疲劳S-N曲线预测模型进展综述

疲劳S-N曲线是机械零部件强度设计的基础,但受限于贫样本或者小样本,使得诸多回归和预测模型都建立在各种假设之上。随着机械设备复杂程度的提高,零部件疲劳寿命多种影响因素间的耦合性和竞争性在不断增加;另一方面随着材料性能的发展,疲劳S-N曲线的结构也在改变,这些都使得已有模型无法满足强度设计需求。数据驱动方法能够对不同工况下的寿命数据能够进行深度挖掘,使得疲劳寿命数据的研究焕发新机。首先,对已有的确定性疲劳S-N曲线模型和小量/成组样本下的不确定疲劳S-N曲线模型进行了回顾,并对样本量大小引起的不确定性表达进行描述。其次,对由于材料性能改进导致的疲劳S-N曲线结构变化以及相应的改进模型进行了阐述。再次,介绍了疲劳S-N曲线模型的影响因素如平均应力、尺寸效应、应力集中、工作环境和表面完整性等,进而对数据驱动方法在多影响因素下的S-N曲线回归和预测进行了阐述。最后,对疲劳S-N曲线模型的发展趋势进行了讨论和展望。     

缺口对车轴钢疲劳性能的影响

采用钼丝进行线切割,制作了车轴钢表面缺口试样,运用有限元方法,计算了不同缺口的理论应力集中系数,通过旋转弯曲试验得到光滑试样和缺口试样的疲劳寿命(S-N)曲线,研究了不同缺口应力集中系数下车轴钢的参数变化规律.结果表明,缺口对材料疲劳寿命的影响,不仅仅表现在其S-N曲线相对于光滑试样S-N曲线整体下降,而且不同缺口S-N曲线左段的直线部分斜率也是不同的.     

焊接节点构造细节的低周疲劳试验研究

为了研究Q235低碳素钢平板对接焊接试件以及十字型承载V型坡口焊接试件的低周疲劳行为,采用等幅应变控制法对24个试件在不同塑性应变幅下的超低周疲劳性能进行了测试,拟合得到了两类焊接构造细节试件的疲劳寿命S-N曲线,并将测试结果与国际焊接协会发布的疲劳设计规程中同类焊接构造细节的S-N曲线进行对比.结果表明:平板对接焊接试件与十字型承载V型坡口焊接试件的裂纹起源不相同;在超低周疲劳范围内,两类焊接材料的损伤破坏主要包括材料延性损伤和循环疲劳损伤,比国际焊接协会中相同疲劳构造细节的高周疲劳寿命S-N曲线预期的疲劳强度更低,表现出更低的疲劳寿命.     

生理盐水浸泡对Ti-6Al-4V钛合金超高周疲劳性能的影响

钛和钛合金可作为医用植入材料,有必要对其耐人体体液的侵蚀性能进行研究。用超声疲劳试验技术研究了室温下生理盐水中浸泡24 h后Ti-6A l-4V钛合金(TC4)的超高周疲劳性能,并与未经浸泡的同种材料的超声疲劳性能进行了对比分析。疲劳试验进行到109循环周次以上。结果显示,实验材料的S-N曲线均呈现缓慢下降趋势,材料不存在常规疲劳中的疲劳极限,经生理盐水浸泡24 h后对实验材料的超高周疲劳寿命无明显影响。用电子扫描电镜观测,实验材料表现为穿晶塑性断裂。     

2E12铝合金板材疲劳寿命的灰色预测

2E12铝合金是一种比较理想的飞机蒙皮材料,为了更好地预测2E12铝合金的疲劳寿命,文章以2E12试件为研究对象,进行疲劳试验,获得材料的S-N曲线,利用灰色系统理论建立GM(1,1)模型和等维灰度递补GM(1,1)模型,生成预测模拟值,将模拟值和试验数据进行残差检验,验证预测数据的准确性,从而得出模型预测S-N曲线。计算表明,GM(1,1)模型和等维灰度递补GM(1,1)模型的预测模拟值与初始数据基本一致,模型预测S-N曲线与材料S-N曲线吻合程度较高,因此,可通过以上模型实现对2E12铝合金板材的疲劳寿命预测。     

基于灰色系统理论的Al-Zn-Mg合金板材疲劳寿命预测

以Al-Zn-Mg合金板材的疲劳性能为指标,通过测试获得Al-Zn-Mg合金疲劳寿命的S-N曲线.将灰色系统理论模型运用到Al-Zn-Mg合金板材疲劳寿命的预测中,通过Al-Zn-Mg合金的S-N曲线来评估和比较灰色系统模型寿命预测的准确性.计算结果表明,灰色系统模型预测值与S-N曲线比较接近.在多步预测中,等维灰度均值GM(1,1)模型与原始均值GM(1,1)模型相比具有较高的预测精度,可以更好地预测Al-Zn-Mg合金板材材料的疲劳寿命.     

