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(gè)主要模式。對(duì)于實(shí)際服役的各種航空航天飛行器以及其他交通運(yùn)輸工具中的各種主要零部件，單軸疲勞狀態(tài)已不能真實(shí)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(wèn)題業(yè)已逐漸得到國(guó)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(gè)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(yàn)，采用試驗(yàn)與理論相結(jié)合的方法，對(duì)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(duì)光滑試件進(jìn)行了拉壓疲勞試驗(yàn)，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(yàn)數(shù)據(jù)。此外，通過(guò)單軸缺口疲勞試驗(yàn)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(duì)單軸疲勞壽命的影響，結(jié)果顯示：在單軸加載時(shí)，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(jì)和加工了帶缺口彎扭疲勞試件，并在立式單軸疲勞試驗(yàn)機(jī)上完成了不同缺口深度的彎扭疲勞試驗(yàn)，以研究不同缺口深度對(duì)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(duì)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(yàn)數(shù)據(jù)也可以進(jìn)一

4、步驗(yàn)證本文提出的多軸非線性疲勞壽命預(yù)估模型的正確性。
　　（2）目前一般采用Scoie最大剪切應(yīng)變平面搜索法來(lái)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(guò)多軸疲勞試驗(yàn)的方法獲得遲滯回線需要耗費(fèi)大量的時(shí)間并且價(jià)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(xiǎn)點(diǎn)處的應(yīng)變張量εij，并通過(guò)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(jì)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(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，(-π/2，π/2)范圍內(nèi)的△γimax/2對(duì)應(yīng)著兩個(gè)不同的平面。因?yàn)榕R界面上法向應(yīng)變幅有利于裂紋的擴(kuò)展，進(jìn)而對(duì)多軸疲勞壽命產(chǎn)生較大的影響，所以需要計(jì)算出兩個(gè)△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(jì)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(duì)于現(xiàn)有的方法，該方法計(jì)算精度更高；且相對(duì)于有限元方法，本文方法更為簡(jiǎn)便，不需要針對(duì)具體的結(jié)構(gòu)、加載方式等進(jìn)行單獨(dú)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(duì)45號(hào)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(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。
　　（5）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(yàn)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(hào)鋼的單軸疲勞試驗(yàn)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(hào)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(lái)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(duì)附加強(qiáng)化