一种考虑平均应力效应的疲劳寿命预测方法技术

本发明专利技术公开的一种考虑平均应力效应的疲劳寿命预测方法，属于金属材料疲劳失效领域

【技术实现步骤摘要】
一种考虑平均应力效应的疲劳寿命预测方法


[0001]本专利技术涉及一种考虑平均应力效应的疲劳寿命预测方法，属于金属材料疲劳失效领域
。

技术介绍

[0002]对于绝大多数的工程结构而言，其所承受的循环载荷一般为非对称载荷，即其最大拉伸应力和最大压缩应力的绝对值不相等
。
非对称加载条件下结构的疲劳寿命与对称加载下的疲劳寿命之间存在较大的差异，该现象被称为平均应力效应
。
一般认为，拉伸平均应力的存在会加速裂纹的张开和扩展，从而使得疲劳寿命降低
。
相反的，压缩平均应力则有助于抑制疲劳裂纹的萌生和扩展，使得在相同应力幅下结构的疲劳寿命提高
。
为了评估平均应力对疲劳寿命的影响规律，并进一步建立更加准确的寿命预测模型，国内外学者对平均应力效应展开了大量的研究，并建立了大量寿命预测模型
。
其中，根据模型中采用的疲劳失效参数的不同，可以将不同的寿命预测模型分为三类：基于应力的寿命预测模型
、
基于应变的寿命预测模型和基于能量的寿命预测模型
。
[0003]针对不同材料和具体载荷条件，需要采用不同的寿命预测模型以达到最优的寿命预测精度
。
例如，
Goodman
模型和
Soderberg
模型在拉伸平均应力作用下，容易产生非保守预测，而在压缩平均应力作用下，容易产生保守预测
。Gerber
模型则容易在拉伸平均应力作用下产生非保守预测
>。
应用最为广泛的
SWT
模型能够实现最优的寿命预测结果，但是在大压缩平均应力作用下，该模型也容易产生非保守预测，预测精度难以得到保证
。

