[发明专利]多轴热机械加载下缺口根部应力-应变状态评估方法

说明书

本发明公开了一种多轴热机械加载下缺口根部应力‑应变状态评估方法，涉及一种快捷的缺口修正方法，即用材料的应力‑应变曲线的斜率和结构的应力‑应变曲线的斜率的比值乘以缺口根部的虚应力增量，来计算缺口根部的真实应力增量。然后，以上缺口修正方法结合了一种能够较好描述材料高温变形行为的统一型粘塑性本构模型。利用GH4169材料的枞树形结构件的多轴热机械非线性有限元分析数据对本方法进行了验证，发现本方法能够精确评估多轴热机械加载下缺口根部的应力‑应变状态。因此，本方法能够提高航空航天、军工设备和其他产品热端部件疲劳强度设计的可靠性，具有重大工程意义。

技术领域

本发明属于多轴热机械疲劳强度理论领域，尤其涉及一种多轴热机械加载下缺口根部应力-应变状态评估方法。

背景技术

桥梁、船舶和飞机等实际工程结构中存在大量缺口，同时实际结构在加工、使用过程中由于各种原因也会不可避免地造成一些缺陷，这些缺口或缺陷由于应力集中往往成为疲劳的敏感部位。并且，这些结构件大多在多轴循环载荷下工作，即使构件本身在简单载荷下工作，结构缺口根部也会处于复杂的局部多轴应力-应变状态，导致疲劳裂纹常常在危险点处萌生，进而引发零部件的多轴疲劳失效。为了防止缺口部件发生突发性的疲劳破坏并保证机械结构安全可靠地运行，有必要对结构缺口根部进行疲劳强度设计。

缺口根部应力-应变状态的确定是局部应力-应变法预测疲劳寿命的关键，常用的求解方法有三种：试验法、弹塑性有限元法和近似计算法。试验法直观准确，但周期长、费用高，一般不采用。弹塑性有限元法虽然计算精度较高，但有时很难确定材料的精确循环本构关系，而且对于复杂结构及复杂载荷工况其计算量非常大，在使用中往往受到限制。因此，近似计算法得到了迅速的发展和推广。

目前，多轴热机械加载下缺口根部应力-应变状态的近似计算法成为了研究热点，其中多轴热机械加载是指非等温高温条件下的多个方向的机械加载。为了提高航空航天、军工设备和其他产品热端部件疲劳强度设计的可靠性，迫切需要一种多轴热机械加载下缺口根部应力-应变状态评估方法。

发明内容

本发明目的在于针对多轴热机械疲劳强度设计的需求，提出了一种多轴热机械加载下缺口根部应力-应变状态评估方法。

本发明采用的技术方案为一种多轴热机械加载下缺口根部应力-应变状态评估方法，本方法的实现步骤如下：

步骤(1)：读取名义应力和温度T历程，名义应力表达为：

并且，基于名义应力历程，ij表示力学角标，计算机械结构缺口根部的虚应力历程，虚应力表达为：

轴向虚应力横向虚应力和扭向虚应力的计算公式为：

其中，K_xx为轴向应力集中系数，K′_xx为横向应力集中系数，K_xy为扭向应力集中系数；

然后，将缺口根部的虚应力历程处理成虚应力增量的形式；

步骤(2)：利用屈服准则判断虚应力是否进入非弹性阶段，屈服准则f为：

f＝J(σ_ij-X_ij)-R-k

其中，σ_ij为应力，χ_ij为背应力，J(σ_ij-χ_ij)为(σ_ij-χ_ij)的von Mises等效应力，R为拖曳应力，k为初始屈服应力；

如果f＜0，则虚应力在弹性阶段，此时真实应力也在弹性阶段，进入步骤(3)继续计算；