考虑全平面损伤参量的多轴低周疲劳预测方法研究

实际工程结构往往处于复杂的多向受力状态,在循环荷载下其薄弱点发生的疲劳断裂多属于多轴疲劳失效模式.目前疲劳寿命预测方法多集中于单轴疲劳理论,忽略了多轴疲劳问题的现实性和复杂性.首先介绍了多轴疲劳的概念和特点,回顾了多轴低周疲劳寿命预测方法,针对基于临界面准则的疲劳预测方法进行了总结归纳,对比了各模型的适用范围和优缺点.研究了多轴非比例路径下剪应变幅的变化情况,考虑了其旋转造成的全平面疲劳损伤,提出了一种新的非比例路径因子反映剪应变幅数值和方向的变化对疲劳寿命的影响,并将该系数引入FatemiSocie模型(FS模型)进行修正.通过理论值与试验值对比,发现改进后的FS模型预测精度有所提高.     

基于临界面损伤参量的金属材料多轴疲劳寿命预测

对最大剪切应变幅模型、KBM模型、FS模型和MKBM模型4种广泛讨论的临界面模型进行了对比分析,统计了8种金属材料圆管薄壁型试件在173个应变加载工况下的多轴疲劳试验数据,验证了这4种临界面模型对金属材料多轴疲劳寿命的预测能力,讨论了基于临界面损伤参量进行多轴疲劳损伤评估和寿命预测时仍需关注的几个主要问题.研究结果表明:最大剪切应变幅模型和KBM模型能较好地适用于多轴比例加载条件下的疲劳寿命预测,而对多轴非比例疲劳寿命的预测结果一般偏于危险估计;FS模型和MKBM模型在损伤控制参量中引入了一个临界面上的最大法向正应力参数来反映材料的非比例附加强化效应对多轴疲劳损伤的影响,显著提高了对多轴非比例疲劳寿命的预测能力.     

考虑应力梯度及附加强化的多轴疲劳寿命预测

以多轴缺口件为研究对象,考虑应力梯度和非比例附加强化对疲劳寿命的影响,建立一种适用于多轴缺口件的疲劳寿命预估模型.首先,以最大剪切应变幅作为损伤参量,借助坐标变换原理确定临界面位置,研究了裂纹萌生和扩展的物理机制;其次,利用有限元方法获得临界面上非均匀应力场,提取特定路径上的应力分布并进行归一化处理,给出多轴加载时的等效应力梯度因子;最后,考虑相位差的影响提出一种新的非比例附加强化因子,基于Manson-Coffin方程提出了一种多轴疲劳寿命预测方法.将本文模型、Smith-Watson-Toper(SWT)模型和Manson-Coffin方程的计算结果与实验寿命进行对比,结果表明本文方法的预测精度高于SWT模型和MansonCoffin方程.     

一种新的多轴疲劳寿命预测模型

基于SAE 1045中碳钢和40CrNiMo合金钢的疲劳试验结果,分别建立了单轴和多轴疲劳应变-寿命模型,寻求了两种模型的关系,发现:就所研究的两种材料而言,如果假设单轴疲劳应变-寿命模型(Manson-Coffin方程)中的疲劳强度指数和疲劳延性指数不变,而对疲劳强度系数乘以1.093 7、疲劳延性系数乘以0.751 2,以von Mises等效应变幅取代单轴拉压应变幅,则修正后的单轴模型等价于多轴模型。修正后的多轴疲劳寿命预测模型中,弹性线上移,塑性线下移的事实表明:对于同样大小的应变幅,单轴疲劳中的弹性应变分量大于多轴疲劳中的弹性应变分量,而单轴疲劳中的塑性应变分量小于多轴疲劳中的塑性应变分量。利用修正后的模型可以预测多轴疲劳寿命。     

