[发明专利]一种基于临界应变损伤参量的多轴疲劳寿命预测方法

说明书

本发明公开一种基于临界应变损伤参量的多轴疲劳寿命预测方法，应用于多轴疲劳寿命预测领域，通过基于最大剪应变平面附近最大损伤参量平面上的剪切应变与法向应变损伤，并采用不同的剪切与法向应力修正因子，得到寿命预测模型；以剪应变平面附近的平面作为候选临界面，选择其中最大损伤所在的平面作为临界面，本申请能较好地吻合裂纹发生的方向；并且本申请的多轴疲劳寿命预测模型无需附加材料常数，不用拟合疲劳试验数据，直接采用相应的程序计算寿命，简单快捷，同时本申请提出的寿命预测模型能表征平均应力影响，适应各种复杂路径载荷，且能反映非比例加载的附加强化，对不同材料适应性强，寿命预测准确率高。

技术领域

本发明属于多轴疲劳寿命预测领域，特别涉及一种航空材料GH4169和TC4在所提出的多轴疲劳寿命预测方法下的寿命预测。

背景技术

在工程结构和机械部件中，疲劳危险部位往往承受着多轴疲劳载荷作用，其中大多数属于关键部件，其寿命预测对装备系统可靠性和结构完整性具有重要意义。尤其是航空发动机领域，其转子部件常常承受高温高压以及复杂的交变载荷，其失效问题愈来愈突出，传统的单轴疲劳寿命预测方法已经无法满足当前应用的实际需要，而多轴疲劳方法占据越来越重要的地位。多轴疲劳方法往往能预测单轴拉压，纯扭转，多轴比例与非比例加载下的疲劳寿命，这些特点使得其对于复杂工况下部件的寿命预测具有很好的适用性。随着当前结构设计要求的不断提高和试验研究手段的不断进步，也对多轴疲劳寿命预测精度提出了更高的要求。

目前的多轴疲劳寿命预测方法总体上可以分为等效法，能量法和临界面法。其中临界面法作为多轴疲劳寿命预测领域中最有前途的一种，已经被人们进行了广泛地研究。临界面法是考虑材料平面上的剪切应力/应变与法向应力/应变的组合对疲劳损伤的影响，该方法往往具有较高的精度。但是目前大多数的临界面法都存在附加材料常数，应用较为复杂，而且有限试验数据所拟合得到的材料常数无法利用到广泛的载荷情形下，其结果导致需要大量的附加疲劳试验来获取疲劳试验数据，然后基于这些试验数据来确定附加的材料常数，其成本较大且应用起来不够方便。本发明正是在这一技术背景下，基于临界应变损伤参量，提出了一个无需材料常数、材料适应性强，且具有较高预测精度的多轴疲劳寿命预测方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请提出了一种基于临界应变损伤参量的多轴疲劳寿命预测方法，耦合了材料平面的剪切应变损伤和法向应变损伤，同时针对剪切应变和法向应变对裂纹产生的不同作用，提出了相应的剪切应力修正因子和法向应力修正因子，差异化了各自对裂纹失效的贡献，得到的模型能够适应各种复杂路径载荷，寿命预测准确率高。

本发明采用的技术方案为：一种基于临界应变损伤参量的多轴疲劳寿命预测方法，包括：

S1、对待检测试样进行有限元分析，确定其应力应变分布和临界危险区域；所述临界危险区域中包含若干危险单元；

S2、获取危险部位所在危险单元的12个应力应变随时间变化的分量；

S3、将步骤S2得到的危险单元的12个应力应变随时间变化的分量作为输入，根据临界面法，计算最大剪应变幅，将所有大于0.99倍最大剪应变幅的材料平面作为候选临界面；

S4、计算步骤S3得到的所有候选临界面的剪切应变幅、法向应变幅、最大剪切应力以及最大法向应力；

S5、根据材料的疲劳常数以及步骤S4计算得到的各个候选临界面的剪切应变幅、法向应变幅、最大剪切应力以及最大法向应力，计算每个候选临界面的损伤参量；

S6、将步骤S5中计算出的最大损伤参量对应的候选临界面作为最终临界面，以最终临界面上的损伤参量计算得到待检测试样的疲劳寿命。

进一步地，步骤S5所述损伤参量的表达式为：