估计三种常用疲劳应力-寿命模型P-S-N曲线的统一经典极大似然法

拓展经典极大似然法到Langer模型，提出了估计三参数、Langer和Basquin三种常用疲劳应力-寿命模型P-S-N曲线及其置信限的统一方法。方法用于处理极大似然法疲劳试验得到的S-N数据。该试验在特别关注的参考载荷试验一组试样，其余试样在不同载荷下试验。以参考载荷试验数据的统计参量为基础，按照每个模型中材料常数协同处于相同概率水平原则，将曲线表示为对数疲劳寿命均值和均方差线的广义形式，至多4个材料常数。曲线中的材料常数按极大似然原理采用数学规划法求出。45＃碳钢缺口试样(kt＝20）对称循环加载试验数据的分析说明了方法的有效性。分析还揭示合理模型有必要通过比较拟合效果、预计误差和应用安全性来确定。三参数模型的拟合效果最好，Langer模型稍差，Basquin模型较差。从拟合效果、预计误差和应用安全性角度，Basquin模型不适于描述该套数据。此外，经典极大似然法估计结果可能因受局部统计参量影响而给出非安全估计，有必要发展改进的可以最大限度减小这种影响的方法。

估计三种常用应力-寿命模型概率设计S-N曲线的统一方法

提出了适于三参数、 Langer和 Basquin三种常用应力-寿命模型称为广义极大似然法的估计概率设计 S- N曲线及其置信限的统一方法。方法将概率设计 S- N曲线表示为对数疲劳寿命均值和均方差曲线的广义形式。与现有常规和经典极大似然法方法不同，考虑所有试验数据的统计特征，应用最小二乘法先估计出均值曲线中的材料常数，然后利用极大似然原理和数学规划法估计出均方差曲线中的材料常数。有效性采用拟合相关系数、拟合误差均方值和置信限综合评价。对反应堆不锈钢管道焊接头虚拟应力幅-裂纹萌生寿命数据及 45＃碳钢成组法和极大似然法疲劳试验应力-寿命数据的分析说明了方法的有效性。一般来说，三参数模型的拟合效果最好， Langer模型次之， Basquin模型最差。本文方法的拟合效果好于现有方法，并尽量避免了现有方法受试验数据局部统计特征影响而可能给出偏于非安全估计的缺陷。

用局部应力应变法进行高周疲劳寿命预测的研究

概述局部应力应变法的基本原理和目前的使用方法 ,指出在计算中现行方法对低周疲劳有较好的寿命预测精度 ,但对高周疲劳寿命预测精度不高。这主要是因为没有考虑应力集中、表面加工状况、尺寸和环境介质的影响。在充分考虑四者之后 ,对应变寿命曲线的弹性分量进行修正 ,并推导出高周疲劳下的局部应力应变法修正公式。本方法计算简单、精度高。通过实例对传统局部应力应变法和文中提出的方法进行比较 ,得出本方法不仅适用于低周疲劳寿命分析 ,也可用于高周疲劳寿命计算。

基于局部应力应变法估算高周疲劳寿命

以往用局部应力应变法计算结构高周疲劳寿命不好的主要原因是在损伤与寿命计算中没有考虑缺口应力梯度等因素的影响。文中利用疲劳缺口系数对应变 -寿命曲线的弹性分量进行修正 ,从而可以较好地反映缺口根部应力梯度等因素对疲劳寿命的影响 ,使得局部应力应变法不仅可适用于低周疲劳寿命分析 ,也可以用于高周疲劳寿命分析。文中给出的方法简单 ,精度较好 。

基于修正的局部应力应变法估算连接件疲劳寿命

飞机机体结构疲劳裂纹的萌生与扩展几乎都发生在紧固件连接处,预测结构连接件的疲劳寿命具有重要意义。为了准确计算连接件疲劳寿命,提出了一种修正的局部应力应变法,该方法首先采用应力严重系数法和修正Neuber法分析连接件高应力区的应力、应变,然后利用Manson-Coffin方程计算疲劳寿命,此外考虑到在中、高周疲劳里表面加工和尺寸因素的影响是不能忽略的,对应变-寿命曲线的弹性段作了修正以使其同时适用于高、低周疲劳寿命的估算。以搭接件为算例进行疲劳寿命计算,并使用MTS Landmark试验机对搭接件进行疲劳试验。结果表明,采用此方法估算的连接件疲劳寿命与试验结果相比误差小于16%,证明了此方法的有效性。

