[0053] 下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
[0054] 本发明以单轴疲劳和纯扭转疲劳为边界条件,考虑材料在疲劳加载过程中承受的最大损伤面作为临界面,选取该临界面上的正应力和剪应力作为损伤参量,并对轴向平均应力和剪切平均应力的影响进行修正,最终建立了包含轴向平均应力和剪切平均应力影响的金属材料多轴高周疲劳失效预测模型。
[0055] 如图1所示,本发明包含平均应力影响的金属材料多轴高周疲劳寿命预测方法的具体实现步骤为:
[0056] 1.对金属材料制成的结构的危险部位进行理论计算或者有限元分析,得到危险部位的轴向应力幅σx,a、轴向平均应力σx,m,剪切应力幅τxy,a、剪切平均应力τxy,m和轴向应力σx与剪切应力τxy之间的相位差δ;
[0057] 2.若由步骤A理论计算或者有限元分析得到的轴向应力幅σx,a和轴向平均应力σx,m之和没有超过拉伸屈服强度,以及剪切应力幅τxy,a和剪切平均应力τxy,m之和也没有超过剪切屈服强度时,即没有塑性应变时,则适用于本发明提出的包含平均应力影响的金属材料多轴高周疲劳失效预测模型;否则为低周疲劳,不适用于多轴高周疲劳失效预测模型;
[0058] 3.为了在疲劳预测模型中包含轴向平均应力和剪切平均应力的影响,本发明引入了轴向平均应力和剪切平均应力影响系数α,表示的意义为等寿命图中的斜率,它由依据单轴疲劳试验得到的轴向平均应力为σx,m、轴向应力幅为σx,a和疲劳寿命为Nf数据获得,其计算式如下:
[0059] α=(σx,ae-σx,a)/σx,m
[0060] 式中,σx,ae为单轴疲劳时的等效对称应力幅,σx,a、σx,m分别为单轴疲劳加载过程中轴向应力幅、轴向平均应力。
[0061] 当无法获得存在轴向平均应力下的单轴疲劳数据时,影响系数α的计算式又可用下式进行估算:
[0062] α=σ-1/σy
[0063] 式中,σ-1为单轴对称疲劳极限,σy为拉伸屈服强度。
[0064] 4.本发明提出的多轴高周疲劳失效预测模型先假设临界面上的剪应力幅τa和法向应力幅σn,a之间存在一种非线性关系,然后利用单轴疲劳和纯扭转疲劳作为边界条件,考虑最大损伤面作为临界面,并且包含轴向平均应力和剪切平均应力的影响,最终建立了金属材料多轴高周疲劳失效预测模型。疲劳失效预测模型的建立过程具体为
[0065] 假设等效剪应力 其中A>0,B>0,A、B量纲为MPa;τa、σn,a分别为临界面 上的剪应力幅值、法向应力幅值,表达式为:
[0066]
[0067]
[0068] 式中σx,a、τxy,a分别为加载过程中轴向应力幅值、剪切应力幅值,为临界面方向,δ为加载过程中轴向应力σx和剪切应力τxy之间的相位差。
[0069] 为了求得步骤D11中的参数A、B,在相位差为0的情况下进行推导,此时等效剪应力的表达式为:
[0070]
[0071] 以单轴疲劳和扭转疲劳为边界条件,当临界面上损伤值最大时所以可以得到:
[0072]
[0073]
[0074] 其中, N为循环数, 、b分别为拉伸疲劳强度系数和指数, bγ分别为扭转疲劳强度系数和指数。
[0075] 由A>0,B>0,得到 大多数金属材料的等效应力比值 都处于这一范围之内。
[0076] 为了包含轴向平均应力σx,m和剪切平均应力τxy,m的影响,对等效剪应力τae计算式中的法向应力幅σn,a进行修正,修正后的等效法向应力幅σn,ae的计算式为:
[0077] σn,ae=σn,a+ασn,m
[0078] 其中, σn,m为临界面上的法向平均应力值,σn,ae为临界面上的等效法向应力幅值,σx,m、τxy,m分别为加载过程中轴向平均应力值、剪切平均应力值。
[0079] 将参数A、B及σn,ae代入等效剪应力表达式,可以得到多轴疲劳寿命预测模型为:
[0080]
[0081]
[0082] 其中
[0083] 将理论计算或者有限元分析得到的轴向应力幅σx,a、轴向平均应力σx,m,剪切应力幅τxy,a、剪切平均应力τxy,m,轴向应力σx与剪切应力τxy之间的相位差δ及轴向平均应力和剪切平均应力影响系数α代入本发明提出的多轴高周疲劳寿命预测模型进行迭代计算,得到预测寿命Nf和疲劳裂纹方向
