基于载荷次序效应的疲劳损伤分析方法研究

摘要

疲劳失效是发生在机械工程领域中的一类十分普遍的破坏形式。在金属材料或结构疲劳损伤的发展过程中，载荷作用顺序的影响必须加以考虑。尽管现阶段已有的有关疲劳的理论模型在一定程度上能反映载荷作用顺序对疲劳损伤的影响，这里仍然有很多关于载荷作用顺序的问题亟待解决。
　　从疲劳损伤发展机理出发，金属材料的疲劳破坏经历了材料的循环硬化或软化、裂纹萌生、裂纹扩展以及最终断裂四个阶段。裂纹扩展阶段可进一步分为亚显微裂纹的扩展和宏观长裂纹的亚临界扩展，其中在亚显微裂纹扩展阶段，载荷作用顺序对裂纹扩展速率的影响较大。为了分析问题的方便，结合载荷作用顺序对疲劳损伤增长影响的特点，本文分别从金属材料的循环硬化或软化阶段，疲劳裂纹萌生及宏观短裂纹扩展阶段和宏观长裂纹亚临界扩展阶段分析疲劳损伤的增长过程，建立了疲劳损伤三阶段模型，分别用Kramer模型、裂纹张开应力模型和Miner准则描述各个阶段载荷作用顺序对疲劳损伤的影响。
　　疲劳损伤阶段模型中各个阶段分界点无法明确给定，各个阶段在整个疲劳损伤过程中占据时间的长短随材料、加工方式、热处理以及外力等因素的变化而变化。在疲劳损伤阶段模型的验证试验中假定疲劳损伤第一阶段的累积损伤值D1=0.3，第二阶段的累积损伤值D2=0.5，然后用Aluminum2024-T4、45钢、16Mn钢和AISI4130对疲劳损伤阶段模型进行了模拟试件试验和实际试件试验验证。
　　验证试验表明，疲劳损伤阶段模型能较合理地反映金属材料或结构疲劳损伤的发展机理，采用该模型计算出的累积损伤值总体上优于Miner准则和Kramer模型。但该模型仍有很多问题需要解决，比如:如何保证模型中相关参数的准确性;如何完成疲劳损伤阶段模型与其他非线性疲劳损伤模型的对比分析等等。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．1．1 疲劳损伤的基本概念

1．1．2 考虑载荷次序效应的疲劳累积损伤的研究背景

1．2 课题的研究意义

1．3 本课题研究领域国内外研究现状及发展动态

1．3．1 国内外的研究现状

1．3．2 疲劳累积损伤理论的发展动态

1．4 本文的主要研究内容

第2章 金属疲劳损伤理论总结

2．1 概述

2．2 金属材料的循环硬化或软化机理

2．3 疲劳裂纹萌生及短裂纹扩展机理

2．3．1 疲劳裂纹萌生的微观机理

2．3．2 疲劳短裂纹扩展机理

2．4 裂纹扩展阶段的载荷次序效应

2．4．1 影响疲劳裂纹扩展的因素

2．4．2 裂纹扩展阶段载荷次序效应的作用机理

2．4．3 考虑载荷次序效应的裂纹扩展速率模型

2．5 材料的S-N曲线

2．5．1 标准S-N曲线图

2．5．2 材料S-N曲线的数学描述

2．6 现阶段的累积损伤理论

2．6．1 基于现象学的疲劳累积损伤理论

2．6．2 基于理论分析的疲劳累积损伤理论

2．7 典型模型的应用分析

2．7．1 Kramer模型试验验证

2．7．2 Asok Ray张开应力模型验证

2．8 本章小结

第3章 疲劳损伤阶段模型的建立

3．1 概述

3．2 疲劳损伤发展的三阶段划分

3．2．1 金属材料的循环硬化或软化阶段

3．2．2 裂纹的形核及短裂纹扩展阶段

3．2．3 长裂纹亚临界扩展及最终断裂阶段

3．3 疲劳损伤三阶段模型的建立

3．4 本章小结

第4章 疲劳损伤阶段模型的试验验证

4．1 概述

4．2 疲劳损伤阶段模型模拟试验验证

4．2．1 Aluminum 2024-T4疲劳寿命模拟试验

4．2．2 45钢疲劳寿命模拟试验

4．3 疲劳损伤阶段模型实际试验验证

4．3．1 45钢疲劳试验

4．3．2 16Mn钢疲劳试验

4．3．3 AISI4130疲劳试验

4．3．4 疲劳损伤阶段模型的图形描述

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 课题展望

参考文献

致谢

附录 在学期间发表论文