可觀察到的征兆就會(huì)突然斷裂解體。這種突發(fā)性的疲勞失效極大威脅了機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行安全，因此，需重點(diǎn)關(guān)注疲勞壽命的預(yù)測(cè)方法，防止結(jié)構(gòu)因疲勞造成重大事故。

2、現(xiàn)階段針對(duì)疲勞壽命的預(yù)測(cè)方法，多采用經(jīng)驗(yàn)公式法或?qū)嶒?yàn)法，兩種方法在工程實(shí)際中應(yīng)用廣泛，但各有其局限性。其中經(jīng)驗(yàn)公式法是基于大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，需要考慮應(yīng)力集中、平均應(yīng)力、加載頻率、環(huán)境溫度等眾多因素的影響。這種方法雖然相對(duì)簡(jiǎn)便，但由于影響因素眾多，且各因素之間可能存在復(fù)雜的耦合關(guān)系，導(dǎo)致預(yù)測(cè)精度往往難以滿足要求。實(shí)驗(yàn)法則是通過對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)或試樣進(jìn)行疲勞試驗(yàn)來獲得壽命數(shù)據(jù)，這種方法雖然可以獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)果，但普適性低、操作復(fù)雜。

3、疲勞強(qiáng)度(fatigue?strength)是指材料在無限多次交變載荷作用而不會(huì)產(chǎn)生破壞的最大應(yīng)力，其反映了材料在長(zhǎng)時(shí)間承受周期性載荷下的耐久能力，是衡量材料疲勞壽命的關(guān)鍵參數(shù)之一。在實(shí)際工程中，疲勞強(qiáng)度受到多種因素的影響，如材料性質(zhì)、構(gòu)件幾何形狀、表面狀態(tài)、加工工藝、環(huán)境條件等，其中載荷特性對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響尤為顯著。在許多工程應(yīng)用中，例如航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的渦輪葉片、軸承和齒輪等部件，在高溫、高壓和循環(huán)載荷的共同作用下，接觸區(qū)域的材料疲勞行為會(huì)發(fā)生顯著變化。接觸壓力不僅會(huì)改變材料表面的應(yīng)力分布，還會(huì)影響疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展過程。然而，現(xiàn)有的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法大多未能充分考慮接觸壓力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。例如，傳統(tǒng)的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型通常假設(shè)材料在無摩擦、無接觸壓力的理想狀態(tài)下進(jìn)行循環(huán)載荷，而實(shí)際工況中摩擦系數(shù)和接觸壓力的變化會(huì)顯著影響疲勞強(qiáng)度，導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果與工程實(shí)際存在一定偏差。

4、基于以上分析，現(xiàn)有的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法在復(fù)雜工況下，如接觸壓力較大的場(chǎng)合，未能充分考慮接觸壓力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響，導(dǎo)致疲勞壽命預(yù)測(cè)的結(jié)果往往與實(shí)際工程應(yīng)用中的疲勞壽命存在較大偏差。而在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪機(jī)械等承受高負(fù)荷、高溫工況的設(shè)備中，準(zhǔn)確的疲勞壽命預(yù)測(cè)對(duì)于提高結(jié)構(gòu)安全性、減少疲勞失效事故的發(fā)生具有重要意義。因此，如何在低周疲勞壽命預(yù)測(cè)過程中，充分考慮接觸壓力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響，進(jìn)而提高疲勞壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，是亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、(一)發(fā)明目的

2、針對(duì)現(xiàn)有疲勞壽命預(yù)測(cè)方法未能充分考慮接觸壓力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響，導(dǎo)致疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果與工程實(shí)際存在較大偏差等缺陷和不足，為解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述以及其他方面的至少一種技術(shù)問題，本發(fā)明旨在提供一種考慮接觸壓力對(duì)疲勞強(qiáng)度影響的低周疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，通過引入接觸壓力修正系數(shù)，考慮了接觸壓力對(duì)疲勞強(qiáng)度影響以及疲勞強(qiáng)度的變化對(duì)疲勞壽命曲線的影響，給出了考慮接觸壓力對(duì)疲勞強(qiáng)度影響的低周疲勞壽命的計(jì)算方法，可以得到不同接觸壓力下的低周疲勞壽命，從而提高預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和工程應(yīng)用價(jià)值，解決了現(xiàn)有低周疲勞壽命預(yù)測(cè)方法未考慮接觸壓力對(duì)疲勞強(qiáng)度影響，而導(dǎo)致低周疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果與工程實(shí)際存在一定偏差的問題。

3、(二)技術(shù)方案

4、為實(shí)現(xiàn)該發(fā)明目的，解決其技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

5、一種考慮接觸壓力對(duì)疲勞強(qiáng)度影響的低周疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，用于在含有接觸壓力的低周疲勞工況下預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，至少包括如下步驟：

6、ss1.引入考慮接觸壓力對(duì)疲勞強(qiáng)度影響的修正系數(shù)α，建立接觸壓力與疲勞強(qiáng)度之間的關(guān)系，得到考慮接觸壓力對(duì)疲勞強(qiáng)度影響的修正系數(shù)α(p):

