本发明专利技术公开一种耦合缺口与尺寸效应的概率疲劳寿命预测方法，应用于装甲车辆结构强度校核及可靠性评估领域。为解决金属结构件在缺口、尺寸效应及不确定性共同作用下的疲劳寿命预测问题，本发明专利技术通过耦合高应力体积(面积)法与威布尔分布，建立了一种综合考虑缺口与尺寸效应的金属结构件概率疲劳寿命预测方法；本发明专利技术方法以高应力体积(面积)法为基础，吻合疲劳失效机理；基于威布尔分布量化疲劳寿命分散性，可有效涵盖材料不确定性，满足疲劳可靠性设计需求；体积法与面积法的结合使本发明专利技术所提方法具有对任意失效模式的普适性，操作简便，适用面广。适用面广。适用面广。
【技术实现步骤摘要】
一种耦合缺口与尺寸效应的概率疲劳寿命预测方法
[0001]本专利技术属于装甲车辆结构强度校核及可靠性评估领域，特别涉及一种缺口件概率疲劳寿命预测技术。
技术介绍
[0002]作为联合作战的基本要素与重要力量，装甲车辆在战场上的作用不可替代。随着未来战场愈趋复杂多变，对装甲车辆的综合性能也提出了更高要求，而综合性能提升意味着更严格的可靠性指标要求。选择合理的材料是保障车辆服役可靠性的关键，钛合金材料具有高强度、高韧性、轻便等性能，被认为是完美的装甲材料。近年来，随着新技术、新工艺的推广运用，钛合金装甲车制造成本不断降低，国内外新型装甲车的结构框架和部分装甲逐渐使用钛合金制造，以满足装甲车辆现代化发展需求。随着我国兵器装备集团在钛合金大型零部件制造、焊接、机加工等领域技术攻关成果逐渐成效，未来大量钛合金将被广泛应用于装甲车辆。
[0003]疲劳断裂是装甲车辆关键部件的主要失效模式之一，一旦发生将直接影响装备战力。随着装甲车辆结构功能要求愈趋复杂，其关键部件难以避免地包含不同类型的缺口和几何不连续部位(如孔、键、槽等)，且在服役时往往呈现出复杂应力/应变状态，疲劳失效极易始于上述特征。准确分析缺口效应对疲劳强度的影响是装甲车辆结构强度分析与完整性评估的关键。受试验成本与条件的限制，对装甲车辆关键部件进行全尺寸试验往往比较困难，故基于小尺寸试样疲劳试验数据推导实际部件疲劳性能至关重要。此外，由于材料不确定性的客观存在，结构疲劳失效进程往往展现出较强不确定性。故基于小尺寸试件深入探究缺口结构疲劳寿命预测方法，提出一套考虑缺口、尺寸效应与不确定性的疲劳寿命预测方法和分析流程并将其推广至工程应用，具有重要的理论意义和工程价值。
[0004]迄今为止，在缺口件疲劳寿命预测的研究上已有较深累积。现有模型主要基于应力、应变、能量、临界平面及耦合能量和临界面等思路建立，其中基于应力的方法在实际运用时操作简便，被认为是缺口疲劳分析最直接简便的方法。对缺口效应而言，受应力集中的影响，缺口表面局部应力水平往往偏高。然而，由外往内，应力迅速下降。此时，未屈服部分对屈服部分仍然起着支撑作用，故仅将危险点应力作为整体疲劳强度判据不合理。针对此，研究者提出了名义应力法、应力场强法和临界距离理论等方法。然而，名义应力法过于保守，应力场强法和临界距离理论则存在所需参数获取困难的问题。
技术实现思路
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提出一种耦合缺口与尺寸效应的概率疲劳寿命预测方法，耦合高应力体积(面积)法与威布尔分布，得到的模型预测结果准确率更高。
[0006]本专利技术采用的技术方案为：一种耦合缺口与尺寸效应的概率疲劳寿命预测方法，包括：
[0007]S1、对不同尺寸缺口试样进行有限元分析，确定潜在疲劳失效危险区域，潜在疲劳
失效危险区域包含若干危险节点；
[0008]S2、提取危险区域所有危险节点的最大主应力峰值，据此计算不同尺寸缺口试样高应力体积与高应力面积；
[0009]S3、基于步骤S2所得高应力体积与高应力面积分别建立不同尺寸缺口试样间的疲劳寿命转换公式；
[0010]S4、基于统计方法获取不同尺寸缺口试样所用材料的疲劳寿命分散指数k及特征疲劳寿命N，作为两参数威布尔分布的形状与位置参数；
[0011]S5、基于步骤S3所得疲劳寿命转换公式和步骤S4所得威布尔分布参数，预测构件疲劳寿命。
[0012]步骤S1所述有限元分析为线弹性分析，无需考虑塑性变形。
[0013]步骤S1的危险区域包括应力值大于或等于最大主应力值60％的所有节点。
[0014]步骤S2所述高应力节点包括应力值大于或等于最大主应力值90％的所有节点。
[0015]步骤S2中高应力体积计算式为：
[0016][0017]其中，V为某尺寸缺口试样高应力体积，V
r
为某尺寸缺口试样危险区域体积，N
h,v
为某尺寸缺口试样高应力节点数，N
r,v
为某尺寸缺口试样高应力区域总节点数。在有限元仿真计算N
h,v
和N
r,v
时，须保证研究对象整体网格尺寸高度一致。
[0018]步骤S2中高应力面积计算式为：
[0019][0020]其中，A为某尺寸缺口试样高应力面积，A
