CN110987676A - 随机多轴载荷下考虑裂纹闭合效应的全寿命预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了随机多轴载荷下考虑裂纹闭合效应的全寿命预测方法，涉及到随机多轴疲劳裂纹扩展及寿命预测领域，该方法步骤为：(1)对随机载荷进行Wang‑Brown循环计数，得到多个循环，选取剪应力范围最大时的面为临界面，在临界面上计算使裂纹扩展的驱动力；(2)利用提出的有效应力强度因子公式计算等效应力强度因子；(3)利用改进后的Paris公式计算每个循环的裂纹扩展量，求得达到临界裂纹长度时的寿命，即为全寿命；(4)寿命预测值与试验所得寿命进行比较。结果表明该方法可以较好的预测随机多轴载荷下裂纹扩展寿命。

Description

随机多轴载荷下考虑裂纹闭合效应的全寿命预测方法
技术领域
本发明可以用要到随机多轴载荷下的疲劳寿命预测领域，特指一种考虑裂纹闭合效应的随机多轴加载下疲劳寿命预测方法。
背景技术
构件在使用过程中的破坏，尤其是一些在低应力反复作用下的失效，是现在研究的一个重要领域，这就涉及到疲劳问题，对于零件寿命的预测至关重要。所以，对于疲劳领域的研究具有重要的意义和价值。
初期的研究一般只考虑简单的单轴加载，而工程实际中的机械结构件往往承受复杂的载荷作用，在处理复杂载荷作用时，建立更加准确的全寿命预测模型具有重要的理论意义。
随机多轴载荷下，考虑裂纹扩展机制与闭合效应，提出统一的寿命预测方法并应用到工程实际中去，是非常有价值的。
发明内容
本发明目的在于在符合实际的随机多轴载荷况下，提出考虑裂纹闭合效应的全寿命预测方法，提高疲劳寿命预测的精确性。现有研究以单轴或多轴恒幅加载为主，不符合工程实际，且没有考虑在随机多轴载荷下，结合裂纹闭合效应后，如何统一长、短裂纹扩展的问题。本发明考虑了在随机多轴载荷下，裂纹闭合效应对裂纹扩展的影响，并将长、短裂纹很好地统一起来，提出了更加精确的全寿命预测方法。
本发明所提供的随机多轴载荷下基于裂纹闭合效应的全寿命预测模型，其步骤为：
步骤1)：试验件选择为薄壁管件，认为在随机多轴载荷下，薄壁管件的裂纹萌生与扩展主要发生在剪应力幅最大、正应力范围较大时所在的平面；选取此平面作为临界面，用临界面上的损伤参量来表征裂纹扩展的有效驱动力，由于是随机载荷，采用W-B循环计数方法确定多个半循环，再确定每个半循环所在的临界面；
步骤2)：考虑到裂纹闭合效应对裂纹扩展驱动力的影响，运用合理的计数方法，确定好临界面后，采用有效应力强度因子公式进行计算，有效应力强度因子ΔKeff公式为：
Figure BDA0002331663770000021
其中，Y为形状因子，Ue为闭合系数，a为半裂纹长度，△σeq为等效应力；
步骤3)：运用单轴加载下的试验数据进行基线的拟合，得到两个重要的常数C、m，以此基础进行计算，改进后的Paris裂纹扩展曲线公式如下：
Figure BDA0002331663770000022
其中，
Figure BDA0002331663770000023
为裂纹扩展速率，C,m为单轴加载下拟合的常数；
步骤4)：计算疲劳寿命：
(1)a0的选择：因为微观结构对裂纹扩展有着重要的影响，这里选择微观结构特征尺度为初始裂纹长度，该初始裂纹长度的尺寸与材料晶粒尺寸相关；
(2)裂纹扩展长度的计算：根据步骤3)中的公式，变形得，每个循环裂纹扩展长度Δai的公式，如下：
