基于Weibull分布的缺口件多轴疲劳寿命建模

针对多轴缺口件,引入Weibull分布建立考虑应力梯度效应的疲劳寿命预测方法.首先,将最大应变能密度定义为损伤参量,并结合坐标变换确定能反映裂纹萌生和扩展的临界面位置;其次,利用有限元方法提取临界面特定路径的应力分布,并对其进行归一化处理得到多轴等效应力梯度因子,进而基于GSP应变能密度模型得出应变能密度与实验寿命的线性关系;最后,结合等效应力梯度因子、应变能密度模型和Weibull分布,基于Von-Mises准则提出了新的疲劳寿命预测方法,并利用该方法分别求出失效概率10%、50%和90%对应的疲劳寿命.为验证该方法,将计算结果与SWT模型、FS模型和Manson-Coffin方程的计算结果进行对比,结果表明该方法的预测精度较高.

考虑附加损伤和缺口效应的缺口件多轴疲劳寿命预测模型

针对利用局部应力应变法预测缺口件多轴疲劳寿命结果误差较大的问题,基于临界平面理论,综合考虑缺口的应力梯度和尺寸以及附加强化效应对疲劳寿命的影响,提出一种多轴加载下缺口件疲劳寿命的预估方法。采用3种不同材料的缺口件实验数据进行模型验证,并将提出模型与2种经典模型的预测结果进行对比,结果表明:提出模型的预测精度高于另外两种,预测结果几乎都在二倍寿命误差带内。

基于应力场强理论的缺口件疲劳寿命计算新方法

为进一步精确评估缺口件的疲劳行为,基于应力场强法,针对传统疲劳损伤区域判定存在争议的问题,考虑晶粒尺寸和各点应力对损伤区域的综合作用,提出了一种心形疲劳损伤区域,对权函数和损伤区域界定准则进行了修正,建立了一种新的疲劳寿命预估模型。对泵头体材料40CrNi_(2)MoV进行了疲劳试验和算例验证,结果表明:新方法降低了计算成本,圆孔件和V形缺口件疲劳寿命预测精度分别提高了20%~50%及10%~35%,适用于不同缺口类型的疲劳寿命预测。

基于临界面法的缺口件多轴疲劳寿命预测

基于多轴损伤临界面原理 ,根据多轴疲劳损伤和裂纹萌生与扩展的特点 ,在所建立的统一型多轴疲劳损伤模型的基础上 ,进一步推广应用到缺口件的多轴疲劳寿命预测中。经多轴疲劳试验验证表明 ,所建立的多轴疲劳损伤模型可以较好地预测比例与非比例加载下缺口件的多轴疲劳寿命。

非比例载荷下缺口件疲劳寿命有限元分析

针对Mod.9Cr-1Mo铁素体钢V型缺口件进行一系列非比例低周疲劳试验.试验结果表明,除圆路径外,各路径下裂纹萌生寿命占总寿命的60％～77％,与先前文献相比较,其分散性较小.采用ANSYS软件进行模拟计算,材料弹塑性特性采用Von Mises屈服准则、多线性随动硬化律和单轴循环应力应变曲线来描述.使用柱坐标系,通过固定试件一端,另一端加轴向和周向位移来实现拉扭应变控制.有限元模拟结果表明,各路径下缺口根部均产生了明显的应力集中,第一主应变、等效应变的最大值均发生在缺口根部.基于模拟得到的缺口根部的应力应变结果,采用Smith-Watson-Topper（SWT）方法进行疲劳寿命预测,除针对单轴路径预测结果偏低外,大部分预测结果位于2倍分散带内.

基于临界平面法的缺口件疲劳寿命预测方法

利用弹塑性有限元分析得到缺口件的应力、应变历史,分别计算任意材料平面上的描述拉伸和剪切疲劳破坏的两种损伤参量,取最大损伤参量所在的平面为临界平面,并利用最大损伤参量预测拉伸和剪切疲劳寿命,取小值为缺口件的疲劳寿命,进而得到一种预测缺口件疲劳寿命的预测方法。用此方法预测了SAE1045钢缺口件的疲劳寿命,并与实验值进行比较,误差分布在2-3倍因子范围之内。

随机振动载荷下缺口件疲劳寿命分析的频域法

提出了一个考虑应力集中和疲劳极限影响的缺口件频域随机振动疲劳寿命估算方法。首先进行随机振动分析,得到应力响应功率谱密度,用疲劳缺口系数考虑孔边应力集中的影响;然后采用三参数S-N曲线近似公式在频域内进行疲劳寿命估算,考虑疲劳极限的影响。算例结果表明:考虑应力集中和疲劳极限影响的带孔板频域随机振动疲劳寿命估算结果与实验值非常接近。

采用缺口件等效与渐进插值法预测构件疲劳极限

以发动机曲轴为例,以等效椭圆孔板长轴长度、短轴长度及均布载荷为变量,采用拟合方法使等效椭圆孔板的应力集中处应力场与曲轴受载荷时应力集中处的应力场尽可能一致,将曲轴应力集中等效为标准椭圆孔缺口件.通过等效处理,曲轴疲劳极限载荷的求解问题可以转换为椭圆孔缺口件的疲劳极限求解问题,结合已有曲轴的疲劳强度试验数据得出该曲轴材料的特征尺寸,采用渐进插值法结合短裂纹扩展理论,推导出预测曲轴的疲劳极限载荷.

