基于S-N曲线的自动扶梯桁架疲劳寿命评估方法研究

老旧的自动扶梯经大修和改造后进入新一轮的寿命周期,可延长使用时间,具有较好的经济效益。如何评估在用自动扶梯的剩余工作寿命是一个重要课题。分析影响自动扶梯桁架力学性能和疲劳寿命的因素,结合实际案例,基于S-N曲线探索适合自动扶梯桁架疲劳寿命评估的有效方法,以期为自动扶梯的改造提供参考。

基于动态剩余S-N曲线的线性疲劳寿命预测模型

为估算结构在变幅载荷下的疲劳寿命,在动态剩余S-N曲线的基础上,结合材料的退化规律,对材料受载过程中的累积疲劳损伤进行了量化,提出了一种预测变幅载荷下线性疲劳损伤预测模型。根据热轧16Mn钢和20Cr2Ni4A标准圆柱齿轮多级载荷下疲劳寿命试验数据,对提出模型的疲劳寿命预测能力进行了验证。结果表明:基于强度退化的线性疲劳寿命预测模型相对传统Miner法则和材料记忆退化累积模型的预测结果更接近试验结果,具有较高的预测精度。

基于主S-N曲线的装载机工作装置疲劳寿命评估

针对装载机在使用过程中焊接结构的疲劳开裂问题,文中在其设计阶段进行了疲劳寿命评估。首先,建立了工作装置中连杆网格尺寸为10,5,2.5 mm的有限元模型,对其进行静力学求解并提取其焊趾节点的结构应力,结果表明,在这3种网格尺寸下结构应力大小的相对误差不超过1%,验证了主S-N曲线法对网格尺寸不敏感的特性。此外,建立额定载质量9 t的装载机工作装置在台架试验姿态下含有焊缝细节特征的三维有限元模型,采用实测得到的疲劳试验加速加载谱进行加载计算,获得焊线L1~L8的结构应力,根据各焊线所受的载荷模式及所处位置的板厚等参数计算得到了工作装置焊线L1~L8的疲劳寿命,并与采用FE-SAFE软件计算得到的8条焊线疲劳寿命进行对比,二者分析结果均在焊线L2(动臂板与动臂油缸连接处焊缝)处首先发生疲劳破坏,疲劳寿命分别为12376.3和9597.6 h;通过与采用IIW和BS 7608标准计算的寿命进行对比,分析了结果差异的原因,评估结果对改进装载机工作装置结构与焊缝优化提供了依据。

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。

1.375-12UNJF-3A外螺纹疲劳寿命预估与试验

长螺栓的低循环疲劳寿命决定了动力涡轮的安全性与可靠性,本文建立了长螺栓疲劳试验装置的轴对称有限元模型,根据试验实际约束定义载荷和边界条件,对外螺纹进行弹塑性有限元计算,确定了试验考核部位。采用EGD-3应力标准中的寿命计算方法,根据材料室温极限强度最低值与实测值,分别预估了外螺纹发生破坏时的寿命循环数,并通过应力比为0.1的6个应力等级、22件长螺栓试验件的室温疲劳试验验证了寿命计算方法,得出外螺纹中值疲劳S-N曲线。结果表明,采用EGD-3的寿命计算方法进行螺纹疲劳寿命设计时,应至少考虑2倍寿命储备。

结合S-N曲线和断裂力学的焊接结构疲劳寿命分析

针对焊接结构的疲劳裂纹演化过程,将焊接结构的疲劳寿命定义为裂纹萌生寿命Ni和裂纹扩展寿命N_p之和,提出一种结合S-N曲线和断裂力学理论的疲劳寿命分析方法.采用等效结构应力法和99%下限主S-N曲线计算焊接结构的裂纹萌生寿命,并将这一阶段结束时的裂纹看作为半椭圆表面裂纹.采用Paris裂纹扩展模型和半椭圆表面裂纹应力强度因子ΔK计算裂纹扩展寿命N_p.参照某起重机走行梁的疲劳试验结果进行对比和验证研究.结果表明,等效结构应力可以较好地表征复杂焊接结构的裂纹萌生特性,结合S-N曲线和断裂力学的疲劳寿命计算结果与试验结果具有较好的一致性.