石油套管钻井中套管柱疲劳寿命实验研究

根据相似原理,在对比例试件进行多轴疲劳实验的基础上,采用Von Mises等效应力准则进行等效转换和修正,获得了石油套管管体疲劳寿命的预测模型;按照API SPEC STD 5B标准,将J55钢圆棒材料加工为偏梯形螺纹的牙型缺口试件,通过多轴疲劳实验和回归分析,获得了基于应力和应变的两参数和三参数模型以及类Manson-Coffin模型,可用来预测套管钻井螺纹接头的疲劳寿命;同时,还获得了预测误差在20%以内的石油套管钻井中套管柱疲劳寿命的预测方法。     

一种多轴疲劳寿命预测的统一模型

基于SAE 1045中碳钢的单-多轴疲劳试验结果,在研究了扭转名义应力幅与拉伸名义应力幅不同比值时的多轴疲劳寿命预测模型之后,建立了统一的多轴疲劳寿命预测模型。发现：不同的扭转名义应力幅与拉伸名义应力幅之比导致不同的寿命预测模型,为寻求单轴模型与多铀统一模型的关系,假设单轴疲劳寿命预测模型中的疲劳强度指数和疲劳延性指数不变,而对疲劳强度系数乘以1．5435、疲劳延性系数乘以0．6713,以第一主应变幅取代单轴拉压应变幅,则修正后的单轴模型等价于多轴统一模型,利用修正后的单轴模型可以预测任意扭转名义应力幅与拉伸名义应力幅之比时的多轴疲劳寿命。     

Q235结构钢的低周疲劳累积损伤研究

采用Q235结构钢在进行单轴及多轴两级变应变幅和变路径疲劳试验研究,在此基础上探讨金属在变幅和变路径循环中疲劳损伤累积的过程和描述方法,并对MINER线性和MANSON非线性疲劳累积损伤模型进行了检验。试验分析结果表明:MINER线性和MANSON非线性累积损伤模型对变幅和变路径循环试验的寿命预测结果基本都在2倍因子范围区内;由于金属的疲劳寿命分散性较大,仅从测试结果来看,难以判断两个模型中哪一个在预测疲劳寿命上更合理。     

后悬架多轴疲劳寿命预测

以鹅卵石强化路面的道路载荷为边界条件,考虑材料弹塑性变形,对汽车后悬架进行瞬态动力学有限元分析,利用传统的应变寿命法计算得到后悬架单轴疲劳寿命,对应力-应变时间历程的二轴性分析表明:汽车后悬架局部危险区域承受多轴非比例载荷.基于多轴疲劳理论,考虑了材料的非比例强化的影响,分析了裂纹形式,选用基于临界面法的Bannantine模型和Wang-Brown模型预测了后悬架的多轴疲劳寿命,并与单轴疲劳寿命分析结果进行了比较,研究发现,在非比例循环载荷下,疲劳寿命将大大减少,按常规的单轴疲劳寿命估算方法,将给出偏于危险的预测.     

多轴非比例载荷下镁合金AZ21的疲劳性能研究

镁合金作为结构件承受多轴复杂载荷,其失效形式多为多轴疲劳失效.本文在空气环境中对镁合金AZ21分别进行了单轴、纯扭以及多轴循环力学性能研究,揭示了不同加载路径下材料的变形主导机制.疲劳试验结果表明,在相同等效应力幅下,非比例加载路径下镁合金AZ21的寿命较单轴、纯扭路径显著降低.采用Basquin公式预测镁合金AZ21在复杂载荷下的疲劳寿命.通过将路径非比例度的概念引入到Basquin公式中,可合理预测相同加载幅值下圆形路径和菱形路径作用时镁合金AZ21的疲劳寿命.     