平均拉应力对管线管疲劳寿命的影响

研究平均拉应力条件下的疲劳行为及疲劳寿命估算方法。对应力幅值进行归一化处理,推导出适用于非零平均应力的、更有普遍性的疲劳寿命计算公式;进行平均应力为0的小样疲劳试验,拟合了X65Q钢级管线管的应力-寿命曲线方程,并分析疲劳断口形貌。发现,用Gerber建立的平均应力等效公式计算出来的疲劳寿命与实际试验的疲劳寿命吻合度较高。建议用拟合的平均应力为0的应力-寿命曲线以及Gerber建立的平均应力等效公式估算平均拉应力条件下的管线管疲劳寿命。

一种利用支持向量机描述应力—寿命关系的新方法

以7种常用航空金属材料的疲劳试验数据为基础,首次利用最小二乘法支持向量机确定了材料的应力-寿命关系及相应的S-N曲线,并将所得结果与传统的幂函数式和三参数式的结果进行了比较,发现:支持向量机不仅能够描述材料的应力寿命关系,而且与现有的幂函数和三参数表达式相比,支持向量机最好;利用支持向量机描绘的S-N曲线,不仅能够精确确定任意交变名义应力作用下材料的疲劳寿命,而且还可精确确定材料的疲劳极限,为保证结构设计和使用的可靠性打下了基础。

考虑残余应力效应的深潜器耐压壳体疲劳研究

本文考虑焊接残余应力的影响,给出包含裂纹萌生和裂纹扩展全过程的载人深潜器耐压球壳疲劳寿命预报方法,分别基于局部应力-应变法和能计及负应力比效应的裂纹扩展单一曲线模型预报了耐压球壳的工艺疲劳寿命和使用疲劳寿命,研究焊接残余应力大小对球壳疲劳寿命的影响。结果表明,忽略拉伸残余应力的影响将导致疲劳寿命预测结果偏于危险;耐压球壳整体受压时,拉伸残余应力使得球壳局部区域承受拉-压循环载荷,计算使用疲劳寿命过程中须考虑其影响;降低拉伸残余应力可有效提高耐压球壳的疲劳寿命。

不同胶结剂和骨料类型混凝土受压疲劳性能试验及寿命预测模型

为研究不同胶结剂和骨料类型对混凝土受压疲劳性能的影响,采用3种胶凝材料:普通硅酸盐水泥(ordinary portland cement,OPC);由30%OPC,20%粉煤灰(fly ash,FA)和50%磨细矿渣(ground granulated blast-furnace slag,GGBS)组成的高掺量辅助胶凝材料(supplementary cementitious material,SCM);由50%FA和50%GGBS组成,并掺入Na_(2)SiO_(3)和Ca(OH)_(2)的碱激发剂胶凝材料(alkali-activator,AA),试验制作了天然骨料混凝土(normal-weight concrete,NWC)和轻质骨料混凝土(light-weight concrete,LWC),开展恒应力循环压缩试验。最大应力水平设置3个等级,分别为混凝土静态单轴抗压强度的75%,80%和90%,而最小应力水平固定为静态抗压强度的10%。基于对试验结果的回归分析,建立了疲劳寿命和疲劳应力-应变曲线模型。结果表明,LWC的疲劳寿命略低于NWC,LWC的疲劳应变高于NWC,且与OPC混凝土相比,对于SCM或AA混凝土以上规律更加凸显。本文提出的不同胶结剂和骨料类型混凝土的改进疲劳应力-应变模型,具有计算精度高、计算过程简单、不需要繁琐迭代计算的优势。研究成果可为预测轻骨料混凝土疲劳应力-应变曲线及疲劳寿命提供一套新的方法。

BS疲劳寿命分布序-恒试验的统计分析

研究了Birnbaum-Saunders疲劳寿命分布产品在序进-恒定应力下加速寿命试验的可靠性统计分析。在刻度参数满足逆幂律模型下,得到了BS疲劳寿命分布产品在序进-恒定应力加速寿命试验下的失效分布,并在此基础上得到了参数的极大似然估计,最后通过Monte-Carlo算例说明了该方法的可行性。

疲劳曲线的模糊随机加权线性回归及应用

介绍了3种应力-寿命模型,在假设疲劳寿命服从对数正态分布的前提下,将模型中的各参数看作是相互关联的非独立变量.根据协同原理,即相关联的随机方程动态地处于同一概率水平,采用模糊随机加权线性回归方法对试验数据进行拟合,得到了三参数的应力-寿命模型均值和均方差曲线,从而求得在给定应力下各可靠度的疲劳寿命.讨论了当应力存在横向分布时的可靠度和疲劳寿命的计算方法.算例表明,模糊随机加权线性回归方法能够克服常规线性回归分析中由于异常点数据的存在而产生误差的缺点,并且可靠度和疲劳寿命的计算过程也较以往其他文献中的方法简单.