重载铁路8m低高度钢筋混凝土板梁疲劳性能试验研究

为深入了解重载列车对既有铁路8 m低高度钢筋混凝土板梁疲劳性能的影响,对5根缩尺模型梁进行静力和等幅疲劳荷载试验研究。研究结果表明,梁内钢筋发生疲劳脆断后试验梁仍有较高的剩余承载力,且试验梁纯弯段裂缝宽度、混凝土及钢筋残余应变随疲劳作用次数增加呈"快速变化-缓慢变化"的两阶段变化特征。将本次试验及文献中的试验数据与国内外已有变形钢筋疲劳S-N曲线进行对比分析,进而提出更具参考价值的钢筋疲劳S-N曲线。     

日历环境对飞机疲劳关键件性能影响研究

针对飞机老龄化带来的结构安全问题,开展2A12-T4铝合金标准试样模拟不同停放日历年的加速环境试验和疲劳实验,计算得到细节疲劳额定强度(DFR)的变化规律,建立基于动态S-N曲线法的疲劳关键件性能退化计算模型,并与退役飞机同种材料试样疲劳寿命对比.结果表明,采用动态S-N曲线法和DFR法建立的寿命预测模型与真实值吻合较好,飞机疲劳关键件的疲劳性能会随着停放日历时间的延长而降低.     

考虑S-N曲线不确定性的概率疲劳寿命预测

传统的基于S-N曲线的疲劳寿命预测方法均认为寿命预测模型中各参数可通过试验、仿真、拟合等进行确定,即在给定加载环境下,各参数为确定的常数,进而将各参数代入预测模型,得到确定的疲劳寿命值.该类方法认为模型中各参数为确定的常数,属于确定性寿命预测方法.确定性寿命预测方法适用于试验数据充足情况下的疲劳寿命预测和评估.然而,工程实际中,受研发周期的限制,以及可能存在资金短缺和技术上的困难,开展大量试验具有较大的难度.同时,由于试验所采用的试件各有不同,且试验操作、数据读取等依赖于试验设备的精确程度及试验人员的主观判断,这些因素进一步增大了疲劳寿命的不确定性.S-N曲线是材料或结构寿命预测的基础,主要通过大量的疲劳试验和拟合分析得到.受诸多不确定性因素的影响,常幅载荷下的疲劳寿命往往具有不同程度的分散性,从而使得S-N曲线存在不确定性.因此,为实现与实际情况相吻合的寿命预测,需考虑S-N曲线的不确定性.本文对影响焊接接头疲劳寿命的不确定性因素进行概述,将多项式混沌理论引入到疲劳寿命预测中,并结合非线性累积损伤模型,构建考虑S-N曲线不确定性的焊接接头累积损伤模型及概率疲劳寿命预测方法.     

基于链板理论S-N曲线的链条疲劳可靠性设计

链条传动在石油机械、农业机械等领域应用广泛。链条可靠性对于机械系统可靠性具有重要影响。链条的主要失效形式是链板疲劳断裂,链板零件强度寿命(S-N)曲线是链条疲劳可靠性设计的重要基础。合理可行的链板零件理论S-N曲线可以避免开展疲劳试验或者仅仅进行少量疲劳试验;且便于工程应用。提出了链板零件S-N曲线的理论处理方法。基于链板零件理论S-N曲线,给出了板式链条疲劳可靠性设计方法。通过实例分析结果与板式链条常规设计原则相对比,验证了链板零件S-N曲线理论处理方法和板式链条疲劳可靠性设计方法的可行性。     

不锈钢车体点焊接头强度试验研究

研究了车辆用EN1.4318＋2G和SUS301L不锈钢材料和典型部位的点焊接头的拉剪强度和剪切疲劳性能,得到了电焊接头的S-N和p-S-N曲线方程表达式.     

TB5钛合金板试件疲劳破坏过程的宏微观跨尺度数值模拟

为了研究TB5钛合金板试件从微观初始缺陷到宏观疲劳断裂全过程中的跨尺度数值模拟问题,以约束应力表征材料的疲劳损伤度,以约束应力区裂纹模型描述材料从微观到宏观的疲劳破坏过程,以应变能密度因子作为宏微观跨尺度疲劳裂纹扩张的控制参量,发展了一种宏微观跨尺度疲劳破坏过程的数值模拟方法。在该模型中,可通过疲劳源处材料初始缺陷大小和3个尺度效应函数来表征材料微观因素对疲劳破坏过程的影响。对TB5钛合金光滑板试件(应力集中系数Kt=1)和含切口板试件(Kt=3)进行了数值模拟计算,结果表明,计算S-N曲线与试验S-N曲线能够精准吻合。通过考虑微观效应,其疲劳寿命试验数据的离散性也可由模型计算结果得以体现。     