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。

基于主S-N曲线法的车体疲劳寿命评估

为研究动车组车体疲劳强度是否符合设计要求,采用主S-N曲线法分别评估车体在EN12663标准中疲劳工况下的疲劳强度和在实测低频载荷谱下的疲劳强度,并将两种工况下的计算结果进行对比。结果表明:在两种工况下车体疲劳强度都符合设计要求;使用EN12663标准提供的工况计算出来的疲劳寿命值更小,按照标准进行设计是十分安全的。

基于恒寿命疲劳结合S-N曲线的弹簧疲劳寿命分析

常规的弹簧疲劳寿命分析,是以弹簧材质的S-N疲劳曲线为依据,根据预期弹簧寿命,反复选择弹簧基本参数,验算达到疲劳强度安全系数≥疲劳许用安全系数,计算工作量大。介绍一种基于恒寿命疲劳结合S-N曲线的简单方法分析弹簧的疲劳寿命,为提高弹簧质量给出一些参考。

基于S-N曲线的深水半潜平台疲劳寿命分析

深水半潜平台工作环境恶劣,造价成本高,为保证安全工作,有必要对其进行疲劳寿命分析。首先利用SESAM软件建立目标平台整体模型并分析总体结构响应。然后根据平台总体结构响应计算结果,选取立柱与横撑连接处、立柱外板与上甲板连接处两个关键节点,建立关键节点有限元模型,计算其热点应力。最后采用S-N曲线分析该平台在中国南海环境条件下的疲劳寿命。分析结果显示该平台疲劳寿命符合规范要求,但立柱与横撑连接处的疲劳寿命偏低,应加强日常检修和维护。

温-荷耦合作用下小半径曲线桥铺装层疲劳寿命的影响因素分析

为研究小半径曲线桥桥面铺装结构在温-荷耦合作用下的使用寿命,以大温差地区某超高曲线桥为例,采用有限元软件分别计算在温-荷耦合作用下曲线桥纵坡坡度、曲率半径、级配组合、车速等不同影响因素下的铺装层疲劳寿命。结果表明,纵坡坡度及曲率半径的增加,可有效控制铺装层受到的剪切破坏和受拉破坏,从而增加铺装层疲劳寿命和使用年限;汽车荷载移动速度的增加,导致铺装层受力不均,铺装层疲劳寿命降低。计算得到的双层AC-20与上层SMA-10+下层AC-20铺装层组合的疲劳寿命相近,由于SMA-10具有良好的抗滑性和抗车辙性,建议铺装层采用上层SMA-10+下层AC-20的组合。

考虑静强度的复合材料疲劳寿命预测及概率特性分析

为考虑初始静强度对疲劳寿命的影响,基于经典剩余强度理论,构建同时考虑初始静强度和应力的复合材料疲劳寿命预测模型。建立的寿命预测模型能够表征疲劳寿命与初始静强度和应力之间的内在关系,可退化为经典S-N曲线。疲劳寿命与初始静强度呈非线性关系,疲劳寿命与应力呈高度非线性关系,疲劳寿命的概率分布可根据初始静强度和应力的概率分布利用MCS获得。算例表明,初始静强度和应力的概率特性对剩余强度和疲劳寿命的概率特性均有影响,相比初始静强度,应力对疲劳寿命概率特性的影响更加显著。

基于改进剩余强度模型的复合材料疲劳寿命预测

复合材料强度退化规律对研究结构疲劳寿命具有重要意义,然而现有剩余强度模型均需利用剩余强度试验数据确认模型参数,模型构建成本较高。通过探究复合材料疲劳寿命和剩余强度的关系,以疲劳寿命累积分布函数为出发点,构建具有明确物理意义的损伤度,进而提出改进剩余强度模型。改进剩余强度模型不需要剩余强度试验数据,仅需初始静强度和疲劳寿命数据。在改进剩余强度模型基础上,构建S-N-φ疲劳寿命预测模型,该模型可以考虑初始静强度对疲劳寿命的影响。算例结果表明,改进剩余强度模型的预测精度是满意的,S-N-φ模型相比经典S-N曲线模型具有更好的预测精度。

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。

疲劳S-N曲线拟合的双加权最小二乘法

为充分利用疲劳试验数据,获得较高精度的S-N曲线,本文提出一种融合成组疲劳试验数据和疲劳强度试验数据拟合S-N曲线的双加权最小二乘法。该方法充分考虑了疲劳试验方法、疲劳试验数据分散性和试验件样本容量对S-N曲线的影响。它首先考虑试验样本容量对试验结果分散性的影响,对S-N曲线进行第一次加权拟合。然后分别考虑疲劳寿命和疲劳强度的分散性以及试验件的数目的影响进行第二次加权拟合,从而得到材料或构件的S-N曲线。本文进行了大量的S-N曲线的统计分析,结果表明拟合得到的S-N曲线具有较高的精度和可信度。