r
为某尺寸缺口试样危险区域表面积，N
h,s
为某尺寸缺口试样危险区域表面高应力节点数，N
r,s
为某尺寸缺口试样危险区域表面节点总数。在有限元仿真计算N
h,s
和N
,s
时，须保证研究对象整体网格尺寸高度一致。
[0021]步骤S3所述疲劳寿命转换公式为：
[0022][0023][0024]其中，N1、N2为某两个不同尺寸缺口试样疲劳寿命，V1、V2为某两个不同尺寸缺口试样高应力体积，A1、A2为某两个不同尺寸缺口试样高应力面积，β1、β2为拟合参数。
[0025]步骤S4具体实现过程为：
[0026]首先，将同一应力幅值下的疲劳寿命按数值大小排序，分别计算各疲劳寿命对应失效概率，对疲劳寿命与失效概率进行线性拟合获取该应力幅值下的k和N；
[0027]其次，求解不同应力幅值下的k和N；
[0028]最终，k取各应力幅值下均值；
[0029]疲劳特征寿命N基于下式求得：
[0030]σ
a
＝a(N)
b
[0031]其中，a、b为曲线拟合参数，σ
a
为应力幅值。
[0032]步骤S5中构件疲劳寿命计算式为：
[0033][0034]其中，V0与A0分别表示参考试样高应力体积与高应力面积，N
f
为疲劳寿命，该式可进一步简化为：
[0035][0036]本专利技术有益效果：本专利技术基于威布尔分布初始公式，引入基于高应力体积与高应力面积的修正因子来对缺口与尺寸效应进行修正，得到新的寿命预测模型；本专利技术的方法具有以下优点：
[0037](1)通过结合量化疲劳寿命分散性的威布尔分布与表征缺口与尺寸效应的高应力体积(面积)法，将不确定性量化和缺口、尺寸效应建模进行了有机结合。本专利技术的方法既能体现疲劳寿命的随机特性，又能反映缺口、尺寸效应等因素对疲劳寿命的不利影响；
[0038](2)面积法针对表面失效模式适用性更强，体积法更适用于内部失效模式，通过结合高应力体积法与高应力面积法，所提模型适用于复杂失效模式下缺口疲劳寿命预测，普适性更强；
[0039](3)提出了一种考虑缺口与尺寸效应的概率疲劳寿命预测模型，其中，高应力体积和面积求解简便，威布尔分布参数的拟合方便，模型预测结果精度高。
附图说明
[0040]图1为本专利技术实施例提供的TC4合金疲劳试验试件尺寸；
[0041]其中，(a)为应力集中系数K
t
＝1的光滑试件尺寸，(b)为应力集中本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种耦合缺口与尺寸效应的概率疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括：S1、对不同尺寸缺口试样进行有限元分析，确定潜在疲劳失效危险区域，潜在疲劳失效危险区域包含若干危险节点；S2、提取潜在疲劳失效危险区域内所有危险节点的最大主应力峰值，据此计算不同尺寸缺口试样高应力体积与高应力面积；S3、基于步骤S2所得高应力体积与高应力面积分别建立不同尺寸缺口试样间的疲劳寿命转换公式；S4、基于统计方法获取不同尺寸缺口试样所用材料的疲劳寿命分散指数k及特征疲劳寿命N，作为两参数威布尔分布的形状与位置参数；S5、基于步骤S3所得疲劳寿命转换公式与步骤S4所得威布尔分布参数，预测构件疲劳寿命。2.根据权利要求1所述的一种耦合缺口与尺寸效应的概率疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤S1所述有限元分析为线弹性分析。3.根据权利要求1所述的一种耦合缺口与尺寸效应的概率疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤S1所述潜在疲劳失效危险区域包含应力值大于或等于最大主应力值60％的所有节点。4.根据权利要求1所述的一种耦合缺口与尺寸效应的概率疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤S2所述高应力节点包括应力值大于或等于最大主应力值90％的所有节点。5.根据权利要求1所述的一种耦合缺口与尺寸效应的概率疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤S2中高应力体积计算式为：其中，V为某尺寸缺口试样高应力体积，V
r
为某尺寸缺口试样危险区域体积，N
h,v
为某尺寸缺口试样高应力节点数，N
r,v
为某尺寸缺口试样高应力区域节点总数。6.根据权利要...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱顺鹏，何金超，伊枭剑，刘勇，王喆，廖鼎，牛晓鹏，
申请(专利权)人：北京理工大学内蒙古第一机械集团有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。