多轴非比例加载下考虑附加损伤的疲劳寿命预测

与比例载荷加载相比,在非比例载荷加载时由于附加损伤的产生,机械构件会出现明显的寿命缩短。本文通过分析非比例载荷作用下影响疲劳寿命的因素,提出一个新的非比例损伤因子,以最大剪切面为临界面,建立新的基于等效应变的疲劳寿命预测模型。新的多轴疲劳寿命预测模型不仅考虑法向应力对材料裂纹萌生与裂纹扩展的影响,而且通过引入材料附加强化系数与载荷路径的非比例度反映非比例载荷加载对多轴疲劳寿命的影响。采用5种材料在多轴载荷下的实验数据来验证本文模型的准确性,同时与两种经典模型进行对比,验证与对比分析说明,本文所提模型预测精度较好。

GH4169合金多轴热机械粘塑性本构模型及验证

为了更加精确地描述GH4169合金的多轴热机械力学行为,以Chaboche粘塑性本构模型为基础,引入了Lemaitre损伤模型、基于临界面理论的非比例强化因子和粘塑性势函数修正系数,提出建立了一种适用于GH4169合金的多轴热机械疲劳粘塑性本构模型,来描述材料的循环软化、非比例硬化和非玛辛效应,并给出了本构模型各参数的获取方法。采用此本构模型,对GH4169合金的多轴和热机械力学行为进行了模拟研究,结果表明:在20℃时,分别对轴向加载、扭转加载、比例加载、45°非比例加载以及90°非比例加载这5种加载条件下的第200次循环的迟滞回线进行模拟,轴向的应力峰谷值均与试验值结果吻合;在650℃时,模拟比例加载、45°非比例加载和90°非比例加载这3种加载条件下的第200次循环的迟滞回线,结果与试验值基本吻合,证明了建立的模型适用于高温条件;模拟300℃、550℃和650℃这3种温度下的单轴轴向加载和圆形路径加载的迟滞回线,结果与试验值基本吻合;模拟同相位与反相位加载条件下的第200次循环迟滞回线,修正后的本构模型的模拟值与试验值吻合良好。

汽车悬架控制臂拉压溃分析及疲劳寿命预测

以某汽车的后悬架上控制臂为研究对象,建立悬架控制臂有限元仿真模型。对悬架控制臂在拉、压工况下,进行拉溃力和压溃力分析,并进行试验验证。试验结果表明,该控制臂拉、压溃试验结果与有限元分析结果基本一致。通过对该控制臂进行有限元分析,提取危险部位的应力应变信息建立疲劳损伤参量,引入临界平面法建立疲劳寿命预测模型。运用该模型进行疲劳寿命分析与预测,并进行试验验证。疲劳试验结果表明,控制臂疲劳寿命的平均试验值与预测值比较贴近,说明所采用的疲劳损伤模型,可以应用于汽车金属零部件的疲劳寿命预测上。

基于临界面法的多轴疲劳损伤参量的研究

以薄壁管拉扭疲劳试件为研究对象，在分析多轴损伤临界面上的应力与应变变化特性的基础上，根据多轴疲劳临界损伤平面原理，利用多轴临界面上的剪切应变幅与相邻两个最大剪切应变值γｍａｘ之间的法向应变幅ε＊ｎ作为形成多轴疲劳损伤参量的主要参数，提出基于拉伸和剪切两种形式的多轴疲劳损伤参量。所提出的多轴疲劳损伤参量不含有任何材料常数，并可同时适用与多轴比例与非比例加载情况，且可退化成单轴的形式。

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。

基于损伤力学-临界面法预估多轴疲劳寿命

基于损伤力学理论建立的非线性疲劳寿命预估模型在多轴疲劳寿命预估中获得了广泛的应用,但该模型并未考虑损伤面发生的位置及其物理意义,将其与临界面法相结合提出一种新的多轴非线性疲劳寿命预估模型,新模型能够弥补现有的非线性疲劳寿命预估模型未考虑临界面物理意义的不足。新模型从损伤的角度来预估多轴疲劳寿命,不仅考虑了临界面上裂纹形成及扩展的物理意义、相位差对附加强化现象的影响,而且对非对称加载下的平均应变进行修正。新模型仅仅利用单轴疲劳试验数据以及单轴疲劳材料常数就可以预估出试样的多轴疲劳寿命,从而避免了代价高昂的多轴疲劳试验。采用45钢、316不锈钢、钛合金TC4三种材料的多轴疲劳试验数据对提出的模型进行评估和验证,对几种材料比例/非比例以及对称/非对称加载下的多轴疲劳寿命进行预估,预估结果与试验结果的误差都在5%以内,结果表明提出的多轴非线性疲劳寿命预估模型具有较高的预估精度。

