[发明专利]一种基于双线性累积损伤的时变疲劳可靠性分析方法

说明书

技术领域

本发明属于疲劳可靠性分析与疲劳寿命评估技术领域，具体涉及一种疲劳失效的可靠性分析方法。

背景技术

疲劳破坏目前已成为大多数机械装备结构的主要失效模式之一。据统计，机械零构件由疲劳而引发的断裂破坏已高达50％～90％。疲劳现象已遍布航空航天、轨道交通、船舶海洋、桥梁建筑、机械制造等多个领域，由此引发的疲劳事故已层出不穷。疲劳破坏具有很强的隐蔽性和突发性，破坏前无明显的征兆，对机械装备的安全运行构成了严重威胁，一旦发生破坏易于造成重大事故和生命财产损失。机械装备零构件或结构的疲劳寿命及其可靠性是制约装备整机寿命和系统可靠性水平的关键因素。机械结构的疲劳失效是结构内部损伤不断累积的过程，当累积损伤达到损伤阈值时即发生疲劳破坏。在工程实际中，疲劳损伤的特征表现为累积损伤的不可逆性和随机性，其随机性包含构成材料疲劳属性的内在分散性和与服役载荷、环境等因素相关的外在分散性。由于疲劳失效过程具有随机性和不确定性，疲劳可靠性分析是结构抗疲劳设计的重要内容之一。基于疲劳累积损伤的可靠性建模既要符合疲劳失效的物理机制，还要能正确描述累积损伤过程中的不确定性。

疲劳累积损伤理论为结构寿命预测和可靠性分析提供了有效途径，根据累积损伤的形式，该理论可分为线性、非线性和双线性损伤法则。其中，线性损伤法则或Miner法则因其形式简单在结构疲劳分析中得到了广泛应用，但该法则存在以下两个缺陷：①它对疲劳失效机制进行了简化，未考虑载荷加载的顺序效应；②它是一个确定性的累积损伤理论，不能反映累积损伤的分散性和不确定性。针对第一个缺陷，许多学者提出了各种形式的非线性损伤理论对Miner法则进行修正，这些非线性模型具有特定的物理基础，能够较好地解释载荷顺序效应。但是，该理论同样属于确定性理论，且模型参数较多，可靠性建模过程复杂，难以在工程实际中得到应用。针对第二个缺陷，现有常用的方法是通过引入概率统计理论进行不确定性建模与分析，量化或表征累积损伤过程中的随机性。但这些建模方法大多仍以Miner法则为依据，无法揭示失效过程的物理本质。

从微观物理角度分析，疲劳全寿命周期包含疲劳裂纹萌生和疲劳裂纹扩展两个阶段。双线性累积损伤理论正是以这两个阶段为基础，在每个阶段下均采用线性累积损伤法则进行建模。该理论形式简单，能正确描述失效过程的两阶段特性，物理意义明确。为此，本发明以双线性损伤理论为基础建立概率累积损伤模型。同时，考虑到疲劳载荷作用的时变特性，结合应力-强度干涉模型，构建基于“累积损伤-临界损伤”动态干涉模型，进行时变疲劳可靠性分析，为机械装备的安全评定、维修决策和健康管理提供理论支撑。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提出了一种基于双线性累积损伤的时变疲劳可靠性分析方法，综合考虑疲劳失效过程裂纹萌生和裂纹扩展的两阶段特性以及累积损伤过程中的随机性，构建基于“累积损伤-临界损伤”时变可靠度模型，实现了疲劳全寿命周期内的可靠度预测。

本发明采用的技术方案是：一种基于双线性累积损伤的时变疲劳可靠性分析方法，包括：

A、确定疲劳寿命数据的概率分布类型及其统计特征参量；

B、选取合适的参考寿命建立双线性累积损伤物理模型；

C、根据双线性累积损伤物理模型建立概率累积损伤模型；

D、根据应力-强度干涉理论建立时变疲劳可靠度模型；

E、绘制可靠度曲线并与试验结果进行比较。

进一步地，所述步骤A具体包括：

A1、根据等幅加载疲劳试验，分别收集整理不同应力级别下的若干组疲劳寿命试验数据；

A2、将步骤A1收集到的疲劳寿命试验数据按从小到大进行排序，计算各应力级别对应的疲劳寿命均值和疲劳寿命标准差；

A3、将步骤A1收集到的疲劳寿命试验数据进行对数标准化处理，形成对数寿命数据序列，并计算得到各应力级别对应的疲劳寿命数据的统计特征参量，所述疲劳寿命数据的统计特征参量包括：疲劳寿命的对数均值和疲劳寿命的对数标准差；

A4、根据步骤A3的对数寿命数据序列绘制概率纸，确定疲劳寿命的概率分布类型。

进一步地，所述步骤B具体包括：

B1、将最大应力级别对应的疲劳寿命均值作为参考寿命水平；选取疲劳极限附近的寿命水平10⁷作为基准寿命水平，并绘制双线性损伤中值曲线；