一种基于蠕变疲劳损伤累积的变幅多轴热机疲劳寿命预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于蠕变疲劳损伤累积的变幅多轴热机疲劳寿命预测方法，通过多轴计数方法对拉扭随机变幅的应变‑时间历进行多轴循环计数，并计出所有反复；在0‑180°范围内每隔1°分别寻找每一个反复上的临界面；计算每一个反复的纯疲劳损伤，并将所有反复的损伤线性相加得到一个块载荷的纯疲劳损伤；依据应力‑应变本构关系或者迟滞回线获取一个稳定块载荷下的轴扭应力‑时间历程和温度‑时间历程；把轴向应力‑时间历程和温度‑时间历程分割成适当份数的区间，并确定每一个区间上的蠕变应力和等效温度；将纯疲劳损伤与等效疲劳损伤相加的到加载一个块载荷后的总的损伤，并取其倒数得到其寿命。该方法能较好的预测多轴随机变幅热机械疲劳寿命。

A Fatigue Life Prediction Method for Variable Amplitude Multiaxial Thermal Engines Based on Creep Fatigue Damage Accumulation

【技术实现步骤摘要】
一种基于蠕变疲劳损伤累积的变幅多轴热机疲劳寿命预测方法
本专利技术涉及疲劳强度领域，特指基于蠕变疲劳损伤累积的变幅多轴热机疲劳寿命预测方法。
技术介绍
某些承受高温的机械部件，如航空发动机涡轮盘，在起动和停机过程中，经常会遭受到变幅多轴热机械循环载荷的影响。上述热机械载荷不仅可以缩短结构的寿命，而且会降低关键部件的可靠性，因此对多轴疲劳特性、蠕变特性以及疲劳和蠕变损伤累积进行研究，建立一个稳健的寿命预测模型并准确预测疲劳寿命具有重要意义。目前对多轴热机疲劳的研究主要集中在恒幅阶段，而蠕变疲劳损伤累积也大多数是蠕变损伤和纯疲劳损伤直接线性相加或者考虑蠕变交互作用损伤项的影响，在发展到随机变幅热机疲劳阶段，用这些方法预测疲劳寿命时，结果偏差就可能会很大，并且计算也会变的更加繁琐。因此，考虑蠕变疲劳的累积过程，研究一种基于蠕变疲劳损伤累积的变幅多轴热机疲劳寿命预测方法具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术目的在于针对随机变幅多轴热机疲劳的发展要求，提出了一种基于蠕变疲劳损伤累积的疲劳寿命预测方法。本专利技术所采用的技术方案为一种基于蠕变疲劳损伤累积的变幅多轴热机疲劳寿命预测方法，该方法的实施步骤为：步骤1)：通过多轴计数方法对轴扭随机变幅的应变-时间历进行多轴循环计数，并计出所有反复；步骤2)：在0-180°范围内每隔1°分别寻找每一个反复上的临界面；临界面被定义为拥有最大剪应变范围且拥有最大正应变范围的平面。与试件中心轴线夹角为θ的平面上，其正应变和剪应变通过以下两个公式计算：其中，εθ是临界面上的正应变，γθ是临界面上的剪应变εx，εy是拉伸应变，γxy是扭转应变；步骤3)：计算临界面上的疲劳损伤参量，包括最大剪切应变幅Δγmax、相邻剪切应变转折点之间对应的正应变幅步骤4)：利用下式计算每一个反复的纯疲劳损伤，并将所有反复的损伤线性相加得到一个块载荷的纯疲劳损伤。其中Npf是理论纯疲劳寿命，Dpf是理论纯疲劳损伤，σ′f，ε′f，b，c是参考温度T0下的材料常数，参考温度T0是理论上不发生蠕变损伤的最高温度。是临界面上的平均应力，其能反应温度相位角的变化对平均应力的影响。