[发明专利]基于主载荷模式的缺口件疲劳寿命预测方法及预测装置

说明书

本发明公开一种基于主载荷模式的缺口件疲劳寿命预测方法及预测装置，包括：建立缺口件的有限元模型；对缺口件的有限元模型的网格数进行收敛性分析；采用多轴循环计数算法计数所有的反复；通过材料的循环应力应变关系和Neuber法推导出虚拟等效应变与真实等效应力之间的关系；分别将拉伸型和剪切型Shang‑Wang多轴疲劳损伤参数替换虚拟等效应变幅来求解临界面上的真实等效应力幅；通过真实等效应力幅和Neuber法则来计算临界面上真实的拉压和剪切等效应变幅，并运用Manson‑Coffin方程来分别计算缺口部件的拉压和剪切疲劳寿命；选择拉压和剪切疲劳损伤值中的较大值作为每个计数反复的疲劳损伤，并采用Miner法则来进行疲劳损伤累积并预测疲劳寿命。

技术领域

本发明涉及多轴疲劳强度理论领域，具体地说，涉及基于主载荷模式的缺口件疲劳寿命预测方法及预测装置。

背景技术

光刻机作为大规模集成电路的生产制造设备，其发展程度直接影响着半导体芯片的集成度及性能，因此光刻机的研发受到国家的高度重视。光刻机结构中存在大量的几何不连续的部位，如螺纹、键槽、油孔等，这使得构件截面尺寸发生突发变化。并且，这些结构部位通常是在多轴变幅载荷的作用下工作的，多轴疲劳破坏是其主要的破坏形式。目前，局部应力应变法可以较为成熟地应用于单轴缺口疲劳寿命预测。但是对于承受多种载荷作用的多轴缺口疲劳研究，其研究成果还很不成熟。特别是对于多轴变幅非比例载荷作用下缺口部件的疲劳问题，至今还没有较为成熟的疲劳寿命预测方法。

多轴疲劳问题相比单轴疲劳问题复杂的最大原因在于材料的多轴非比例疲劳行为。在多轴非比例加载过程中主应变/应力轴发生旋转，这导致材料微观结构和滑移系发生变化，表现出在单轴或多轴比例加载过程中都不存在的非比例附加循环强化现象。非比例附加强化现象使得材料的循环本构关系变得复杂，也使得多轴非比例加载下的疲劳寿命估算变得困难。因此，为了保证机械结构安全可靠地运行，防止突发性地疲劳破坏带来的经济和财产损失，研究适合工程应用的多轴变幅载荷下缺口件的疲劳寿命预测方法具有重要的理论意义和工程应用价值。

发明内容

本发明的基于主载荷模式的缺口件疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：

利用有限元方法建立缺口件有限元模型并划分网格；

利用有限元方法对缺口件有限元模型施加约束和载荷，获得缺口区域的虚拟应变历程^eε_ij(t)；

利用Wang-Brown多轴循环计数算法获得总的循环计数n；

对应每个循环计数，进行拉伸型缺口件疲劳寿命预测，获得循环载荷产生的拉伸疲劳损伤值D_ε；

对应每个循环计数，进行剪切型缺口件疲劳寿命预测，获得循环载荷产生的剪切疲劳损伤值D_γ；

对应每个循环计数，如果D_ε≥D_γ，则选择拉伸型疲劳损伤模型估算疲劳损伤；如果D_ε＜D_γ，则选择剪切型疲劳损伤模型估算疲劳损伤。

优选地，拉伸型疲劳损伤模型和剪切型疲劳损伤模型估算疲劳损伤的判定公式如下；

其中，是临界面上的真实等效正应变幅；

是临界面上的真实等效剪切应变幅；

σ′_f，ε′_f，b，和c分别是疲劳强度系数，疲劳延性系数，疲劳强度指数和疲劳延性指数，

N_fε是拉伸疲劳寿命；

其中，τ′_f是剪切疲劳强度系数；

γ′_f是剪切疲劳延性系数；