一种考虑低于疲劳极限加载的疲劳损伤分析方法技术

本发明专利技术涉及一种考虑低于疲劳极限加载的疲劳损伤分析方法，当加载的疲劳载荷的幅值是高‑低两级加载或高低交替加载时，结构在高幅值载荷作用下产生初始损伤，再受到低于疲劳极限载荷的作用，材料的疲劳性能会持续劣化，对疲劳损伤累积造成影响；基于模糊数学理论提出了一种改进的非线性连续损伤累积模型，利用隶属函数考虑低于疲劳极限载荷引起的损伤。该模型以连续损伤力学为基础，将载荷参数与损伤参量相关联，体现了加载顺序变化对疲劳损伤的影响；同时利用强化函数和隶属函数描述了低于疲劳极限的小载荷所引起的损伤参量。通过逐级推导建立了综合考虑载荷参数特征的多级加载疲劳损伤累积模型，保证了机械结构寿命预测及损伤评估的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑低于疲劳极限加载的疲劳损伤分析方法
本专利技术属于结构强度领域。具体地，涉及一种在加载过程中存在低于疲劳极限载荷的加载条件下的结构疲劳损伤预测方法，用于航空、海洋等工程中材料、部件和结构的高周疲劳损伤分析。
技术介绍
疲劳断裂是交变加载下结构失效的主要方式之一。疲劳寿命预测和损伤评估的研究不仅可以有效地避免失效事故的发生，还可以指导结构设计、安全评估以及材料和结构的优化。然而，航空、海洋等工程结构的服役环境恶劣、加载条件复杂，疲劳试验不能准确还原结构工作过程受到的载荷谱，而疲劳损伤理论模型所考虑的载荷参数也十分有限，导致结构寿命预测及损伤评估与工程实际存在较大的误差，结构强度及疲劳损伤问题突出，现有的疲劳损伤预测方法已不能满足工程应用的需要。疲劳损伤研究包括试验和仿真两种方法：疲劳试验能准确反映材料的疲劳特性、获取不同条件(如改变振动频率、应力、应变等参数)下的试验数据，为寿命模型的建立与修正奠定基础，但疲劳试验成本较高，并且试验载荷通常进行一定的简化；疲劳仿真建模则降低了疲劳损伤研究的成本，可以使用与实际相符的复杂载荷谱来进行结构的疲劳损伤分析和寿命预测。常用的疲劳损伤预测方法包括以下几种：(1)基于线性损伤的疲劳寿命预测线性损伤累积理论是疲劳损伤研究中应用最为广泛的方法。该方法建立在以下几点假设的基础上：1)损伤参量与应力参数相对独立，每循环的损伤仅与加载水平相关。对于相同的应力水平，不论加载在疲劳损伤的前期或后期，所对应的加载循环造成的损伤是相同的，并未考虑加载过程中材料劣化对疲劳损伤的影响；2)无论加载载荷的顺序是先高后低或是先低后高，载荷次序的变化并不影响损伤参量及损伤累积行为；3)只有高于疲劳极限的加载才会对损伤累积造成影响。上述假设条件导致线性损伤理论的预测精度较差，但由于其应用时的简便性，仍广泛应用于工程计算中。(2)基于非线性损伤的疲劳寿命预测为了克服线性损伤理论忽略加载顺序的缺陷，非线性损伤理论通过在损伤模型中引入与载荷相关的变量，反映了载荷顺序对疲劳损伤累积的影响。然而，非线性损伤理论的应用过程中，对于所研究结构的每一级加载条件，都需要通过相应材料的疲劳试验数据计算其载荷相关参数。因此，对于加载过程较为复杂的工程结构，其应用性较差，同时多次参数拟合带来误差，导致计算结果与试验结果有较大的差异。(3)基于双线性损伤的疲劳寿命预测双线性损伤累积理论以非线性损伤理论为基础，将疲劳损伤累积的过程划分为裂纹萌生和裂纹扩展两个阶段，每一阶段依照不同的非线性损伤规律进行计算，符合损伤在不同阶段发展规律的情况。该方法较非线性损伤理论具有较好的工程应用性，但是简单地将损伤累积过程划分为两个阶段，不能准确表达实际的疲劳损伤演化过程。此外，裂纹萌生和裂纹扩展两个阶段的转折点不容易确定，在计算工程问题时存在较大的误差。非线性损伤理论和双线性损伤理论虽然克服了线性损伤理论忽略加载顺序效应的缺陷，但是上述三种方法在预测疲劳损伤时，均只考虑了高于疲劳极限的载荷，认为当加载载荷低于疲劳极限时，结构不产生损伤。若所加载的疲劳载荷的幅值是恒定，低于疲劳极限的疲劳载荷确实在一定程度上不会对疲劳造成影响；但若所加载的疲劳载荷的幅值是变化的，如高-低两级加载及高低交替加载，那么结构在高幅值载荷作用下产生初始损伤，再受到低于疲劳极限载荷的作用，仍然会劣化材料的疲劳性能，对疲劳损伤累积造成影响。因此，对于变幅加载条件，忽略低于疲劳极限加载会给预测结果带来较大的误差。然而，实际的疲劳损伤过程中会有大量的低于材料疲劳极限的加载循环，且多为高-低交替的变幅载荷，因此，需要建立一种可以综合考虑载荷参数(如载荷顺序以及低于疲劳极限的小载荷)的疲劳损伤预测模型，提高寿命预测精度，从而为结构的改型优化以及维修维护提供指导。
技术实现思路
