基于塑性区的多轴缺口疲劳寿命预测方法

摘要

本发明公开了一种基于塑性区的多轴缺口疲劳寿命预测方法，步骤如下：基于试件出现塑性区时的临界拉应力幅值与不同缺口下单轴拉伸时的理论应力集中系数的关系计算出临界拉应力幅值；在缺口塑性区半圆形假设下计算缺口表征塑性区半径，并计算缺口塑性区面积和临界塑性区面积；定义缺口塑性区影响因子和疲劳损伤控制参量；将疲劳损伤控制参量代入光滑件的单轴疲劳S‑N曲线，预测多轴缺口的疲劳寿命。本发明对缺口件的疲劳寿命预测精度较高；相比于精度较高的临界距离法和应力场强法，本发明计算过程较为简单，便于工程使用。

说明书

技术领域

本发明属于航空系统技术领域，具体指代一种基于塑性区的多轴缺口疲劳寿命预测方法。

背景技术

疲劳是指材料或结构在载荷的反复作用下所发生的机械性能变化。与静载失效不同，疲劳破坏是一个在微细观尺度和较长时间段上逐渐累积的渐进过程，因而难以避免地成为结构失效的主要原因之一。在工程实际中，由于载荷的复杂性，结构服役期间通常都受到多轴载荷的作用。另外，由于工程构件中往往存在开口、凹槽、凸台、弯折和分叉等缺口效应，这使得其即使在承受单向载荷时，结构部分区域也有可能处于多轴应力应变状态。因此，研究多轴载荷下缺口件的疲劳性能对于发展疲劳理论和提高工程结构的抗疲劳性能具有重要意义。

目前，在缺口件的多轴疲劳研究领域还未形成统一的理论，人们从不同的观点出发，提出了各种不同的疲劳寿命预测理论。依据各种理论对缺口效应的解释和采用的疲劳损伤控制参量，可将其分为：名义应力法、局部应力应变法和临界域法，临界域法又可进一步分为临界距离法和应力场强法。名义应力法和局部应力应变法比较简单，工程应用较多，但由于对缺口效应的考虑不足，因而疲劳寿命预测精度较差；临界距离法和应力场强法精度较高，但计算过程复杂，不便于工程应用。

目前的研究主要是提高缺口件的多轴疲劳寿命预测精度以及简化计算过程，近几年，国内外一些学者在前人研究成果的基础上提出了新的缺口件多轴疲劳寿命预测方法，取得了不错的成果。但针对多轴载荷下缺口件的疲劳寿命分析研究仍不够全面和深入，仍需要做大量的理论和试验研究。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于塑性区的多轴缺口疲劳寿命预测方法，以解决现有技术中使用传统的疲劳寿命预测方法对缺口件的疲劳寿命预测精度较低的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种基于塑性区的多轴缺口疲劳寿命预测方法，步骤如下：

(1)基于试件出现塑性区时的临界拉应力幅值与不同缺口下单轴拉伸时的理论应力集中系数的关系计算出临界拉应力幅值；

(2)在缺口塑性区半圆形假设下计算缺口表征塑性区半径，并计算缺口塑性区面积和临界塑性区面积；

(3)定义缺口塑性区影响因子和疲劳损伤控制参量；

(4)将疲劳损伤控制参量代入光滑件的单轴疲劳S-N曲线，预测多轴缺口的疲劳寿命。

进一步地，所述步骤(1)包括：试件开始出现塑性区时的临界拉应力幅值σ

式中，K

式中，σ

进一步地，所述步骤(2)包括：

对于缺口塑性区的面积，其形状和面积随着缺口几何尺寸、载荷水平以及载荷路径而变化，随着载荷水平的降低，缺口塑性区的实际形状逐渐趋于半圆形；假定缺口的表征塑性区为以缺口根部为圆心，以R