Δγmax是临界面上的最大剪应变幅值，是临界面上两个最大剪应变折返点之间的正应变幅值；步骤5)：依据应力-应变本构关系或者迟滞回线获取一个稳定块载荷下的轴扭应力-时间历程和温度-时间历程；步骤6)：把轴向应力-时间历程和温度-时间历程每隔1秒分割成一定份数的区间，如果某一区间拉应力的终点为正值，用该区间拉扭应力终点的Mises等效应力作为蠕变应力，如果某一区间的拉应力为负值，该区间上的蠕变应力取为0，具体计算方式如下式。温度用取每一份对应的终点值。其中σci是蠕变应力，σi是区间i上的拉应力的终点值，τi是区间i上的扭应力的终点值；步骤7)：根据蠕变应力、温度及蠕变断裂时间的关系即材料的蠕变持久方程计算每一份的蠕变损伤，然后累加所有区间的蠕变损伤即为该块载荷下的总蠕变损伤。lgtci＝b0+b1(1.8T+492)+b2x+b3x2+b4x3x＝lgσci其中Dc是该块载荷上的蠕变损伤，tci是蠕变持久断裂时间，T是区间i上终止点的温度，Δti是区间i所经历的时间，b0，b1，b2，b3，b4是通过材料手册数据拟合出来的材料常数；步骤8)：利用下式将求得的该块载荷的蠕变损伤转换为等效疲劳损伤。Dcf＝βDcα其中Dcf是等效疲劳损伤，α和β分别是蠕变指数和蠕变系数；步骤9)：将纯疲劳损伤与等效疲劳损伤相加的到加载一个块载荷后的总的损伤，并取其倒数得到其寿命。Dtotal＝Dpf+Dcf其中Dtotal是总损伤，Nf是最终的预测寿命。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果。本专利技术提出一种基于蠕变疲劳损伤累积的变幅多轴热机疲劳寿命预测方法，该方法将时间分数法算得的蠕变损伤转换为可与纯疲劳损伤直接线性相加的等效疲劳损伤，解决了蠕变损伤与纯疲劳损伤直接线性相加有时候远小于1的问题。该方法所需的模型参数可以根据单轴试验数据拟合得到，且计算方法简单。通过验证，采用该方法进行随机变幅多轴热机疲劳寿命预测取得了较好的效果。附图说明图1为多轴循环计数的流程图。图2为轴、扭-时间历程和温度-时间历程划分区间的一个例子。图3为多轴恒幅热机蠕变等效(本模型)与非等效的疲劳寿命预测结果对比图。图4为多轴随机变幅热机疲劳蠕变等效(本模型)与非等效的寿命预测结果对比图。图5是本专利技术实施流程图。具体实施方式结合附图说明本专利技术的具体实施方式。本专利技术通过随机变幅热机下轴扭疲劳试验做了进一步说明，试验材料为航空发动机涡轮盘材料GH4169镍基高温合金，试验温度为360-650℃，试验采用应变加载，加载波形为三角波。一种基于蠕变疲劳损伤累积的变幅多轴热机疲劳寿命预测方法，具体实施方式如下：步骤1)：通过多轴计数方法对轴扭随机变幅的应变-时间历进行多轴循环计数，并计出所有反复；步骤2)：在0-180°范围内每隔1°分别寻找每一个反复上的临界面；临界面被定义为拥有最大剪应变范围且拥有最大正应变范围的平面。与试件中心轴线夹角为θ的平面上，其正应变和剪应变通过以下两个公式计算：其中，εθ是临界面上的正应变，γθ是临界面上的剪应变εx，εy是拉伸应变，γxy是扭转应变；步骤3)：计算临界面上的疲劳损伤参量，包括最大剪切应变幅Δγmax、相邻剪切应变转折点之间对应的正应变幅步骤4)：利用下式计算每一个反复的纯疲劳损伤，并将所有反复的损伤线性相加得到一个块载荷的纯疲劳损伤。其中Npf是理论纯疲劳寿命，Dpf是理论纯疲劳损伤，σ′f，ε′f，b，c是参考温度T0下的材料常数，参考温度T0是理论上不发生蠕变损伤的最高温度。是临界面上的平均应力，其能反应温度相位角的变化对平均应力的影响。