两级变幅应变疲劳本征损伤耗散寿命预测方法技术

本发明专利技术公开了两级变幅应变疲劳本征损伤耗散寿命预测方法，包括以下步骤：

【技术实现步骤摘要】
两级变幅应变疲劳本征损伤耗散寿命预测方法


[0001]本专利技术涉及金属疲劳寿命预测
，具体为两级变幅应变疲劳本征损伤耗散寿命预测方法
。

技术介绍

[0002]随着科技进步以及国民经济的发展，人们对机械装备的安全性
、
耐久性和经济性提出了更高的要求，由疲劳破坏导致的金属构件失效约占现代构件失效的
50
％～
90
％，是最主要的金属破坏形式之一，危及机械构件的安全运行
。
低周疲劳破坏，广泛存在于石油
、
化工
、
航天等重要的工程领域，在这些领域，关键构件一旦发生疲劳失效，后果不堪设想
。
[0003]构件低周疲劳破坏与其承载历史密切相关，如变幅荷载
、
多轴非比例载荷以及叠加平均应变载荷等，变幅低周疲劳载荷，一般由多段不同幅值载荷构成
。
诸多实验研究表明，不同幅值载荷路径之间的交互作用，使得变幅低周疲劳破坏呈现载荷顺序效应，对构件的疲劳寿命产生影响
。
变幅低周疲劳寿命预测理论，核心问题在于构建描述载荷顺序效应的损伤累积模型，从宏观角度看，损伤累积模型主要可分为两大类：线性损伤累积模型和非线性损伤累积模型
。
线性累积损伤模型基于材料损伤与循环比例的正比关系，通过线性叠加各段损伤，并规定当累积循环比达到1时，材料便宣告失效，例如
Palmgren
‑
Miner
准则和
Shamsaei
准则
。
[0004]损伤力学法是一个新兴的研究方法，近年来得到了快速的发展和广泛的认同，被认为具有巨大的发展前景
。
这种方法结合了唯象学和不可逆热力学理论，推导出损伤演化方程，为构建疲劳寿命预测模型提供了重要的理论支持
。
从不可逆热力学而言，损伤可视为一不可逆热力学过程，伴随能量耗散，且这一能量耗散不全是材料循环稳态应力应变迟滞洄线包围面积，损伤力学，基于不可逆热力学，并结合内变量理论，给出了与损伤构成一一映射的本征损伤耗散描述，为揭示疲劳破坏的热力学本质提供了理论基础
。
近年来损伤演化方程建立了变幅低周疲劳寿命预测模型，预测结果较好，但从本质上来说，他们建立的模型大多数以损伤内变量定义寿命耗竭条件，无法刻画低周疲劳破坏的热力学本质，制约了预测稳定性
。
因此，如何更稳定地预测变幅低周载荷下的疲劳寿命，已经成为一个亟待解决的问题
。
[0005]考虑到本征损伤耗散，与疲劳损伤构成一一映射，且刻画低周疲劳破坏的热力学本质
。
因此，以等同本征损伤耗散作为损伤转换条件，构建变幅低周疲劳损伤累积模型，具有明确的物理和力学意义
。