Figure BDA0002331663770000031
其中，ΔKeff为有效应力强度因子，C、m为步骤3)中模拟出的常数，i为循环的序号数；
然后根据步骤1)中W-B循环计数得到的循环数，进行裂纹扩展长度的累加，得到裂纹扩展总长度：
Δa＝Δa1+Δa2+…+Δai
(3)寿命预测：根据上一步的累加计算得到的裂纹扩展总长度，得到裂纹最终长度，达到临界裂纹长度时的寿命即为预测寿命，再与试验所得寿命进行对比，验证本方法的准确性。
本发明的优点在于：提出了随机多轴载荷下考虑裂纹闭合效应的全寿命预测方法。在进行随机多轴载荷的循环计数后，选择发生裂纹扩展的临界面进行有效驱动力的计算，在此过程中，充分考虑了裂纹扩展机制与裂纹闭合效应，更加具有物理意义，也十分具有工程实际意义。
附图说明
图1薄壁管件在随机多轴载荷下试件受力状态与裂纹萌生位置的示意图。
图2本发明方法提供的随机多轴载荷下考虑裂纹闭合效应的全寿命预测方法的流程图。
具体实施方式
结合附图说明本发明。
本发明通过疲劳试验对本发明作了进一步说明，试验分为两部分，一部分是单轴恒幅加载下的裂纹扩展试验，应力比为-1，复膜法测得裂纹长度值，运用Paris公式拟合常数C、m值。另一部分是随机多轴加载试验，后得到数据，进行W-B计数，确定临界面，计算有效应力强度因子作为驱动力。
随机多轴载荷下考虑裂纹闭合效应的全寿命预测方法，具体计算方法如下：
步骤1)：如图1，试验件选择为薄壁管件，认为在随机多轴载荷下，裂纹萌生与扩展主要发生在剪应力幅最大、正应力范围较大时所在的平面；选取此平面作为临界面，用临界面上的损伤参量来表征裂纹扩展的有效驱动力，由于是随机载荷，采用W-B循环计数方法确定多个半循环，再确定每个半循环所在的临界面；
步骤2)：考虑到裂纹闭合效应对裂纹扩展驱动力的影响，运用合理的计数方法，确定好临界面后，采用有效应力强度因子公式进行计算，有效应力强度因子ΔKeff公式为：
Figure BDA0002331663770000041
其中，Y为形状因子，Ue为闭合系数，a为半裂纹长度，△σeq为等效应力；
步骤3)：运用单轴加载下的试验数据进行基线的拟合，得到两个重要的常数C、m，以此基础进行计算，改进后的Paris裂纹扩展曲线公式如下：
Figure BDA0002331663770000042
其中，
Figure BDA0002331663770000043
为裂纹扩展速率，C,m为单轴加载下拟合的常数；
步骤4)：计算疲劳寿命：
(1)a0的选择：因为微观结构对裂纹扩展有着重要的影响，这里选择微观结构特征尺度为初始裂纹长度，该尺寸与材料晶粒尺寸相关；
(2)裂纹扩展长度的计算：根据步骤3)中的公式，变形得，每个循环裂纹扩展长度Δai的公式，如下：
Figure BDA0002331663770000051
其中，ΔKeff为有效应力强度因子，C、m为步骤3)中模拟出的常数；后根据步骤1)中W-B循环计数得到的循环数，进行裂纹扩展长度的累加，得到裂纹扩展总长度：
Δa＝Δa1+Δa2+…+Δai
(3)寿命预测：根据上一步的累加计算，得到裂纹最终长度，达到临界裂纹长度时的寿命即为预测寿命，再与试验所得寿命进行对比，验证方法的准确性。
结果表明，通过本发明提出的随机多轴载荷下考虑裂纹闭合效应的全寿命预测方法计算值与试验值相比，结果在三倍误差因子之内，符合较好。该方法考虑了裂纹闭合效应，选择了更加符合工程实际的随机多轴情况，具有重要意义。