16MnR钢焊接头的延拓概率疲劳S-N曲线

针对16MnR钢焊接头,利用现有不同试验条件下的中短寿命试验数据,采用2m 1指数法,延拓概率疲劳S N曲线到长寿命范围。基于Basquin关系,得到包含存活概率曲线、置信度曲线和两者融合曲线在内的延拓概率疲劳曲线,在中短寿命范围对试验数据有良好的拟合效果,在延拓阶段可对长寿命范围作近似预测。该方法可近似合理地对曲线进行延拓,较直接利用中短寿命S N曲线延长到长寿命范围的直接法更为合理,结果表明,该方法是可行的。

疲劳S-N曲线预测的三维断裂力学方法

根据旋转弯曲圆棒疲劳断口分析 ,给出了裂纹几何参量及应力强度因子随裂纹扩展的变化规律。采用考虑三维应力约束效应的断裂力学理论及常幅载荷下材料的疲劳裂纹扩展 da/d N～ΔK曲线 ,得到了独立于试件几何形状和应力比的材料 da/d N～ΔKeff基准数据。结合断口分析所得的应力强度因子以及材料 da/d N～ΔKeff数据 ,对三种旋转弯曲圆棒 S-N(应力 -疲劳寿命 )曲线进行了预测。结果表明 ,本文预测的疲劳 S-N曲线和试验的结果较为吻合。本文的 S-N曲线断裂力学预测方法对确定结构全寿命具有实际指导意义 。

ZG230-450铸钢的重构疲劳可靠性S-N曲线

给定若干概率水平的常规疲劳可靠性曲线只能做相应概率水平的疲劳设计与寿命预测,要实现任意可靠性水平的疲劳设计、寿命预测和可靠性评定,需要重构全概率疲劳可靠性S-N曲线。首先应用Monte Carlo模拟技术在可接受的误差范围重构了铁道车辆ZG230-450车轮铸钢的疲劳极限和成组法S-N数据。然后应用广义极大似然法测定了其中短寿命范围的可靠性S-N曲线。最后应用概率疲劳极限外推法获得了该材料中短和长寿命范围的合理疲劳概率S-N曲线。并进一步发展了适于车辆结构用万公里单位表征的可靠性曲线。应用该曲线可实现任意可靠性水平的疲劳可靠性设计、寿命预测和可靠性评价。

玻璃纤维铝合金层板(FMLs)的疲劳损伤特性及S-N曲线

根据国内外标准和参考文献,针对玻璃纤维增强铝合金层板(FMLs)的特点设计出FMLs疲劳试验件,进行了不同载荷下的R=0.1等幅拉-拉疲劳试验。疲劳试验过程中FMLs最先在表面铝层内出现裂纹,随后表面铝层可见多条裂纹。随着循环载荷数的增加,裂纹不断扩展,并在界面出现分层现象,然后分层损伤快速扩展直至完全断裂破坏。测得了FMLs的疲劳裂纹起裂寿命和裂纹扩展寿命,给出了其疲劳寿命的规律性。得到了FMLs和同样厚度碳纤维复合材料CCF300的S-N曲线,并进行了对比。FMLs的疲劳寿命随载荷变化平缓,近似成对数趋势;在载荷大于400 MPa时FMLs的疲劳寿命与CCF300碳纤维复合材料层板相当;当疲劳载荷最大值低于300 MPa,FMLs的疲劳寿命比CCF300复材板要低。为飞机结构设计师们提供了材料基础性能和信息。

金属疲劳裂纹扩展率曲线与S-N曲线之间的关系(英文)

目前有两种不同的理论用于预报金属结构的疲劳寿命。一种是基于S-N曲线的累积疲劳损伤理论 ,另一种是基于裂纹扩展率曲线的疲劳裂纹扩展理论。如果都把一个构件的最终断裂作为疲劳破坏的定义 ,则S -N曲线和裂纹扩展率曲线均是反映金属在疲劳载荷作用下的基本材料特性。尽管在过去这两种曲线是分别测试的 ,但它们之间应该存在一些相互关系。本文的主要目的就是讨论它们之间的关系。基于S -N曲线的一个一般表达式和裂纹扩展率曲线的一个有代表性的表达式 ,本文建立了两种曲线之间的一个正式关系 ,这表明只需要测试一种曲线 ,而另一种曲线就可以根据已有的试验结果导出。文章以一个中央裂纹平板作为例子 。