[发明专利]一种考虑低于疲劳极限加载的疲劳损伤分析方法

说明书

本发明涉及一种考虑低于疲劳极限加载的疲劳损伤分析方法，当加载的疲劳载荷的幅值是高‑低两级加载或高低交替加载时，结构在高幅值载荷作用下产生初始损伤，再受到低于疲劳极限载荷的作用，材料的疲劳性能会持续劣化，对疲劳损伤累积造成影响；基于模糊数学理论提出了一种改进的非线性连续损伤累积模型，利用隶属函数考虑低于疲劳极限载荷引起的损伤。该模型以连续损伤力学为基础，将载荷参数与损伤参量相关联，体现了加载顺序变化对疲劳损伤的影响；同时利用强化函数和隶属函数描述了低于疲劳极限的小载荷所引起的损伤参量。通过逐级推导建立了综合考虑载荷参数特征的多级加载疲劳损伤累积模型，保证了机械结构寿命预测及损伤评估的可靠性。

技术领域

本发明属于结构强度领域。具体地，涉及一种在加载过程中存在低于疲劳极限载荷的加载条件下的结构疲劳损伤预测方法，用于航空、海洋等工程中材料、部件和结构的高周疲劳损伤分析。

背景技术

疲劳断裂是交变加载下结构失效的主要方式之一。疲劳寿命预测和损伤评估的研究不仅可以有效地避免失效事故的发生，还可以指导结构设计、安全评估以及材料和结构的优化。然而，航空、海洋等工程结构的服役环境恶劣、加载条件复杂，疲劳试验不能准确还原结构工作过程受到的载荷谱，而疲劳损伤理论模型所考虑的载荷参数也十分有限，导致结构寿命预测及损伤评估与工程实际存在较大的误差，结构强度及疲劳损伤问题突出，现有的疲劳损伤预测方法已不能满足工程应用的需要。

疲劳损伤研究包括试验和仿真两种方法：疲劳试验能准确反映材料的疲劳特性、获取不同条件(如改变振动频率、应力、应变等参数)下的试验数据，为寿命模型的建立与修正奠定基础，但疲劳试验成本较高，并且试验载荷通常进行一定的简化；疲劳仿真建模则降低了疲劳损伤研究的成本，可以使用与实际相符的复杂载荷谱来进行结构的疲劳损伤分析和寿命预测。常用的疲劳损伤预测方法包括以下几种：

(1)基于线性损伤的疲劳寿命预测

线性损伤累积理论是疲劳损伤研究中应用最为广泛的方法。该方法建立在以下几点假设的基础上：1)损伤参量与应力参数相对独立，每循环的损伤仅与加载水平相关。对于相同的应力水平，不论加载在疲劳损伤的前期或后期，所对应的加载循环造成的损伤是相同的，并未考虑加载过程中材料劣化对疲劳损伤的影响；2)无论加载载荷的顺序是先高后低或是先低后高，载荷次序的变化并不影响损伤参量及损伤累积行为；3)只有高于疲劳极限的加载才会对损伤累积造成影响。上述假设条件导致线性损伤理论的预测精度较差，但由于其应用时的简便性，仍广泛应用于工程计算中。

(2)基于非线性损伤的疲劳寿命预测

为了克服线性损伤理论忽略加载顺序的缺陷，非线性损伤理论通过在损伤模型中引入与载荷相关的变量，反映了载荷顺序对疲劳损伤累积的影响。然而，非线性损伤理论的应用过程中，对于所研究结构的每一级加载条件，都需要通过相应材料的疲劳试验数据计算其载荷相关参数。因此，对于加载过程较为复杂的工程结构，其应用性较差，同时多次参数拟合带来误差，导致计算结果与试验结果有较大的差异。

(3)基于双线性损伤的疲劳寿命预测

双线性损伤累积理论以非线性损伤理论为基础，将疲劳损伤累积的过程划分为裂纹萌生和裂纹扩展两个阶段，每一阶段依照不同的非线性损伤规律进行计算，符合损伤在不同阶段发展规律的情况。该方法较非线性损伤理论具有较好的工程应用性，但是简单地将损伤累积过程划分为两个阶段，不能准确表达实际的疲劳损伤演化过程。此外，裂纹萌生和裂纹扩展两个阶段的转折点不容易确定，在计算工程问题时存在较大的误差。