一种加权耦合最弱链模型的缺口结构概率疲劳寿命预测方法技术

本发明专利技术公开一种加权耦合最弱链模型的缺口结构概率疲劳寿命预测方法，应用于装甲车辆结构完整性与可靠性评估领域，针对现有技术无法解决塑性金属结构件承受循环疲劳载荷以及缺口效应和尺寸效应共同作用时疲劳寿命的预测问题，本发明专利技术通过引入基于材料位置和应力大小的权函数来对缺口效应进行修正，得到一个新的基于最弱链模型的疲劳寿命预测公式；能够同时综合表征缺口效应和尺寸效应的作用，寿命预测准确率高。测准确率高。测准确率高。

【技术实现步骤摘要】
一种加权耦合最弱链模型的缺口结构概率疲劳寿命预测方法


[0001]本专利技术属于特种车辆结构完整性与可靠性评估领域，特别涉及一种缺口结构概率疲劳的寿命预测技术。

技术介绍

[0002]科学技术的进步，为现代武器装备工业注入了大量的新鲜血液，刺激着军工制造业的飞速发展，特种车辆作为联合作战中基本的要素和重要的力量，在过去和未来的战场中有着不可替代的作用。特种车辆在研发与制造时，都要求操作系统操作便捷、工作稳定、安全可靠，并且能够适应在远距离、全天候和全地形的作战环境。在恶劣的工作环境和高工作强度下，对其核心部件进行结构完整性与可靠性评估十分必要。钛合金因其高强度、高韧性等优良性能，被应用于各类武器装备中，且钛合金重量相比钢较轻，一直被认为是完美的特种车辆装甲材料。用钛合金作为装甲材料，能达到增强防护力又减重的良好效果。近年来，随着新技术、新工艺的使用，钛合金装甲的价格大幅下降，制造成本不断降低，国内外新型特种车辆的结构框架和部分装甲逐渐使用钛合金制造，以满足更加现代化的特种车辆发展需要。随着我国兵器装备集团在钛合金大型零部件制造、焊接、机加工等方面的高速发展，未来大量钛合金将被广泛应用于特种车辆的基本结构制造。
[0003]随着现代军事科技的迅速发展进步，现代各类武器装备诸如特种车辆的核心部件设计制造愈发复杂，使用环境愈发恶劣，使用要求不断提高，从而对结构完整性和可靠性产生更高的要求。以特种车辆核心部件发动机为例，在其的结构设计中，为了满足包括冷却、装配、和减重等要求，新提出的设计方案中的部件截面变得愈加复杂，从而导致在外部载荷的作用下在某些位置不可避免的出现应力集中。而应力集中又会促使裂纹萌生，进而导致疲劳损伤和裂纹扩展，因此成为了当前结构完整性和疲劳寿命研究领域的热点问题。各种核心部件的复杂形状导致了在循环载荷作用下的多轴应力
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应变状态的出现，因此，基于实验室试样建立的模型不能满足现今对部件疲劳分析的要求，缺口效应的研究还不够完善，有待进一步深入地探讨。此外，尺寸效应也是结构机械完整性设计的关键因素。基于对结构强度和疲劳分析越来越迫切的需求，为了保证装甲车辆核心组件的结构完整性，概率疲劳寿命预测模型以及考虑尺寸和缺口效应的方法的发展备受期待。
[0004]迄今为止，在缺口构件疲劳寿命预测的研究上已有较深的积累，研究者期望找到一种能够较为合理地表征复杂结构在循环载荷作用下的疲劳失效方法，目前的模型主要基于应力、应变、能量、临界平面以及耦合能量和临界面等四种思路建立，其中基于应力的方法基于疲劳试验中疲劳寿命和应力水平的关系实际建立，在实际预测疲劳寿命操作简便，被认为是缺口疲劳分析最直接的方法。而对缺口效应而言，由于存在应力集中的作用，缺口表面位置处的局部应力水平往往偏高，但是随着往内部的深入，应力迅速下降，未屈服部分对危险部位的屈服部分仍然起着支撑作用，故而仅仅将危险点处的应力应变作为整体疲劳和失效的判据是不合理的，针对此问题，研究者提出了名义应力法、局部应力应变法、应力场强法和临界距离理论等方法；但是名义应力法和局部应力应变法未考虑缺口处的应力集
中，预测结果误差大；应力场强法和临界距离理论所需参数获取困难。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，基于综合考虑缺口效应以及尺寸效应作用的需要，本专利技术在最弱链模型法的基础上耦合应力场强法权函数来表征缺口支撑效应的影响，提出了一种计算简单且能同时考虑尺寸效应和缺口效应作用的疲劳寿命预测方法。
[0006]本专利技术采用的技术方案为：一种加权耦合最弱链模型的缺口结构概率疲劳寿命预测方法，采用基于应力场强法权函数来对不同位置的材料疲劳失效概率进行修正，在最弱链模型的基础上，得到概率疲劳寿命预测模型，基于概率疲劳寿命预测模型进行缺口结构概率疲劳寿命预测。
[0007]得到概率疲劳寿命预测模型的过程为：
[0008]S1、对待分析构件进行弹塑性有限元分析，确定危险点和危险区域，所述各危险区域中包括若干危险边界单元；
[0009]S2.获取危险区域对应的所有危险边界单元在某个稳定循环内的von Mises等效应力峰值，分别计算危险边界单元内相对应力梯度；