Claims (5)

1.随机多轴载荷下考虑裂纹闭合效应的全寿命预测方法，其特征在于：步骤如下，
步骤1)：试验件选择为薄壁管件，认为在随机多轴载荷下，裂纹萌生与扩展主要发生在剪应力幅最大、正应力范围较大时所在的平面；选取此平面作为临界面，用临界面上的损伤参量来表征裂纹扩展的有效驱动力，由于是随机载荷，采用W-B循环计数方法确定多个半循环，再确定每个半循环所在的临界面；
步骤2)：考虑到裂纹闭合效应对裂纹扩展驱动力的影响，运用合理的计数方法，确定好临界面后，采用有效应力强度因子公式进行计算，有效应力强度因子ΔKeff公式为：
Figure FDA0002331663760000011
其中，Y为形状因子，Ue为闭合系数，a为半裂纹长度，△σeq为等效应力；
步骤3)：运用单轴加载下的试验数据进行基线的拟合，得到两个重要的常数C、m，以此为基础进行计算，改进后的Paris裂纹扩展曲线公式如下：
Figure FDA0002331663760000012
其中，
Figure FDA0002331663760000013
为裂纹扩展速率，C,m为单轴加载下拟合的常数；
步骤4)：计算疲劳寿命。
2.根据权利要求1所述的随机多轴载荷下考虑裂纹闭合效应的全寿命预测方法,其特征在于：所述步骤2)中选取的裂纹扩展驱动力重点考虑裂纹闭合效应的影响，并且认为扩展是在所选择的基于应力的临界面上进行的。
3.根据权利要求1所述的随机多轴载荷下考虑裂纹闭合效应的全寿命预测方法，其特征在于：所述步骤4)中选择材料微观结构特征尺度作为初始裂纹尺寸，符合裂纹萌生与扩展机理。
4.根据权利要求1所述的随机多轴载荷下考虑裂纹闭合效应的全寿命预测方法，其特征在于：所述步骤4)中考虑裂纹长度对有效应力强度因子的影响，经不同循环加载后，每个裂纹扩展量的总和为裂纹扩展总量。
5.根据权利要求1所述的随机多轴载荷下考虑裂纹闭合效应的全寿命预测方法，其特征在于：步骤4的实施过程如下，
(1)a0的选择：因为微观结构对裂纹扩展有着重要的影响，这里选择观结构特征尺度为初始裂纹长度，该尺寸与材料晶粒尺寸相关；
(2)裂纹扩展长度的计算：根据步骤3)中的公式，变形可得，每个循环裂纹扩展长度Δai的公式，如下：
Figure FDA0002331663760000021
其中，ΔKeff为有效应力强度因子，C、m为步骤3)中模拟出的常数；后根据步骤1)中W-B循环计数得到的循环数，进行裂纹扩展长度的累加，得到裂纹扩展总长度：
Δa＝Δa1+Δa2+…+Δai
(3)寿命预测：根据上一步的累加计算，得到裂纹最终长度，达到临界裂纹长度时的寿命即为预测寿命，再与试验所得寿命进行对比。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111579397A (zh) * 2020-05-06 2020-08-25 北京化工大学 一种激光增材制造合金钢构件的疲劳寿命预测方法
CN113109190A (zh) * 2021-03-26 2021-07-13 北京工业大学 一种多轴热机械载荷下基于短裂纹的寿命预测方法
CN113176142A (zh) * 2021-03-11 2021-07-27 合肥通用机械研究院有限公司 超高压容器筒体外壁轴-径向裂纹应力强度因子计算方法
CN113758815A (zh) * 2021-06-18 2021-12-07 北京工业大学 一种搅拌摩擦焊构件变幅疲劳寿命预测方法
CN114216803A (zh) * 2021-09-30 2022-03-22 中国航发北京航空材料研究院 一种金属材料的高周疲劳全寿命预测方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120152007A1 (en) * 2007-01-12 2012-06-21 Richard Holmes Testing performance of a material for use in a jet engine
CN106644490A (zh) * 2016-12-31 2017-05-10 北京航空航天大学 一种涡轮榫接结构高低周复合疲劳裂纹扩展寿命预测方法
CN108897900A (zh) * 2018-03-24 2018-11-27 北京工业大学 一种多轴变幅加载下疲劳短裂纹扩展寿命预测方法
CN109918789A (zh) * 2019-03-08 2019-06-21 北京工业大学 一种多轴变幅加载下基于短裂纹扩展的全寿命预测方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120152007A1 (en) * 2007-01-12 2012-06-21 Richard Holmes Testing performance of a material for use in a jet engine
CN106644490A (zh) * 2016-12-31 2017-05-10 北京航空航天大学 一种涡轮榫接结构高低周复合疲劳裂纹扩展寿命预测方法
CN108897900A (zh) * 2018-03-24 2018-11-27 北京工业大学 一种多轴变幅加载下疲劳短裂纹扩展寿命预测方法
CN109918789A (zh) * 2019-03-08 2019-06-21 北京工业大学 一种多轴变幅加载下基于短裂纹扩展的全寿命预测方法

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HU LIU ET AL.: "Fatigue life prediction based on crack closure for 6156 Al-alloy laser welded joints under variable amplitude loading", 《INTERNATIONAL JOURNAL OF FATIGUE》 *
S.C.WU ET AL.: "A physically short fatigue crack growth approach based on low cycle fatigue properties", 《INTERNATIONAL JOURNAL OF FATIGUE》 *
包名等: "一种新的随机多轴疲劳寿命预测方法", 《机械强度》 *
吴学仁等: "基于小裂纹理论的航空材料疲劳全寿命预测", 《航空学报》 *
张峰: "疲劳裂纹的闭合效应", 《安徽冶金》 *
汪玲玲等: "多轴变幅应力状态下连杆微动疲劳全寿命研究", 《中国机械工程》 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111579397A (zh) * 2020-05-06 2020-08-25 北京化工大学 一种激光增材制造合金钢构件的疲劳寿命预测方法
CN113176142A (zh) * 2021-03-11 2021-07-27 合肥通用机械研究院有限公司 超高压容器筒体外壁轴-径向裂纹应力强度因子计算方法
CN113109190A (zh) * 2021-03-26 2021-07-13 北京工业大学 一种多轴热机械载荷下基于短裂纹的寿命预测方法
CN113758815A (zh) * 2021-06-18 2021-12-07 北京工业大学 一种搅拌摩擦焊构件变幅疲劳寿命预测方法
CN113758815B (zh) * 2021-06-18 2023-12-29 北京工业大学 一种搅拌摩擦焊构件变幅疲劳寿命预测方法
CN114216803A (zh) * 2021-09-30 2022-03-22 中国航发北京航空材料研究院 一种金属材料的高周疲劳全寿命预测方法

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