一种考虑尺寸效应的缺口件疲劳寿命预测方法

提出了一种考虑尺寸效应的缺口件疲劳寿命预测方法。该方法首先将缺口件等效成一个参考光滑件,参考光滑件与缺口件外加应力的比值由缺口件疲劳缺口系数决定,参考光滑件尺寸按裂纹可能萌生区域面积相等的原则确定。再基于最弱环节理论,将参考光滑件等效成一个与已具有试验数据的光滑件(称为标准光滑件)尺寸相同的新光滑件,它们外加应力的比例由Weibull指数和尺寸比例确定。在两次等效的基础上,最终建立缺口件与标准光滑件之间的联系,并提出等效应力的概念,用它查取标准光滑件的疲劳寿命试验数据可直接得到缺口件的疲劳寿命。该方法可考虑到缺口件疲劳损伤场大小对疲劳寿命的影响,并可消除用相同疲劳损伤量查取不同尺寸光滑件的试验数据寿命预测结果不同的现象。进行了材料LY12CZ的带中心孔缺口件的寿命算例分析,预测结果和试验结果吻合良好,表明该方法是有效的。

缺口件疲劳裂纹形成特性研究

通过分析缺口顶端附近的应力场 ,提出一种表征缺口件疲劳裂纹形成特性的参量 ,即经过塑性修正的ΔKI/R参量 .采用该参量表征 ,不仅可以将疲劳裂纹形成和扩展阶段有机地结合起来 ,而且可以对不同缺口半径R的试样采用统一的参量表征其裂纹形成特性 .通过对不同缺口试样进行疲劳试验 ,验证了在一定寿命范围内其Ni-ΔKI/R曲线保持一致 ,这一结论为带缺口件的无限寿命和有限寿命设计提供了重要的理论参考依据 .

16MnR缺口件疲劳启裂寿命的理论分析与试验研究

为了研究缺口形貌和加载条件对16MnR材料疲劳寿命的影响,进行了光滑圆棒试样和缺口圆棒试样的疲劳试验,得到了缺口件的疲劳启裂寿命和疲劳断裂寿命。通过用户子程序UMAT将16MnR材料的精确循环塑性本构关系嵌入到有限元件软件ABAQUS中,并结合多轴疲劳损伤准则,确定出1个加载循环在临界材料面上产生的疲劳损伤,进而通过理论模型预测缺口件的疲劳启裂寿命。疲劳启裂寿命的理论预测结果与试验数据相吻合,表明多轴应力状态下的缺口件疲劳启裂是所有不为0的应力、应变分量共同作用的结果。

基于体积法的缺口件多轴疲劳寿命预测

针对Mod.9Cr-1Mo钢不同缺口半径下的多轴疲劳试验结果进行模拟计算,采用体积法进行疲劳寿命预测,并与等效应变法的预测结果进行了对比。模拟结果表明,各路径下缺口根部应力集中程度随缺口半径减小而更为明显,最大应力集中程度达3.45。等效应变法给出的疲劳寿命预测结果随着缺口半径的减小而偏于保守,保守量高达90倍。为克服等效应变法给出的偏于保守的结果,基于剪应力随距缺口根部距离的变化趋势进行有效距离的计算,采用体积法进行寿命预测,94.1%的预测结果位于2倍分散带内。

基于DIC的铝合金薄壁缺口件多轴疲劳行为

为探究缺口对材料多轴疲劳性能的影响,以航空用7075-T651铝合金薄壁缺口件为研究对象,进行等效应力幅变量的比例多轴疲劳实验,采用数字图像相关技术进行表征并分析临界平面角度。结果表明:随加载等效应力幅的增加,试样多轴疲劳寿命降低,缺口附近最大轴向、扭向和剪切工程应变增大。不同加载条件下,缺口附近应变集中现象均随着加载周次的增加而逐渐增强。缺口附近的应变变化过程可分为裂纹萌生、裂纹扩展及瞬断阶段。引入临界平面角度和其上最大正应变,提出SWT修正模型,其预测结果均位于2倍分散带内。