7、

8、其中，σf為材料在未考慮接觸壓力情況下的疲勞強(qiáng)度系數(shù)，σ'f為材料在考慮接觸壓力情況下的疲勞強(qiáng)度系數(shù)且p為接觸壓力，w為圓柱形微動(dòng)墊接觸區(qū)寬度，μ為摩擦系數(shù)，q為缺口敏感系數(shù)；

9、ss2.基于材料的疲勞壽命曲線，分析疲勞強(qiáng)度變化對(duì)疲勞壽命的影響，建立未考慮接觸壓力影響疲勞強(qiáng)度σf與疲勞壽命n之間的關(guān)系函數(shù)f(σf,n)：

10、

11、式中，δε為總應(yīng)變幅值，δεe為彈性應(yīng)變幅值，δεp為塑性應(yīng)變幅值，n為疲勞壽命，e為彈性模量，σf為未考慮接觸壓力的疲勞強(qiáng)度系數(shù)，b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)，εf為疲勞塑性系數(shù)，c為疲勞塑性指數(shù)；

12、ss3.考慮接觸壓力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響，將修正系數(shù)代入疲勞強(qiáng)度與疲勞壽命間的關(guān)系函數(shù)，得到考慮接觸壓力對(duì)疲勞強(qiáng)度影響的低周疲勞壽命預(yù)測(cè)公式：

13、

14、ss4.根據(jù)材料結(jié)構(gòu)參數(shù)建立三維有限元模型，并基于有限元模型對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力和應(yīng)變分布計(jì)算，通過應(yīng)力應(yīng)變分布分析確定結(jié)構(gòu)的疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)并提取該區(qū)域的相關(guān)參數(shù)，至少包括疲勞強(qiáng)度系數(shù)σf、總應(yīng)變幅值δε、彈性應(yīng)變幅值δεe、塑性應(yīng)變幅值δεp、摩擦系數(shù)μ以及接觸壓力p；

15、ss5.將步驟ss4中獲取的疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)相關(guān)參數(shù)代入步驟ss3構(gòu)建的考慮接觸壓力對(duì)疲勞強(qiáng)度影響的低周疲勞壽命預(yù)測(cè)公式，計(jì)算得到考慮接觸壓力對(duì)疲勞強(qiáng)度影響的低周疲勞壽命；

16、ss6.重復(fù)步驟ss4和ss5，分析結(jié)構(gòu)中的多個(gè)潛在疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)，獲得各點(diǎn)的疲勞壽命，并比較所有分析點(diǎn)的疲勞壽命，確定結(jié)構(gòu)的最小疲勞壽命，作為該結(jié)構(gòu)在考慮接觸壓力影響下的低周疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果。

17、(三)技術(shù)效果

18、同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的考慮接觸壓力對(duì)疲勞強(qiáng)度影響的低周疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，具有以下有益且顯著的技術(shù)效果：

19、(1)本發(fā)明通過引入修正系數(shù)，考慮了接觸壓力對(duì)疲勞強(qiáng)度影響，考慮了疲勞強(qiáng)度的變化對(duì)低周疲勞壽命曲線的影響，克服了現(xiàn)有低周疲勞壽命預(yù)測(cè)方法未考慮接觸壓力而導(dǎo)致計(jì)算偏差的問題。本發(fā)明詳細(xì)給出了考慮接觸壓力對(duì)疲勞強(qiáng)度影響的低周疲勞壽命的計(jì)算方法，可以得到不同接觸壓力下的低周疲勞壽命。該方法不僅提升了疲勞壽命預(yù)測(cè)的精確性，還擴(kuò)展了其適用范圍，使其適用于多種高接觸壓力工況。

20、(2)本發(fā)明的方法對(duì)疲勞強(qiáng)度變化與疲勞壽命曲線之間的關(guān)系進(jìn)行了深入分析，通過修正的manson-coffin公式準(zhǔn)確描述了疲勞強(qiáng)度與疲勞壽命的關(guān)系。該方法特別適用于高應(yīng)力幅值和復(fù)雜工況下的疲勞壽命預(yù)測(cè)，能夠更好地反映疲勞強(qiáng)度隨應(yīng)變幅值變化的規(guī)律，從而提高壽命預(yù)測(cè)的精度。

21、(3)本發(fā)明提供了一種簡(jiǎn)便的計(jì)算方法，通過合理簡(jiǎn)化復(fù)雜的多軸應(yīng)力狀態(tài)和接觸壓力計(jì)算，極大地降低了計(jì)算難度，使得該方法易于在實(shí)際工程中應(yīng)用。此外，使用有限元分析(fea)對(duì)結(jié)構(gòu)中疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變分布進(jìn)行精確計(jì)算，使得本發(fā)明不僅適用于理想條件下的疲勞壽命預(yù)測(cè)，也適用于實(shí)際復(fù)雜工況下的壽命評(píng)估。

22、(4)本發(fā)明具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值，其方法較為精準(zhǔn)，計(jì)算簡(jiǎn)便，適合應(yīng)用于航空、機(jī)械制造等領(lǐng)域，尤其是對(duì)高接觸壓力及復(fù)雜載荷條件下結(jié)構(gòu)疲勞壽命的預(yù)測(cè)具有重要意義。