式中，R

进而可求得缺口塑性区的面积S

由于在微观尺度上，塑性区和弹性区的界线并不明确，这势必导致塑性区边界附近的材料内部应力应变场变得异常复杂，这在客观上也促进了疲劳裂纹的扩展；为了表征缺口附近塑性区对疲劳损伤累积的“贡献”，提出临界塑性区的概念，以描述材料内部受塑性区影响的区域；临界塑性区的半径为：

临界塑性区面积为：

进一步地，所述步骤(3)包括：利用缺口塑性区和临界塑性区的表征方法，定义缺口塑性区影响因子f：

定义疲劳损伤控制参量

式中，f为缺口塑性区影响因子；

进一步地，所述步骤(4)包括：

将疲劳损伤控制参量代入单轴光滑件的S-N曲线解析式，预测缺口件在多轴载荷下的疲劳寿命；其中单轴光滑件的S-N曲线可通过实验或查工程图表获得，为已知量。

本发明的有益效果：

相比于传统的疲劳寿命预测方法，如名义应力法和局部应力应变法，本发明对缺口件的疲劳寿命预测精度较高；相比于精度较高的临界距离法和应力场强法，本发明计算过程较为简单，便于工程使用。

附图说明

图1a为光滑试验件的参数；

图1b为V缺口试验件的参数；

图1c为R2缺口试验件的参数；

图1d为R5缺口试验件的参数；

图2为单轴疲劳试验光滑件的S-N曲线示意图；

图3a为V缺口件寿命预测结果示意图；

图3b为R2缺口件寿命预测结果示意图；

图3c为R5缺口件寿命预测结果示意图；

图4为本发明方法的原理图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图4所示，本发明的一种基于塑性区的多轴缺口疲劳寿命预测方法，步骤如下：

(1)基于试件出现塑性区时的临界拉应力幅值与不同缺口下单轴拉伸时的理论应力集中系数的关系计算出临界拉应力幅值；

(2)在缺口塑性区半圆形假设下计算缺口表征塑性区半径，并计算缺口塑性区面积和临界塑性区面积；

(3)定义缺口塑性区影响因子和疲劳损伤控制参量；

(4)将疲劳损伤控制参量代入光滑件的单轴疲劳S-N曲线，预测多轴缺口的疲劳寿命。

本例采用的材料是激光选区熔化技术制备的316L不锈钢，进行了多种载荷路径的疲劳试验，即单轴、比例和90°非比例多轴载荷。试验件分为光滑试验件和缺口试验件，其中，缺口试验件又分为V形缺口试验件(缺口根部曲率半径为0.07mm)、R2缺口试验件和R5缺口试验件。试验件参数如图1a-图1d所示；

对光滑件进行单轴疲劳试验获得的S-N曲线如图2所示；

S1：根据弹塑性有限元分析得到各类型试验件单轴拉伸时的应力集中系数，如表1所示：

表1

代入关系式：

求得临界拉应力幅值σ

表2

S2：代入函数关系式：

求得缺口塑性区和临界塑性区的面积；表3为不同缺口类型的试验件在多轴比例加载和多轴非比例加载条件下，不同的轴向应力幅值对应的缺口塑性区和临界塑性区的面积，如下:

表3

S3：定义缺口塑性区影响因子：

定义疲劳损伤控制参量

计算得到缺口塑性影响因子f；表4为不同缺口类型的试验件在多轴比例和非比例加载下对应的缺口塑性区影响因子，如下：

表4

计算得到疲劳损伤控制参量；表5为不同缺口类型的试验件在多轴比例和非比例加载下，不同的轴向应力幅值对应的缺口根部最大von Mises应力和疲劳损伤控制参量，如下：

表5

S4：将疲劳损伤控制参量代入光滑件的单轴疲劳S-N曲线(图2)，预测多轴缺口的疲劳寿命，并与试验获得的疲劳寿命相比较；结果如图3a-图3c所示；

使用本发明方法对缺口件的多轴疲劳寿命进行估计，预测结果整体趋势与实验数据吻合，大部分位于三倍误差以内。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。