基于光滑件的缺口件疲劳强度分散性估算方法

提出了一个缺口件疲劳强度分散性的估算方法,该方法只需要材料P-S-N曲线和缺口件的几何信息。影响缺口件疲劳强度分布的因素主要有材料的分散性和缺口效应的分散性两部分。本文采用改进的相等破坏概率方法求出光滑件的疲劳强度分布,该方法可充分考虑成组和升降法疲劳试验结果,由应力场强法和历史信息获得疲劳缺口系数的分布,并由此得到缺口件疲劳强度分布。完成了2024-T 3和7075-T 6铝合金的8个算例,结果表明该方法所得结果令人满意。

一种新的缺口件疲劳寿命分布计算模型

提出了一种新的缺口件疲劳寿命分布计算模型。该模型将影响缺口件疲劳寿命分布的因素分成微观结构的不均匀性和缺口根部局部应力应变的分散性两部分,并选择应力场强作为局部应力应变量。前一部分的影响可参考光滑试件的疲劳寿命试验数据获得,后一部分的影响通过蒙特卡洛随机有限元法计算得到,最后将两部分的影响有机结合起来,得到缺口件的疲劳寿命分布。进行了材料LY12CZ的中心孔缺口件的寿命分布算例分析,预测结果与试验结果吻合良好,表明该方法是有效的。

缺口件疲劳特性研究方法

缺口件疲劳问题的研究日益引起各国学者的重视.局部应力一应变法以其简单性在工程中得到了广泛应用,该方法通常会得到偏于安全的结果.引入疲劳缺口因子代替弹性应力集中因子针对缺口疲劳进行研究,仍未能从本质上改善预测结果的准确性.考虑到"热点应力"附近的相对应力梯度,提出了应力梯度法研究缺口件疲劳问题,这一概念亦被用于应力场强度方法中,如何准确确定损伤区域是应力场强度方法需要解决的问题.临界距离理论可将Neuber律、Peterson方法及应力场强度方法进行有效统一,同时有限元方法的发展进一步支持了该理论.目前,该方法在高周疲劳研究中取得了较好的效果,但对低周疲劳寿命预测的有效性仍需进一步的验证.

缺口件疲劳损伤累积规律的研究

为解决传统疲劳方法对于缺口件疲劳寿命估算不准确的问题,引入疲劳损伤累积的概念.利用有限元分析方法,计算了中心圆孔试件在4种疲劳载荷作用下缺口处的应力-应变响应.采用坐标变换的方法得到缺口处在4种疲劳载荷作用下任意材料平面上的应力、应变分量.选取6种损伤参量进行研究,计算得到6种损伤参量随截面位置的变化情况,进而可以确定最大疲劳损伤.为了获得6种损伤模型的累积规律,计算在不同循环内的最大累积损伤,进而获得最大疲劳累积损伤与循环次数的关系.结果表明:中心圆孔缺口件在4种疲劳载荷作用下6种损伤模型的累积规律都为线性.以该结论为基础可估算缺口件的疲劳寿命.

缺口件局部应力-应变关系影响因素的研究

为了分析缺口件局部应力-应变关系的影响因素,利用有限元方法对多轴循环载荷下的中心圆孔缺口试件进行了弹塑性有限元分析,讨论了应力幅、平均应力以及多轴性对缺口部位局部应力-应变关系的影响.结果表明:正应力幅和多轴载荷影响迟滞回线的形状,表征着材料的损伤,是疲劳分析中的重要因素;平均应力不影响迟滞回线的面积,对损伤没有影响,它主要影响迟滞回线中心的位置,在疲劳分析中须引入平均应力修正.

缺口件疲劳寿命预测新方法

采用有限元方法针对缺口件多轴疲劳实验结果进行模拟。结果表明,相同路径条件下,随着缺口半径减小缺口根部附近的应力梯度显著增加。基于缺口根部应变值,采用等效应变法进行疲劳寿命预测,预测结果随缺口半径的减小而偏于保守。采用应力梯度法确定有效距离,相同路径下,随着缺口半径的减小有效距离减小;依据该有效距离处的等效应变进行疲劳寿命预测,总体预测结果较为分散且偏于不安全。基于实验及有限元模拟结果,提出了基于应变梯度的有效距离确定的新方法,大部分疲劳寿命预测结果位于2倍分散带内。

缺口件疲劳寿命分布的敏度分析

就缺口件疲劳寿命分布对材料属性、载荷和几何三种不确定性设计变量分布的敏度进行了分析。首先选取疲劳有效应力作为疲劳损伤参量,应用基于随机有限元方法的缺口件疲劳寿命分布计算模型,分别计算了三种不确定性设计变量分布的变化带来的疲劳寿命分布的变化。然后运用设计变量为随机变量时的敏度分析方法进行分析,结果表明它们对缺口件寿命分布影响程度的大小顺序依次为载荷、几何和材料属性,并且缺口件寿命分布对它们的敏度大小在同一量级上。