Δγmax是临界面上的最大剪应变幅值，是临界面上两个最大剪应变折返点之间的正应变幅值；步骤5)：依据应力-应变本构关系或者迟滞回线获取一个稳定块载荷下的轴扭应力-时间历程和温度-时间历程；步骤6)：把轴向应力-时间历程和温度-时间历程每隔1秒分割成一定份数的区间，如果某一区间拉应力的终点为正值，用该区间拉扭应力终点的Mises等效应力作为蠕变应力，如果某一区间的拉应力为负值，该区间上的蠕变应力取为0，具体计算方式如下式。温度用取每一份对应的终点值。其中σci是蠕变应力，σi是区间i上的拉应力的终点值，τi是区间i上的扭应力的终点值；步骤7)：根据蠕变应力、温度及蠕变断裂时间的关系即材料的蠕变持久方程计算每一份的蠕变损伤，然后累加所有区间的蠕变损伤即为该块载荷下的总蠕变损伤。lgtci＝b0+b1(1.8T+492)+b2x+b3x2+b4x3x＝lgσci其中Dc是该块载荷上的蠕变损伤，tci是蠕变持久断裂时间，T是区间i上终止点的温度，Δti是区间i所经历的时间，b0，b1，b2，b3，b4是通过材料手册数据拟合出来的材料常数；步骤8)：利用下面的式子将求得的该块载荷的蠕变损伤转换为等效疲劳损伤。Dcf＝βDcα其中Dcf是等效疲劳损伤，α和β分别是蠕变指数和蠕变系数，经单轴数据拟合，可以得到α的取值可为0.2974，β的取值可为0.1852；步骤9)：将纯疲劳损伤与等效疲劳损伤相加的到加载一个块载荷后的总的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于蠕变疲劳损伤累积的变幅多轴热机疲劳寿命预测方法，其特征在于：该方法的实施步骤为，步骤1)：通过多轴计数方法对轴扭随机变幅的应变‑时间历进行多轴循环计数，并计出所有反复；步骤2)：在0‑180°范围内每隔1°分别寻找每一个反复上的临界面；临界面被定义为拥有最大剪应变范围且拥有最大正应变范围的平面；与试件中心轴线夹角为θ的平面上，其正应变和剪应变通过以下两个公式计算：

【技术特征摘要】
1.一种基于蠕变疲劳损伤累积的变幅多轴热机疲劳寿命预测方法，其特征在于：该方法的实施步骤为，步骤1)：通过多轴计数方法对轴扭随机变幅的应变-时间历进行多轴循环计数，并计出所有反复；步骤2)：在0-180°范围内每隔1°分别寻找每一个反复上的临界面；临界面被定义为拥有最大剪应变范围且拥有最大正应变范围的平面；与试件中心轴线夹角为θ的平面上，其正应变和剪应变通过以下两个公式计算：其中，εθ是临界面上的正应变，γθ是临界面上的剪应变εx，εy是拉伸应变，γxy是扭转应变；步骤3)：计算临界面上的疲劳损伤参量，包括最大剪切应变幅Δγmax、相邻剪切应变转折点之间对应的正应变幅步骤4)：利用下式计算每一个反复的纯疲劳损伤，并将所有反复的损伤线性相加得到一个块载荷的纯疲劳损伤；其中Npf是理论纯疲劳寿命,Dpf是理论纯疲劳损伤，σ'f,ε'f,b,c是参考温度T0下的材料常数，参考温度T0是理论上不发生蠕变损伤的最高温度；是临界面上的平均应力，其能反应温度相位角的变化对平均应力的影响；Δγmax是临界面上的最大剪应变幅值，是临界面上两个最大剪应变折返点之间的正应变幅值；步骤5)：依据应力-应变本构关系或者迟滞回线获取一个稳定块载荷下的轴扭应力-时间历程和温度-时间历程；步骤6)：把轴向应力-时间历程和温度-时间历程每隔1秒分割成一定份数的区间，如果某一区间拉应力...

【专利技术属性】
技术研发人员：尚德广，李罗金，李道航，薛龙，尹翔，董恩军，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11