基于损伤累积和权重参数的重载铁路曲线内轨裂纹萌生特征及剥离掉块分析

基于单轮对荷载作用下钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生寿命的预测方法,结合疲劳损伤累积理论,提出基于疲劳损伤累积的钢轨裂纹萌生寿命预测方法,确定转向架前、后轮对累积荷载作用下重载铁路曲线内轨裂纹的萌生寿命及其特征;构造权重参数,用以表征前、后轮对在内轨裂纹萌生过程中各自的作用权重。采用SIMPACK仿真软件建立C70型货车、LM型车轮踏面、U75V钢轨构成的车辆—轨道模型,预测不同曲线半径、超高、轨底坡和摩擦系数工况下内轨裂纹的萌生寿命、萌生位置和开裂方向、权重参数,并与现场试验进行对比。结果表明:内轨裂纹的萌生要早于外轨,并发生在距离轨顶约2~3mm的轨头次表面,车轮对内轨的磨耗作用不大;在内轨裂纹的萌生过程中,随着轨道条件的变化,轮对的权重取值范围可以划分为3个区域,分别对应前轮对作用权重绝对大和相对大以及后轮对作用权重相对大3类情况;大多数内轨裂纹的开裂方向分布在一定的范围之内,但有少部分裂纹的开裂方向异常且在扩展过程中容易产生剥离掉块。

基于塑性应变能的多轴低周疲劳寿命预测模型

在分析多轴疲劳损伤机理的基础上,提出一个新的多轴低周疲劳寿命预测模型。此模型以临界平面上的塑性应变能作为疲劳损伤参量,分析了临界平面的特点并给出了损伤参量的计算过程。利用该模型预测了不同加载路径下的304不锈钢试件的疲劳寿命,并与试验值进行比较。结果表明,该损伤参量具有明确的物理意义,能够适用于多轴比例与非比例等各种复杂的加载情况。

考虑非比例附加损伤的多轴低周疲劳寿命模型

基于临界面法,提出了一种能够反映非比例疲劳寿命锐减现象的多轴低周疲劳寿命模型.与传统临界面模型只考虑附加强化效果不同,新的模型在疲劳损伤参量中引入新定义的非比例附加损伤系数,能综合考虑非比例加载条件下附加强化和载荷路径两种因素对疲劳寿命减少的影响,并且分别以最大切应变和最大损伤平面作为临界面来构建疲劳损伤参量,反映了临界面的选取对模型预测结果的重要影响.从已发表文献中选用8种材料的多轴疲劳试验结果进行验证,新模型能同时适用于比例和非比例加载,并且具有很好的寿命预测精度和材料适用性.

Q235焊接工字形钢支撑的低周疲劳性能试验及数值模拟

对19根Q235材质焊接工字形钢支撑进行了等幅轴向循环位移作用下的低周疲劳性能试验,基于观测到的翼缘出现可见裂纹时的循环次数提出了估算支撑低周疲劳寿命的经验公式。在试验基础上,对支撑滞回性能和低周疲劳性能进行了数值模拟。试验及数值模拟结果表明:试件在第1个弹塑性循环受压时就发生了出平面的整体失稳;从第3或第4个循环开始,支撑的抗压、抗拉承载力及单循环耗能进入到稳定退化阶段。将试验及数值模拟得到的支撑稳定承载力及跨中最大横向变形与相关规范、文献计算结果进行了对比,证实了相关规范、文献的可信性。总体上,数值模拟结果与试验结果吻合较好,但离散性小于试验结果。在数值分析得到的应力-应变结果基础上,利用2种临界面损伤模型预测了支撑裂纹萌生时的低周疲劳寿命,预测的裂纹萌生位置与实测位置一致,预测结果基本位于实测结果的3.5倍分散带以内,偏于安全一侧,同时发现残余应力对支撑的低周疲劳寿命基本没有影响。

基于多轴疲劳理论的曲轴结构等效疲劳研究

采用有限元法,对曲轴进行弯矩载荷作用下的应力分析,并应用坐标变换法对应力集中区域内的应力状态进行分析,确定曲轴的临界平面位置和疲劳损伤的类型。在此基础上选择合适的多轴疲劳损伤模型对由同种材料、不同结构的曲轴的疲劳极限载荷进行预测。预测与试验结果对比表明:传统的名义应力法在预测同种材料、且圆角半径相同的曲轴疲劳极限载荷时具有较高的准确度,但是在预测不同圆角的曲轴的疲劳极限载荷时,误差较大;而采用经典的KBM多轴疲劳损伤模型,能有效准确地预测不同圆角的曲轴的疲劳极限载荷。

基于临界平面法的混凝土疲劳寿命预测研究

利用疲劳分析的临界平面方法和有限元分析手段,以塑性应变能密度为损伤参量,计算混凝土疲劳试件在疲劳载荷作用下的累积损伤,得到损伤累积规律,结合实验结果建立疲劳损伤累积方程,并得到临界最大累积损伤及其产生的位置.考虑载荷水平的影响,得到规范化的临界塑性应变能密度和应力水平的关系方程.结合疲劳损伤累积方程和损伤与应力水平关系方程,对试件疲劳寿命进行预测,预测结果与实验结果吻合很好.