湿热地区水性环氧树脂对桥面板混凝土疲劳性能的改善

为解决湿热地区桥面板混凝土抗弯拉强度和抗疲劳性能不足的问题,对浆体进行水化热测试,分析水性环氧树脂掺量对水泥水化过程的影响规律;在室内模拟湿热地区桥面板混凝土工作环境,设计抗弯拉强度试验和疲劳试验,研究水性环氧树脂掺量对桥面板混凝土抗弯拉强度和疲劳性能的影响,并对其疲劳寿命采用S-N曲线进行拟合,研究应力水平S与疲劳寿...     

铝合金车轮弯曲疲劳寿命的仿真分析与试验研究

该文运用有限元分析软件ABAQUS,对某铝合金车轮旋转弯曲疲劳寿命进行了仿真分析,得出易于产生疲劳裂纹的应力集中点及其最大应力值。其次,采用疲劳寿命名义应力法建立了铝合金车轮的S-N曲线,计算应力集中点的应力幅与平均应力,将等效应力幅取对数代入S-N曲线,预测所分析铝合金车轮的疲劳寿命。最后,进行了改进前后铝合金车轮的旋转弯曲疲劳台架试验,验证了仿真结果。分析表明,名义应力法可以较好预测铝合金车轮的疲劳寿命。     

腐蚀环境对直升机材料的力学性能影响分析

本文通过试验,完成了腐蚀条件下,铝合金LY12CZ疲劳性能规律;建立了该材料的动态S-N曲线,为建立直升机动部件寿命监控的算法体系奠定了基础。     

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。     

低合金超高强度钢跨尺度疲劳失效行为分析

为了研究40CrNi2Si2MoVA低合金超高强度钢的跨尺度疲劳失效行为,以约束应力区描述材料的损伤过程,以跨尺度应变能密度因子作为疲劳裂纹扩展的控制参量,建立宏微观跨尺度疲劳裂纹扩展统一模型。采用上述模型,利用光滑试样(应力集中系数Kt=1)的试验S-N曲线,拟合出疲劳模型中的材料参数。当考虑材料微结构对疲劳寿命的影响时,该模型可精确再现出疲劳试验数据的发散特性。利用该模型对不同应力集中系数下(Kt=2,3)含缺口试样的疲劳寿命进行了预测,理论计算结果与试验结果吻合良好。研究结果表明,合金钢材料的初始缺陷及微结构的演化特性,对疲劳寿命有显著影响,是疲劳试验数据发散的主要原因。     

温度升高对碳纤维薄板增强RC梁疲劳性能的影响

为了研究碳纤维薄板增强钢筋混凝土梁在不同温度载和疲劳试验．下的疲劳性能,分别在20℃和80℃的温度条件下对26根增强梁进行了三点弯曲静结果表明：当疲劳载荷水平为25．0kN,27．5kN和30．0kN时,试件的S-N曲线、疲劳极限、破坏模式、挠度曲线和应变反映受环境温度的影响较小．     

钢桥面板顶板与竖向加劲肋连接角焊缝疲劳试验

为研究钢桥面板顶板与竖向加劲肋连接角焊缝的疲劳性能,采用机械型振动疲劳试验机对制作的9个试件进行等幅疲劳加载,并通过名义应力和热点应力2种方法对试件焊缝疲劳性能进行评价。试验结果表明：疲劳荷载作用下,试件疲劳裂纹开展路径均从焊趾处萌生、沿焊趾开展、最终垂直于焊趾沿板横向往两侧对称扩展。采用名义应力法时,试验结果均位于JSSC-G疲劳强度为50 MPa的S-N曲线上方;采用热点应力法时,试验结果均位于Eurocode 3规范疲劳强度为100 MPa的S-N曲线上方。建议本试验构件疲劳细节的角焊缝疲劳强度取名义应力50 MPa、热点应力100 MPa。     

基于Workbench的双啮合分度机构的疲劳分析

首先在考虑摩擦力的情况下对双啮合分度机构进行分析,利用Matlab计算凸轮与针齿之间的啮合力;然后利用Solid Works建立该机构的三维模型,将凸轮导入ANSYS-Workbench中进行静力学分析,将仿真结果与理论结果进行对比分析;最后通过获取材料的S-N曲线和循环载荷谱,利用Fatigue疲劳工具箱对凸轮进行疲劳分析,计算部件的寿命、安全系数以及疲劳敏感性曲线,并提出了相应的改进方案.