3D-C／SiC复合材料的高温疲劳性能

采用应力比为0.1和0.5,频率为60和20Hz的正弦波从室温至1500℃,在10-4Pa真空中对3D-C/SiC复合材料进行拉—拉疲劳实验;获得其在应力比0.1频率60Hz条件下室温、1100、1300和1500℃的疲劳曲线,以及应力比0.1频率20Hz和应力比0.5频率20Hz条件下1500℃的疲劳曲线。结果表明,若取循环基数为106周,应力比0.1频率60Hz条件下,3D-C/SiC复合材料在室温、1100、1300和1500℃的疲劳极限分别为235、350、285和240MPa,约为其拉伸强度的87%、97%、94%和90%;疲劳极限与比例极限和拉伸强度随温度有相似的变化规律,即随温度升高而增加,在1100℃达到最大值,尔后随温度增加而下降;但是S—Nf曲线的斜率的变化规律恰好与此相反。应力比的增加和频率的降低,均使复合材料1500℃的疲劳极限有所减小。

钢铝无铆连接疲劳寿命分析

为研究异种板料无铆连接接头在不同工况下的疲劳寿命,通过ABAQUS软件建立无铆连接三维模型模拟接头成形过程。基于6061铝合金和304不锈钢板料的机械性能和应力-寿命曲线,利用Fe-Safe疲劳软件对接头进行剪切式、剥离式和综合式3种工况下的振动疲劳数值模拟。研究结果表明,接头承受的应力越大,疲劳寿命越短;随着接头承受应力的增加,接头的疲劳破坏区域也在逐渐扩大。当接头表面存在残余压应力时,有利于接头疲劳寿命的增加;反之,残余拉应力会对疲劳寿命产生不利影响。此外,3种工况中接头承受的应力大小相同时,剪切式工况下的接头疲劳寿命最长,剥离式的接头寿命略短于剪切式,而综合式的接头疲劳寿命远远短于前两种工况。通过疲劳实验验证剪切式接头疲劳寿命时发现,接头中存在残余应力Rs,且0 <Rs≤5 MPa。

地铁齿轮的C-P-S-N曲线研究及其可靠性分析

在对齿轮进行寿命设计与可靠性分析时,了解齿轮的强度和寿命分布极为重要。为此,以弯曲疲劳、接触疲劳实验数据为基础,对某地铁齿轮的C-P-S-N曲线进行了研究,对其可靠性进行了分析。首先,针对P-S-N曲线的失真,提出了一种利用拟合材料参数的修正方法,分别计算了齿轮不同置信度下的接触和弯曲C-P-S-N曲线;然后,以置信度为95%的C-P-S-N曲线为基准,得出了郑州某地铁齿轮箱在不同工况下的疲劳寿命分布参数,并分析了其寿命离散度规律;最后,运用顺序可靠度理论,对齿轮多工况下的综合可靠度进行了评判。研究结果表明:与其他方法相比,采用拟合材料参数的方法得到的疲劳强度差异最大为0.48%,与采用其他方法所得结果具有相同的参考性;随着置信度的增加,齿轮疲劳强度的离散度也随之增加;弯曲疲劳强度的变异系数约为0.096,接触疲劳强度的变异系数约为0.062,且接触疲劳寿命的可靠度小于弯曲疲劳寿命,即小齿轮更容易发生接触疲劳破坏;当地铁运行里程达到1.36×10^(7)km时,不发生接触疲劳破坏的概率约为0.989。

喷油润滑聚醚醚酮的接触疲劳性能

聚醚醚酮(PEEK)是一种高强度、耐热的工程塑料,但其接触疲劳基础数据的缺失制约了它在重载场合下的高可靠、长寿命服役。开展了喷油润滑下的PEEK滚子滚动接触疲劳试验与PEEK齿轮接触疲劳试验,绘制了接触疲劳S-N曲线。对比发现,PEEK滚子滚动接触疲劳极限比齿轮接触疲劳极限高14%,接触压力135 MPa下的滚子滚动接触疲劳寿命比齿轮接触疲劳寿命长58%,进而提出PEEK的滚子-齿轮接触疲劳寿命转换公式。