一种双悬臂梁柔性销轴的微动疲劳研究

大型齿轮增速箱的行星齿轮轴常采用过盈配合的双悬臂梁柔性销轴结构,而该处的过盈配合结构易产生微动疲劳.通过理论计算获得有效过盈量的最值,再利用有限元软件Abaqus模拟柔性销轴的弯曲受载过程,分析弯曲载荷、过盈量和渗碳层深度3个因素对接触应力、摩擦剪切应力以及滑移幅值的影响情况,探究各因素对微动疲劳损伤的影响程度,并使用SWT(Smith-Watson-Topper)临界平面法对销轴结构的疲劳寿命S-N曲线进行预测.对多组试件进行弯曲载荷疲劳加载试验,获得柔性销轴试验S-N曲线,并分析了试验后的构件表面微动疲劳损伤形貌.研究结果表明:弯曲载荷对疲劳寿命的影响大于过盈量的影响,也大于渗碳层深度的影响.采用SWT法预测的疲劳寿命与由试验获得的疲劳寿命吻合得较好.因此,在工程设计中可采用数值仿真分析对柔性销轴的疲劳寿命进行辅助校核.     

硬质金属材料多轴高周疲劳寿命快速预测方法

在对30CrMnSiA钢多轴疲劳寿命研究的基础上，基于单轴拉压和纯扭S-N曲线，提出了等效S-N曲线的概念。基于等效S-N曲线，建立了预测硬质金属材料多轴疲劳寿命的经验公式。采用该公式对文献中的多种硬质金属材料进行了寿命预测，预测结果显示94.0%以上的数据点均处于±3倍疲劳寿命分散带之内，81.8%以上的数据点处于±2倍疲劳寿命分散带之内。     

多轴疲劳寿命预测及验证

以薄壁管试件为研究对象,分析了拉扭联合加载作用下的多轴疲劳应变变化特性·根据多轴疲劳临界平面法原理,以临界平面上最大剪应变幅、正应变幅以及表征材料总体损伤水平的非比例度为参数建立多轴疲劳损伤参量,结合MansonCoffin方程建立了多轴疲劳寿命预测模型·该模型考虑了材料总体损伤程度·模型中表征材料总体损伤的非比例度是加载参数的函数,与多轴疲劳应变变化特性密切相关·试验验证,预测寿命误差因子小于15·     

1 mm厚304L不锈钢冷轧板的低周疲劳性能分析

为了研究304L奥氏体不锈钢的低周疲劳特性,选用1 mm厚304L不锈钢冷轧板为研究对象,采用单向静态拉伸试验法和变应力低周疲劳试验法对其光滑试件进行试验,并利用Basquin公式和Manson-Coffin修正公式预测其疲劳寿命。静拉伸结果表明:304L不锈钢具有良好的塑性,光滑试件的屈服强度和抗拉强度分别是材料本身的2. 25倍和1. 90倍;低周疲劳试验结果表明:随着加载应力水平的增加,疲劳寿命持续衰减,持续加载过程中试件产生了循环硬化现象。两种方法的预测结果基本处在2倍分散带内,但Basquin公式比Manson-Coffin修正公式更适合预测该材料的低周疲劳寿命。     

载荷状况对机床三支承主轴疲劳寿命的影响

载荷状况和支承形式对轴的疲劳寿命具有重要影响.以机床三支承轴为研究对象,建立三支承主轴组件的有限元模型,应用基于临界面法的FS和SWT多轴疲劳寿命预测模型,通过计算应力应变估算疲劳寿命.结果表明:三支承轴在低速重载下的疲劳寿命随着载荷的增加而降低,破坏位置位于齿轮和轴配合处,在计算转速附近,破坏位置改变到前支承处,在计算转速之后轴的疲劳寿命又随着载荷的增加而降低,降低速度也随之变缓.三支承轴的疲劳寿命随着轴承位移的增大随之降低,在中间支承处的轴承位移影响最大,其次是后支承处,最小是前支承处.     

Ti-6Al-4V钛合金非比例多轴低周疲劳寿命预测

在MTS拉扭复合疲劳试验机上,采用扭转应变控制、非比例循环加载方式,依次按比例、圆形、矩形、正方形、椭圆形和菱形加载路径,对Ti-6Al-4V合金进行多轴拉扭低周疲劳寿命实验,将结果与等效应变法模型、能量法模型和临界面法模型的计算结果进行对比分析.结果表明,基于临界平面法模型的预测,对于Ti-6Al-4V合金多轴低周疲劳寿命估算具有较高的准确性.     