[0010]S3.以缺口根部为起点，记为A点；沿S2中最大相对应力梯度方向，求得von Mises等效应力值为危险点应力值50％的点的位置，记为B点；以A点为球心，A点与B点距离为半径的不完整球体为疲劳损伤区域，提取该疲劳损伤区域内所有四面体网格单元的坐标以及von Mises等效应力值；
[0011]S4.根据步骤S3得到的疲劳损伤区域内所有四面体网格单元的坐标和von Mises等效应力值，分别计算各四面体网格单元的权函数；
[0012]S5.利用统计方法分别获取材料的疲劳分散指数K
N
以及特征疲劳寿命N
*
，分别代入作为两参数威布尔分布的形状参数和位置参数；
[0013]S6.将步骤S4求得的权函数和步骤S5的威布尔分布参数，代入最弱链模型，得到概率疲劳寿命预测模型。
[0014]步骤S1所述危险区域包括所有发生局部应力集中的区域。
[0015]步骤S5获取材料的疲劳分散指数K
N
以及特征疲劳寿命N
*
的过程为：首先将同一应力水平下的不用疲劳寿命按数值大小顺序排列，分别计算各疲劳寿命对应下的失效概率，对疲劳寿命与失效率进行线性拟合获得该应力水平下的K
N
和N
*
；求解不同应力水平下的分布参数K
N
和N
*
，最终K
N
取所有应力水平下疲劳寿命指数的均值，并且拟合疲劳特征寿命N
*
和应力水平σ
max
的Basquin公式：σ
max
＝a(N
*
)
b
；
[0016]其中，a、b为材料常数。
[0017]所述a、b在拟合疲劳特征寿命N
*
同时获得。
[0018]步骤S6所述概率疲劳寿命预测模型表达式为：
[0019][0020]其中，N
f
为疲劳寿命，V
(i)
为第i个四面体网格单元的体积，V
Ω
为疲劳损伤区域的体
积，N
*
和K
N
分别威布尔位置参数和形状参数，为第i个四面体网格单元的权函数，第i个四面体网格单元的von Mises等效应力幅值，r
(i)
第i个四面体网格单元到缺口根部的距离，θ
(i)
第i个四面体网格单元与最大应力梯度方向的偏离角。
[0021]根据步骤S6的概率疲劳寿命预测模型，求解构件在不同寿命下的失效概率，获得构件疲劳试验寿命分散性量化结果，以50％失效概率时构件的疲劳寿命作为预测结果。
[0022]步骤S4所述的四面体网格单元的权函数表达式为：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种加权耦合最弱链模型的缺口结构概率疲劳寿命预测方法，其特征在于，采用基于应力场强法权函数来对不同位置的材料疲劳失效概率进行修正，在最弱链模型的基础上，得到概率疲劳寿命预测模型，基于概率疲劳寿命预测模型进行缺口结构概率疲劳寿命预测。2.根据权利要求1所述的一种加权耦合最弱链模型的缺口结构概率疲劳寿命预测方法，其特征在于，得到概率疲劳寿命预测模型的过程为：S1、对待分析构件进行弹塑性有限元分析，确定危险点和危险区域，所述各危险区域中包括若干危险边界单元；S2、获取危险区域对应的所有危险边界单元在某个稳定循环内的von Mises等效应力峰值，分别计算危险边界单元内相对应力梯度；S3、以缺口根部为起点，记为A点；沿S2中最大相对应力梯度方向，求得von Mises等效应力值为危险点应力值50％的点的位置，记为B点；以A点为球心，A点与B点距离为半径的不完整球体为疲劳损伤区域，提取该疲劳损伤区域内所有四面体网格单元的坐标以及von Mises等效应力值；S4、根据步骤S3得到的疲劳损伤区域内所有四面体网格单元的坐标和von Mises等效应力值，分别计算各四面体网格单元的权函数；S5、利用统计方法分别获取材料的疲劳分散指数K
N
以及特征疲劳寿命N
*
，分别代入作为两参数威布尔分布的形状参数和位置参数；S6、将步骤S4求得的权函数和步骤S5的威布尔分布参数，代入最弱链模型，得到概率疲劳寿命预测模型。3.根据权利要求2所述的一种加权耦合最弱链模型的缺口结构概率疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤S1所述危险区域包括所有发生局部应力集中的区域。4.根据权利要求2所述的一种加权耦合最弱链模型的缺口结构概率疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤S5获取材料的疲劳分散指数K
N
以及特征疲劳寿命N
*
的过程为：首先将同一应力水平下的不用疲劳寿命按数值大小顺序排列，分别计算各疲劳寿命对应下的失效概率，对疲劳寿命与失效率进行线性拟合获得该应力水平下的K<...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱顺鹏，吴炎来，伊枭剑，张宏伟，王喆，何金超，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：