基于損傷力學(xué)-臨界面法的多軸疲勞壽命預(yù)估方法研究.pdf

1、工程中的大多數(shù)結(jié)構(gòu)是在循環(huán)載荷條件下工作的，其受載形式可能是單軸也可能是多軸的，由此引發(fā)的疲勞斷裂是結(jié)構(gòu)失效的一個主要模式。對于實際服役的各種航空航天飛行器以及其他交通運輸工具中的各種主要零部件，單軸疲勞狀態(tài)已不能真實地反映其受力情況，這是由于大多數(shù)零部件是在多軸應(yīng)力狀態(tài)下工作的。多軸疲勞問題業(yè)已逐漸得到國際疲勞界的廣泛關(guān)注，其中如何更加準(zhǔn)確地預(yù)估多軸疲勞壽命是疲勞領(lǐng)域相關(guān)學(xué)者目前需要解決的一個重要課題。
　　本文在當(dāng)前多軸疲勞研

2、究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合單軸和多軸疲勞試驗，采用試驗與理論相結(jié)合的方法，對多軸疲勞壽命預(yù)估方法進(jìn)行了深入的研究。
　　本文的主要工作和成果如下：
　　（1）在不同應(yīng)力幅值下對光滑試件進(jìn)行了拉壓疲勞試驗，得到304不銹鋼的S－N曲線，為本文的單軸非線性疲勞壽命預(yù)估模型提供了單軸試驗數(shù)據(jù)。此外，通過單軸缺口疲勞試驗研究了不同缺口深度下應(yīng)力與疲勞壽命之間的關(guān)系以及缺口深度對單軸疲勞壽命的影響，結(jié)果顯示：在單軸加載時，隨著缺口深度的增加

3、，試件壽命逐漸減小，二者呈近似線性關(guān)系。最后，在自制夾具的基礎(chǔ)上，設(shè)計和加工了帶缺口彎扭疲勞試件，并在立式單軸疲勞試驗機(jī)上完成了不同缺口深度的彎扭疲勞試驗，以研究不同缺口深度對多軸疲勞壽命的影響，結(jié)果顯示：隨著缺口深度的增加，試件壽命逐漸減小，并且二者也呈近似線性關(guān)系；與單軸缺口疲勞試件相比，多軸疲勞試件的缺口深度對疲勞壽命的影響更小，即在相同缺口深度的增幅下，多軸缺口疲勞試件壽命的減少量更小。不同缺口深度下的彎扭疲勞試驗數(shù)據(jù)也可以進(jìn)一

4、步驗證本文提出的多軸非線性疲勞壽命預(yù)估模型的正確性。
　?。?）目前一般采用Scoie最大剪切應(yīng)變平面搜索法來確定帶缺口試件的臨界面，該方法必須已知缺口根部的遲滯回線，而缺口根部的遲滯回線不易獲得，通過多軸疲勞試驗的方法獲得遲滯回線需要耗費大量的時間并且價格昂貴。為此本文提出一種確定缺口試件臨界面的數(shù)值方法，該方法首先利用有限元軟件（如ANSYS）得到不同工況下危險點處的應(yīng)變張量εij，并通過坐標(biāo)變換得到任意平面上的應(yīng)變分量；然后

5、借助MATLAB軟件計算相應(yīng)平面上的最大剪切應(yīng)變幅(△γi,max/2)，并將這些平面的(△γi,max/2)進(jìn)行比較(△γi,max/2)所在的平面即為臨界面。
　?。?）采用已有的理論方法確定光滑試件的臨界面位置。通過計算發(fā)現(xiàn)，(-π/2，π/2)范圍內(nèi)的△γimax/2對應(yīng)著兩個不同的平面。因為臨界面上法向應(yīng)變幅有利于裂紋的擴(kuò)展，進(jìn)而對多軸疲勞壽命產(chǎn)生較大的影響，所以需要計算出兩個△γimax/2所在平面的法向應(yīng)變幅，較大法

6、向應(yīng)變幅所在的平面即為臨界面。
　?。?）提出一種計算多軸加載下缺口根部主應(yīng)力和主應(yīng)變的修正方法，相對于現(xiàn)有的方法，該方法計算精度更高；且相對于有限元方法，本文方法更為簡便，不需要針對具體的結(jié)構(gòu)、加載方式等進(jìn)行單獨建模。此外，本文應(yīng)用目前常用的多軸疲勞壽命預(yù)估模型分別對45號鋼光滑試件和304不銹鋼缺口試件進(jìn)行疲勞壽命預(yù)估，并將預(yù)估結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析。
　?。?）提出一種適用于低周疲勞的單軸非線性疲勞壽命預(yù)估模型。由

7、單軸疲勞試驗得到的S－N曲線擬合出304不銹鋼單軸非線性疲勞壽命預(yù)估模型的未知參數(shù)；由于缺少45號鋼的單軸疲勞試驗數(shù)據(jù)，本文利用Manson－Coffin方程與已知的單軸疲勞常數(shù)擬合出45號鋼單軸非線性疲勞壽命預(yù)估模型的未知參數(shù)。
　?。?）將單軸非線性疲勞壽命預(yù)估模型與臨界面法相結(jié)合提出一種新的多軸非線性疲勞壽命預(yù)估模型。該模型從損傷的角度來預(yù)估多軸疲勞壽命，不僅考慮了臨界面上裂紋形成和擴(kuò)展的物理意義，而且反映了相位差對附加強(qiáng)化