[0084] 上述多轴高周疲劳寿命预测模型式子中的未知量是疲劳循环数N和临界面方向计算时可利用Fortran程序编程,一般情况下疲劳预测寿命Nf考察范围为104~106,因此当循环数N从104增大到106,内循环 从-90度增大到90度时,如果满足等式左边等于右边,且右边式子数值达到最大值的条件时,程序输出此时的N和 即预测寿命Nf=N,预测的疲劳裂纹方向
[0085] 实施例1:拉扭复合加载下2A12-T4铝合金高周疲劳寿命和疲劳裂纹角度预测[0086] 如图2所示,为2A12-T4铝合金拉扭试验试验件尺寸示意图,其单轴疲劳性能为:b=-0.0687,纯扭转疲劳性能为: bγ=-0.1094。分别在不同
的轴向平均应力下对试验件施加载荷,得到试验件的拉扭疲劳试验寿命。
[0087] 1.因为疲劳试验件为按国标设计的尺寸,所以拉扭疲劳加载过程中的应力可由精确解求得,试验中试件的加载受力如图5a所示,承受着轴向疲劳载荷Fx和扭转疲劳载荷Mxy,应力分析如图5b所示,采用弹性力学符号体系。
[0088] 2.因为最大拉伸应力和最大剪切应力都分别没有超过拉伸屈服强度和剪切屈服强度,即没有塑性应变,因此本发明提出的模型适用。
[0089] 3.将上面计算得到的危险点处的剪应力幅值τa、法向应力幅值σn,a、法向平均应力值σn,m、轴向应力σx与剪切应力τxy之间的相位差δ及轴向平均应力和剪切平均应力影响系数α代入本发明所提出的多轴高周疲劳寿命预测模型中。
[0090] 4.分别将实验寿命与预测寿命进行比较,如图6不同轴向平均应力下2A12-T4铝合金的疲劳寿命预测结果所示,大部分数据都处于2倍的分散带以内。
[0091] 5.分别将疲劳裂纹测量角度与预测角度进行比较,如图7不同轴向平均应力下2A12-T4铝合金的疲劳裂纹方向预测结果所示,绝大部分试件的测量裂纹方向和预测裂纹方向很接近。
[0092] 6.从计算结果可以看出,采用本发明所提出的包含平均应力影响的金属材料多轴高周疲劳寿命预测方法能够很好地预测2A12-T4铝合金承受多轴载荷时的疲劳寿命和疲劳裂纹方向。
[0093] 实施例2:拉扭复合加载下30CrMnSiA钢高周疲劳寿命和疲劳裂纹角度预测[0094] 如图3所示,为30CrMnSiA钢拉扭试验试验件尺寸示意图,其单轴疲劳性能为:b=-0.0585,纯扭转疲劳性能为: bγ=-0.0856。分别在不
同的轴向平均应力下对试验件施加载荷,得到试验件的拉扭疲劳试验寿命。
[0095] 1.因为疲劳试验件为按国标设计的尺寸,所以拉扭疲劳加载过程中的应力可由精确解求得,试验中试件的加载受力如图5a所示,承受着轴向疲劳载荷Fx和扭转疲劳载荷Mxy,应力分析如图5b所示,采用弹性力学符号体系;
[0096] 2.因为最大拉伸应力和最大剪切应力都分别没有超过拉伸屈服强度和剪切屈服强度,即没有塑性应变,因此本发明提出的模型适用;
[0097] 3.将上面计算得到的危险点处的剪应力幅值τa、法向应力幅值σn,a、法向平均应力值σn,m、轴向应力σx与剪切应力τxy之间的相位差δ及轴向平均应力和剪切平均应力影响系数α代入本发明所提出的多轴高周疲劳寿命预测模型中;
[0098] 4.分别将实验寿命与预测寿命进行比较,如图8不同轴向平均应力下30CrMnSiA钢的疲劳寿命预测结果所示,所有数据都处于2倍的分散带以内;
[0099] 5.分别将疲劳裂纹测量角度与预测角度进行比较,如图9不同轴向平均应力下30CrMnSiA钢的疲劳裂纹方向预测结果所示,绝大部分试件的测量裂纹方向和预测裂纹方向很接近;
[0100] 6.从计算结果可以看出,采用本发明所提出的包含平均应力影响的金属材料多轴高周疲劳寿命预测方法能够很好地预测30CrMnSiA钢承受多轴载荷时的疲劳寿命和疲劳裂纹方向。
[0101] 本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。
[0102] 尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述,以便于本技术领域的技术人员理解本发明,但应该清楚,本发明不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。