为了解决现有的疲劳损伤预测方法在低于疲劳极限加载条件下精度不足的问题，基于模糊数学理论提出了一种改进的非线性连续损伤累积模型，利用隶属函数考虑低于疲劳极限载荷引起的损伤。该模型以连续损伤力学为基础，将载荷参数与损伤参量相关联，体现了加载顺序变化对疲劳损伤的影响；同时利用强化函数和隶属函数描述了低于疲劳极限的小载荷所引起的损伤参量。通过逐级推导建立了综合考虑载荷参数特征的多级加载疲劳损伤累积模型，保证了机械结构寿命预测及损伤评估的可靠性。具体专利技术技术方案如下：一种考虑低于疲劳极限加载的疲劳寿命预测方法，其特征是：当加载的疲劳载荷的幅值是高-低两级加载或高低交替加载时，结构在高幅值载荷作用下产生初始损伤，再受到低于疲劳极限载荷的作用，材料的疲劳性能会持续劣化，对疲劳损伤累积造成影响；因此，低载强化效应的疲劳寿命预测方法为：在低载强化效应下结构的疲劳寿命所有增加，但损伤会持续恶化，其损伤表达式如下：其中，σi为加载载荷，i为所对应的加载级数，当σF<σi<σ0时，存在低幅加载的强化效应，该载荷下疲劳寿命和损伤累积均所有强化，其中σF是具有强化效应的应力最小值，σ0是疲劳极限；式中，M0、b0、β均为表征材料疲劳特性的模型参数，m’为强化系数，与材料属性相关，根据疲劳试验数据拟合得到，ni为该级低载载荷的加载循环数，Ni*’为该级低载载荷的疲劳循环数，Di为该级低载载荷所对应的损伤残参量。在小载荷的强化效应具有不确定性时，且疲劳极限的不确定性导致不同应力水平下疲劳损伤的不确定性；引入模糊数学中的隶属函数描述低载强化效应的模糊性，建立了考虑低载强化效应和模糊效应的多级变幅损伤模型：式中为描述低载载荷模型性的隶属函数，其幅值范围为上式为多级加载条件下，基于模糊集理论考虑低载强化效应和损伤劣化的不确定性的非线性连续损伤模型。所述的描述模糊变量包括包括梯形分布隶属函数、次抛物线分布隶属函数、次抛物线分布隶属函数、均方根分布隶属函数、正态分布隶属函数、Γ分布隶属函数或柯西分布隶属函数。具体说明如下：非线性连续损伤模型建立了应力σ、损伤D和疲劳寿命N之间的关系，并认为当加载载荷低于疲劳极限时，损伤参量仍然持续累积，劣化材料的疲劳特性。对于高-低两级加载条件，当前i-1级载荷高于疲劳极限，第i级载荷低于疲劳极限，则累积的损伤参量可以表示为：式中，Di-1为第i-1级高于疲劳极限加载的损伤，Di为第i级低于疲劳极限加载的损伤，Ni*表示低载下参考的疲劳断裂周期，其计算表达式为：然而有试验研究发现，并不是所有低于疲劳极限的小载荷均会结构的疲劳损伤产生影响，将交变载荷按照幅值大小进行划分，认为当载荷高于疲劳极限时，结构具有有限的疲劳寿命；将低于疲劳极限的小载荷划分为有低载强化作用和无低载强化作用两类。由于结构的疲劳破坏是一个连续发展的过程，其损伤也是一个连续累积的过程，在疲劳极限附近的小载荷会造成损伤，且该损伤具有模糊性。而现有方法或仅考虑大载荷作用或未对小载荷效应进一步区分，使得疲劳损伤的工程应用存在缺陷，降低了计算结果的准确性。首先，引入强化函数描述低载效应下损伤的变化规律：其中，m’为强化系数，与材料属性相关，可以从疲劳试验获得，σF是具有强化效应的应力最小值。强化函数描述了循环强化效应与载荷间的相互作用。当加载载荷σ<σF时，强化函数的取值1，说明加载幅值很小，几乎不产本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑低于疲劳极限加载的疲劳损伤分析方法，其特征是：当加载的疲劳载荷的幅值是高‑低两级加载或高低交替加载时，结构在高幅值载荷作用下产生初始损伤，再受到低于疲劳极限载荷的作用，材料的疲劳性能会持续劣化，对疲劳损伤累积造成影响；因此，低载强化效应的疲劳寿命预测方法为：

【技术特征摘要】
1.一种考虑低于疲劳极限加载的疲劳损伤分析方法，其特征是：当加载的疲劳载荷的幅值是高-低两级加载或高低交替加载时，结构在高幅值载荷作用下产生初始损伤，再受到低于疲劳极限载荷的作用，材料的疲劳性能会持续劣化，对疲劳损伤累积造成影响；因此，低载强化效应的疲劳寿命预测方法为：在低载强化效应下结构的疲劳寿命所有增加，但损伤会持续恶化，其损伤表达式如下：其中，σi为加载载荷，i为所对应的加载级数，当σF<σi<σ0时，存在低幅加载的强化效应，该载荷下疲劳寿命和损伤累积均所有强化，其中σF是具有强化效应的应力最小值，σ0是疲劳极限；式中，M0、b0、β均为表征材料疲劳特性的模型参数，m’为强化系数，与材料属性相关，根据疲劳试验数据拟合得到，ni...

【专利技术属性】
技术研发人员：林杰威，付曦，张俊红，戴胡伟，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12