铁路货车摇枕侧架疲劳寿命2种计算方式对比分析

铁路货车转向架摇枕、侧架对疲劳可靠性要求较高,而传统的疲劳寿命计算方式,存在计算效率低、评估点有限、人为干预多,以及专业性要求强等问题。为解决这些问题,提出基于工程一体化疲劳设计软件nCode的计算方式。从计算结果精准度、计算效率、计算结果呈现、专业性要求等4方面对比分析2种计算方式,并得出以下结论:2种计算方式的计算结果精确度相同,但基于工程一体化疲劳设计软件nCode的计算方式可以呈现所有节点的疲劳寿命计算结果,计算效率提高了700多倍;仿真工作由一般的专业设计师就可以完成。

铝合金材料A356疲劳寿命试验研究优化CAE有限元分析

产品开发前期的CAE有限元可靠性寿命分析,只用软件固有的材料性能参数,不能得到较准确的分析结果。因为相同材料的不同热处理等加工工艺,其应力-寿命曲线数据会有很大的差异。文章主要研究如何对特定加工工艺材料的不同结构产品进行置信度较高的有限元疲劳寿命分析。首先对特定材料的多根棒材静态拉伸后进行一定比例的不同载荷下的多项疲劳试验。再将试验后的数据进行威布尔分布统计分析得到该特定材料的应力-寿命曲线数据,并将其用于CAE分析软件数据库的数据优化。进而用优化后的CAE分析软件对某种结构件的分析结果与该结构件实际台架试验结果进行比对验证。两种结果的误差范围在可接受的范围内时,数据库优化后的CAE分析软件就可以在产品开发前期对该特定材料的不同结构产品、不同受力试验项目进行置信度较高的疲劳寿命分析。

S—N曲线和P—S—N曲线小子样测试方法

采用异方差回归分析理论,建立一种S—N曲线和P—S—N曲线小子样测试方法,可以对金属材料中寿命区的S—N曲线和P—S—N曲线进行散点测试。该方法能将一条S—N曲线上的所有试验数据作为一个整体进行统计分析,实现多母体联合推断,信息量远远大于成组试验法,既可节省大量试件,又能提高测试精度。此外,该方法对成组试验数据的分析精度也比成组试验法高,可以对过去积累的S—N曲线试验数据进行处理,在不补充试验的情况下,即可得到P—S—N曲线。大量Monte Carlo模拟验证和工程应用表明,在精度相同的情况下,该方法可以比成组试验法节省60%以上的试件。

基于疲劳强度分布的双过渡P-S-N曲线研究

以往研究发现,不同金属材料的疲劳寿命分布随着载荷水平的变化往往有不同的分布类型,而不同寿命对应的疲劳强度一般近似服从同一分布。基于“等效疲劳强度”概念可以合并不同疲劳寿命下的数据,在假定总体样本的疲劳强度服从正态分布的前提下,采用极大似然法进行参数估计。一些经典的模型如Strohmeyer模型,采用上述方法时往往在中周到高周或中周到低周的过渡段拟合效果不佳。对此,构建了一种含两个过渡段的中高周S-N曲线并给出了适用于工程设计的P-S-N曲线。对ZL101A铝合金和BSM590结构钢两种材料分别开展含两个过渡区的中高周疲劳试验,对比Strohmeyer等模型发现:新提出的“双过渡”S-N曲线在中小样本量下的拟合优度更好;相较采用升降法计算得到的疲劳极限,采用基于疲劳强度分布拟合得到的疲劳极限偏差均在3%以内,而采用新提出的S-N曲线的计算偏差均小于1%;在中周到高周区的过渡段对比Dixon-mood方法计算得到的结果,采用提出的S-N曲线在过渡段精度分别达到92.2%和99.9%。

Q345桥梁钢焊接接头超高周疲劳性能

采用超声疲劳振动技术研究了桥梁钢Q345qC的母材和圆形对接焊接接头试件的高周与超高周疲劳性能.试验发现,在105～109循环周次内焊接接头的疲劳性能远低于母材,且无论是母材还是焊接接头其S-N曲线都是呈连续下降趋势.当母材服役超过107周次,焊接接头服役超过5×106周次以后,试件仍然发生疲劳断裂.结果表明,焊接接头试件断口位置主要位于熔合区的焊趾处或焊接接头表面几何非连续处;在高应力区,疲劳失效多发生于接头表面几何非连续处,在低应力区,疲劳失效多发生于焊趾处.