基于修正Lv模型的低周疲劳寿命预估方法

当材料力学特性不同时,疲劳损伤程度受平均应力的影响不同,于是对Lv模型进行改进.首先,利用材料力学特性系数修正Walker指数,将修正后的指数引入Lv模型.同时,考虑正应变对疲劳寿命造成的影响,修正最大应力.其次,基于M-H模型对材料塑性部分的改进,修正Lv模型塑性变形部分.此外,因为2倍Walker指数对材料特性不敏感,所以引入敏感系数来提高材料受平均应力影响时的反应程度.最后,基于4种航空材料TA11、GH909、FGH96及GH4133合金的低周疲劳试验数据,对SWT模型、M-H模型、Lv模型及改进Lv模型的预估结果进行对比分析.结果表明,相比于其他3种模型,改进Lv模型预测结果具有较好的分散性,在预估精度和适用性等方面均具有较大优势.     

多轴载荷下GH4169合金疲劳寿命预测

基于多轴疲劳临界损伤面原理,在对GH4169合金薄壁圆管和缺口试件的高温疲劳特性及有限元应力-应变关系进行分析的基础上,通过引入三轴因子FT,应用von-Mises准则提出了一个能够适用于GH4169合金不同应力状态的多轴疲劳损伤参量.新的损伤参量考虑了临界面上最大剪应变和法向应变对多轴疲劳损伤的不同以及应力状态对多轴疲劳寿命的影响.该多轴疲劳损伤参量不含有经验常数,便于工程应用.利用新的多轴疲劳损伤参量,结合Manson-Coffin方程,建立了新的多轴疲劳寿命预测模型.预测结果表明,该模型较准确地预测了GH4169合金薄壁圆管和缺口试件的高温多轴疲劳寿命.     

服役海底管道钢疲劳可靠性试验与海底管道寿命预测

针对波浪力下海底管道悬空段的疲劳寿命问题,从某服役X60钢海底管道悬空段上取样进行拉-拉成组多级疲劳试验,获得服役X60钢海底管道试件在不同应力水平下的疲劳寿命及其概率统计分布,利用参数假设检验法确定X60钢管道试件的疲劳寿命分布特征,由此外推出不同存活率下的疲劳对数寿命与等效循环应力之间的线性关系式.通过引入"疲劳极限复合修正系数"和"等价非对称循环度系数"对X60钢试件的P-S-N曲线进行修正,得出X60钢海底管道悬空段的疲劳寿命预测公式.结合试验结果分析表明:X60钢海底管道试件的疲劳寿命服从对数正态分布;疲劳对数寿命与等效循环应力之间近似为线性关系;海底管道疲劳寿命预测公式计算结果与试验数据吻合良好.     

新的非比例加载低周疲劳寿命估算方法

利用对 316L不锈钢多轴非比例加载低周疲劳的试验结果 ,对现有的多轴低周疲劳寿命估算方法进行了讨论 ,基于 316L不锈钢非比例加载低周疲劳的微观机理 ,选择最大剪应变以及应变路径的非比例度作为损伤参量 ,建立了基于临界面方法的新的非比例加载低周疲劳寿命估算公式 ,利用新的非比例加载低周疲劳寿命估算公式对寿命的预测结果表明 :新的寿命估算公式对剪切型破坏的 316L与 316LN不锈钢及拉伸型破坏的 30 4不锈钢非比例加载低周疲劳寿命预言能力比现有的临界面方法精确 .     

一种修正的基于临界平面多轴循环计数法

进行多轴随机载荷下的结构疲劳寿命分析时,需选择合适的循环计数方法提取损伤事件.结合疲劳寿命预测方法中的临界平面法,对Langlais多轴循环计数法进行了讨论,并在此基础上完成了对Langlais多轴循环计数法的修正.修正后的多轴循环计数法可以精确地考虑到1个主通道循环内辅助通道的全部载荷信息;同时发展了修正Langlais法新的实现方法,可以用于封闭曲面法计算有效载荷;对三点雨流计数法的循环计数起始点选择进行了改进,提高了循环计数效率.