技术实现思路

：
[0006]本专利技术的目的就在于为了解决上述问题而提供两级变幅应变疲劳本征损伤耗散寿命预测方法，解决了
技术介绍
中提到的问题
。
[0007]为了解决上述问题，本专利技术提供了一种技术方案：
[0008]两级变幅应变疲劳本征损伤耗散寿命预测方法，包括以下步骤：
[0009]包括以下步骤：
[0010]S1、
构建本征损伤耗散表征模型；
[0011]S11、
当受损微元体满足第一热力学定律时，根据不可逆热力学理论中热力学第一定律构建式1：
[0012][0013]式1中，
σ
ij
是应力张量，是弹性应变张量，是弹性应变率张量，是塑性应变率张量，
ρ
是材料密度，是热通量对
i(i
＝
x
，
y
，
z)
取偏导数，是温度变化率，
D
是损伤内变量，是损伤内变量变化率，
g
是
Helmholtz
自由能，且自由能与无关，且由此推导式2：受损材料
Helmholtz
自由能：
[0014][0015]S12、
定义损伤驱动力
Y
为单位时间所释放的弹性应变能，推导式3：损伤驱动力
Y
：
[0016][0017][0018]S13、
当受损微元体满足第二热力学定律时，推导约束条件式4：
[0019][0020]S14、
根据本征损伤耗散率表述形式，制定式5：本征损伤耗散的增量形式：
dQ
＝
YdD
；
[0021]式中，
dD
为损伤内变量的增量，结合
Lemaitre
损伤耗散函数和广义损伤流动法则给出式6：
[0022]式中，
f
*
为
Lemaitre
损伤耗散函数，
p
是等效塑性应变，针对受单轴低周疲劳载荷，循环本构关系由
Ramberg
‑
Osgood
推导式7：
[0023][0024]式中，
K
是循环强度系数，
n'
是循环应变硬化指数，
ε
p
是单轴疲劳载荷下塑性应变；
[0025]S15、
结合式6和式7，推导出对称拉压应变疲劳载荷下的损伤演化模型
N
型，式8：
[0026][0027]式中，是对称拉压塑性应变幅，
A
是缩并材料参数，
[0028]S16、
当损伤内变量
D
达至1，宣告材料失效，基于此推导式9：关于
D
的显式形式：
[0029][0030]式中，
D
N
表示材料循环
N
次对应的损伤累积，
N
f
表示恒对称拉压塑性应变幅下材料疲劳寿命；
[0031]S17、
联合式
5、
式6及单轴低周疲劳载荷下循环本构关系
Ramberg
‑
Osgood
公式推导式
10
：
[0032][0033]式中，
B
是缩并材料参数，
[0034]S18、
联合式
8、
式
10
将本征损伤耗散演化方程的
N
型表述改写成
D
型表述为式
11
：
[0035][0036]由式
11
导出材料循环
N
次对应的累积本征损伤耗散式
12
：
[0037][0038]通过式9结合一阶近似给出累积本征损伤耗散与循环周次间的近似关系推导式
13
：
[0039][0040]S2、
构建变幅低周疲劳寿命预测模型；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
两级变幅应变疲劳本征损伤耗散寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、
构建本征损伤耗散表征模型；
S11、
当受损微元体满足第一热力学定律时，根据不可逆热力学理论中热力学第一定律构建式1：：式1中，
σ
ij
是应力张量，是弹性应变张量，是弹性应变率张量，是塑性应变率张量，
ρ
是材料密度，是热通量对
i(i
＝
x
，
y
，
z)
取偏导数，是温度变化率，
D
是损伤内变量，是损伤内变量变化率，
g
是
Helmholtz
自由能，且自由能与无关，且由此推导式2：受损材料
Helmholtz
自由能：
S12、
定义损伤驱动力
Y
为单位时间所释放的弹性应变能，推导式3：损伤驱动力
Y
：：
S13、
当受损微元体满足第二热力学定律时，推导约束条件式4：
S14、
根据本征损伤耗散率表述形式，制定式5：本征损伤耗散的增量形式：
dQ
＝
YdD
；式中，
dD
为损伤内变量的增量，结合
Lemaitre
损伤耗散函数和广义损伤流动法则给出式6：式中，
f
*
为
Lemaitre
损伤耗散函数，
p
是等效塑性应变，针对受单轴低周疲劳载荷，循环本构关系由
Ramberg
‑
Osgood
推导式7：式中，
K
是循环强度系数，
n'
是循环应变硬化指数，
ε
p
是单轴疲劳载荷下塑性应变；
S15、
结合式6和式7，推导出对称拉压应变疲劳载荷下的损伤演化模型
N
型，式8：
式中，是对称拉压塑性应变幅，
A
是缩并材料参数，
S16、
当损伤内变量
D
达至1，宣告结构失效，基于此推导式9：关于
D
的显式形式：式中，
D
N
表示材料循环
N
次对应的损伤累积，
N
f
表示恒对称拉压塑性应变幅下材料疲劳寿命；
S17、
联合式
5、
式6及单轴低周疲劳载荷下循环本构关系
Ramberg
‑
Osgood
公式推导式
10
：式中，
B
是缩并材料参数，
S18、
联合式
8、
式
10
将本征损伤耗散演化方程的
N
型表述改写成
D
型表述为式
11
：由式
11
导出材料循环
N
次对应的累积本征损伤耗散式
12
：通过式9结合一阶近似给出累积本征损伤耗散与循环周次间的近似关系推导式
13
：
S2、
构建变幅低周疲劳寿命预测模型；
S21、
根据式
13
将第一级载荷循环
N1次所...

【专利技术属性】
技术研发人员：李浩然，李文奇，向忠，王骏骋，吴亚莲，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：