多轴疲劳寿命预测模型的研究

由于疲劳研究的重要性和多轴疲劳问题存在的普遍性，多轴疲劳理论及其应用的研究逐渐受到了广泛的重视。本文通过比较现有的三种寿命估算方法，由静强度准则引伸出的等效应力（应变）法、能量法和临界平面法，分析了其各自的特点。在试验的基础上，确定了控制多轴疲劳损伤的参量，并以疲劳试验中所获得的数据验证了新建的寿命估算模型。

四种多轴疲劳模型的试验评价

利用已有的试验结果,结合SWT、KBM、FS和LKN四种寿命估算模型,采用雨流计数方法和线性损伤律进行低周疲劳寿命预测,比较并分析了将最大损伤面作为临界面对各模型的影响。结果表明,与最大剪应变/正应变面方法相比,最大损伤面方法提高了SWT模型的部分非比例路径的预测结果及KBM模型AV路径和部分非比例路径的寿命预测结果。对于FS模型,最大损伤面方法使TV路径得到了偏于安全的结果;但对LKN模型,该方法对部分路径得到了比最大正应变面更为危险的结果。考虑权函数的影响重新确定临界面进行预测,使KBM模型和FS模型的预测结果得以改善,而对SWT模型和LKN模型,部分预测结果偏于危险。采用统计特征参量对各模型的预测能力进行了定量评价。

多轴疲劳寿命预测及验证

以薄壁管试件为研究对象 ,分析了拉扭联合加载作用下的多轴疲劳应变变化特性·根据多轴疲劳临界平面法原理 ,以临界平面上最大剪应变幅、正应变幅以及表征材料总体损伤水平的非比例度为参数建立多轴疲劳损伤参量 ,结合Manson Coffin方程建立了多轴疲劳寿命预测模型·该模型考虑了材料总体损伤程度·模型中表征材料总体损伤的非比例度是加载参数的函数 ,与多轴疲劳应变变化特性密切相关·试验验证 ,预测寿命误差因子小于 1 5 ·

多轴随机载荷下断裂平面的确定方法

在分析材料平面切应变特性的基础上,提出权值平均最大切应变平面的概念,给出多轴随机载荷下断裂平面的确定方法。该方法中,以材料损伤为权值函数,平均最大切应变峰值点对应的平面方向。通过多轴比例、非比例加载试验验证权值平均最大切应变平面与疲劳裂纹萌生平面的相关性。

镍基高温合金疲劳-蠕变寿命预测的临界面损伤方法

采用临界面损伤方法并耦合疲劳-蠕变寿命模型,通过适当的技术改进,分别对某型航空发动机650℃条件下涡轮盘用材料ZSGH4169高温合金和980℃条件下涡轮转子叶片用材料DZ125定向凝固高温合金的疲劳-蠕变寿命进行预测,并分别比较以W_(alls),C_(cb),S_(wt),G_(lk),和Fin为参数的五种寿命模型的预测精度。算例的计算结果表明:对于ZSGH4169高温合金,以Walls临界损伤平面为参数的寿命模型预测效果较好,预测的结果与实验值相比基本落在±3倍分散带以内;而对于DZ125高温合金而言,以G_(lk)临界损伤平面为参数的寿命模型预测效果较好,预测的结果与实验值相比基本落在±2.5倍分散带以内。

多轴非比例低周疲劳寿命估算方法的研究

利用临界面法、有限元法和实验分析方法对多轴加载条件下低周疲劳寿命估算问题进行了研究。确定了试件在单轴加载、双轴比例加载、双轴非比例加载、三轴比例加载和三轴非比例加载条件下,6种疲劳损伤参量的最大值及临界面位置。在此基础上,估算了试件在不同加载条件下的疲劳寿命,并对损伤模型进行评估。

基于一种新临界面的多轴载荷疲劳寿命预测方法

考虑多轴载荷下路径变化的不确定性,引入权函数的概念,得到一个新的临界面的确定方法。采用雨流计数方法,结合能体现载荷间相互影响的Morrow的非线性损伤律,应用FS(Fatemi Socie)模型对304不锈钢进行非规则载荷下低周疲劳寿命预测。同时采用最大损伤面方法结合FS模型进行寿命预测,结果表明,对该模型而言,结合考虑权函数的影响后得到新的临界面,最大损伤面方法与最大剪应变方法都给出较好的结果。

非线性疲劳损伤累积下钢轨裂纹萌生预测

将考虑荷载作用次序的损伤曲线法与考虑荷载相互作用的疲劳损伤法相结合,修正了非线性疲劳损伤累积模型,提出基于非线性疲劳损伤累积的钢轨疲劳裂纹萌生-磨耗共存发展预测方法,并与其他线性和非线性疲劳损伤累积模型的预测结果进行对比.结果发现:非线性疲劳损伤累积模型计算的累积损伤高于线性疲劳损伤累积模型的结果,其中非线性疲劳损伤累积修正模型得到的损伤累积最大,相应的裂纹萌生寿命最小;对U75V热处理钢轨来说,非线性疲劳损伤累积修正模型预测的裂纹萌生寿命为车轮通过次数约2.58×105次,裂纹萌生于钢轨次表面,距离钢轨表面深度约2.12mm,平均磨耗发展率为2.90μm/万次;Miner线性疲劳累积模型预测的裂纹萌生寿命接近现场观测值的上限,非线性疲劳损伤累积修正模型预测的裂纹萌生寿命接近观测结果中值.