技术实现思路

[0004]针对平均应力效应，尤其是在大压缩平均应力作用下的寿命预测问题，本专利技术的主要目的是提供一种考虑平均应力效应的疲劳寿命预测方法，针对
SWT
模型在压缩平均应力作用下的非保守寿命预测问题，将原始
SWT
模型中的最大应力替换为等效应力幅，并由此构建等效应变能密度模型；根据现有平均应力修正模型的问题，构建指数型平均应力修正模型，并在指数型平均应力修正模型中引入平均应力依赖参数用以表征不同材料对平均应力的敏感性；将等效应变能密度模型与指数型平均应力修正模型相结合，实现材料在不同平均应力作用下更高精度的寿命预测
。
[0005]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的
。
[0006]本专利技术公开的一种考虑平均应力效应的疲劳寿命预测方法，包括如下步骤：
[0007]步骤
1、
等效应变能密度为等效应力幅与真实应变幅的乘积；根据应力幅
、
应变幅与疲劳寿命之间的关系，建立等效应变能密度与疲劳寿命之间的关系
。
[0008]在高周疲劳条件下，疲劳寿命主要受到应力幅的影响，应力幅与疲劳寿命之间的关系为
[0009]σ
a
＝
σ
'
f
(2N
f
)
b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0010]其中，
σ
'
f
为疲劳强度系数，
b
为疲劳强度指数，
σ
a
为应力幅，
N
f
为疲劳寿命
。
[0011]在高周疲劳条件下，材料所发生的变形主要为弹性变形，在该条件下应力幅与弹性应变幅之间的关系为
[0012][0013]其中，
E
为弹性模量，为弹性应变幅
。
[0014]将公式
(1)
与公式
(2)
相结合，得到应变形式的高周疲劳条件下弹性应变幅与疲劳寿命之间的关系
[0015][0016]在低周疲劳条件下，疲劳寿命主要受到塑性应变幅的影响，塑性应变幅与疲劳寿命之间的关系为
[0017][0018]其中
ε
'
f
为疲劳延性系数，
c
为疲劳延性指数
。
[0019]根据连续介质力学理论，总应变幅
ε
a
为弹性应变幅与塑性应变幅之和，即
[0020][0021]结合公式
(3)、(4)
和
(5)
得到总应变幅与疲劳寿命之间的关系为
[0022][0023]考虑平均应力效应对疲劳寿命的影响，对应力幅进行修正
。
等效应力幅
σ
ar
为在相同寿命下，平均应力为0时所对应的应力幅
。
将等效应力幅代替公式
(1)
中的应力幅
σ
a
，得到等效应力幅与疲劳寿命之间的关系为
[0024]σ
ar
＝
σ
'
f
(2N
f
)
b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0025]根据应变能理论，材料在循环载荷作用下的损伤累积和失效由应变能密度决定，应变能密度表示为
[0026]SED
＝
σ
a
ε
a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0027]则等效应变能密度为
[0028]ESED
＝
σ
ar
ε
a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0029]结合公式
(6)、(7)
和
(9)
，建立等效应变能密度与疲劳寿命之间的关系为
[0030][0031]步骤
2、
根据材料对平均应力的依赖性，引入平均应力敏感性参数，建立平均应力修正模型
。
[0032]为了更加准确的描述不同材料的平均应力敏感性，建立指数型平均应力修正模型为
[0033][0034]σ
r
＝
m
σ
u
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0035]其中
σ
r
为参考应力幅，定义为极限拉伸强度
σ
u
与平均应力敏感性参数
m
的乘积，
σ
m
为平均应力
。
[0036]步骤
3、
将平均应力修正模型与等效应变能密度模型相结合，建立考虑平均应力效应的疲劳寿命预测模型
。
[0037]将公式
(11)
和
(12)
代入式...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种考虑平均应力效应的疲劳寿命预测方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤
1、
等效应变能密度为等效应力幅与真实应变幅的乘积；根据应力幅
、
应变幅与疲劳寿命之间的关系，建立等效应变能密度与疲劳寿命之间的关系；步骤
2、
根据材料对平均应力的依赖性，引入平均应力敏感性参数，建立平均应力修正模型；步骤
3、
将平均应力修正模型与等效应变能密度模型相结合，建立考虑平均应力效应的疲劳寿命预测模型；步骤
4、
通过静态力学试验与疲劳试验获取试验原始数据，并根据步骤3建立的考虑平均应力效应的疲劳寿命预测模型拟合材料参数，验证所述疲劳寿命预测模型准确性，直至得到满足预设准确性要求的疲劳寿命预测模型；步骤
5、
将所步骤4验证后的寿命预测模型与零部件的受力分析相结合，实现零部件在服役条件下的寿命预测
。2.
如权利要求1所述的一种考虑平均应力效应的疲劳寿命预测方法，其特征在于：步骤1实现方法为，在高周疲劳条件下，疲劳寿命主要受到应力幅的影响，应力幅与疲劳寿命之间的关系为
σ
a
＝
σ
'
f
(2N
f
)
b
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
其中，
σ
'
f
为疲劳强度系数，
b
为疲劳强度指数，
σ
a
为应力幅，
N
f
为疲劳寿命；在高周疲劳条件下，材料所发生的变形主要为弹性变形，在该条件下应力幅与弹性应变幅之间的关系为其中，
E
为弹性模量，为弹性应变幅；将公式
(1)
与公式
(2)
相结合，得到应变形式的高周疲劳条件下弹性应变幅与疲劳寿命之间的关系在低周疲劳条件下，疲劳寿命主要受到塑性应变幅的影响，塑性应变幅与疲劳寿命之间的关系为其中
ε
'
f
为疲劳延性系数，
c
为疲劳延性指数；根据连续介质力学理论，总应变幅
ε
a
为弹性应变幅与塑性应变幅之和，即结合公式
(3)、(4)
和
(5)
得到总应变幅与疲劳寿命之间的关系为考虑平均应力效应对疲劳寿命的影响，对应力幅进行修正；等效应力幅
σ
ar
为在相同寿命下，平均应力为0时所对应的应力幅；将等效应力幅代替公式
(1)
中的应力幅
σ
a
，得到等效
应力幅与疲劳寿命之间的关系为根据应变能理论，材料在循环载荷作用下的损伤累积和失效由应变能密度决定，应变能密度表示为
SED
＝
σ
a
ε
a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
则等效应变能密度为
ESED
＝
σ
ar
ε
a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
结合公式
(6)、(7)
和
(9)
，建立等效应变能密度与疲劳寿命之间的关系为
3.
如权利要求2所述的一种考虑平均应力效应的疲劳寿命预测方法，其特征在于：步骤2实现方法为，为了更加准确的描述不同材料的平均应力敏感性，建立指数型平均应力修正模型为为了更加准确的描述不同材料的平均应力敏感性，建立指数型平均应力修正模型为其中
σ
r
为参考应力幅，定义为极限拉伸强度
σ
u
与平均应力敏感性参...

【专利技术属性】
技术研发人员：解丽静，高飞农，彭明健，孙婷，李星宇，王西彬，庞思勤，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：