[发明专利]应力强度因子门槛值概率建模的金属结构疲劳可靠性预测方法

说明书

本发明提供了一种应力强度因子门槛值概率建模的金属结构疲劳可靠性预测方法，其包括：构建金属结构部件的应力强度因子概率模型，构建金属结构部件的裂纹传播概率模型，构建金属结构部件的应力强度因子门槛值概率密度函数，构建考虑应力强度因子门槛值不确定性的金属结构部件疲劳耐久性可靠性模型，基于考虑应力强度因子门槛值不确定性的金属结构部件疲劳耐久性可靠性模型，获得金属结构部件允许的最大裂纹尺寸。本发明考虑了与疲劳裂纹扩展速率模型有关的不确定性，将应力强度因子门槛值的概率分布引入确定性K‑T图中，实现疲劳耐久性可靠性的严格建模，可生成不同可靠性约束下的极限状态面而进行定量分析，适用性强。

技术领域

本发明属于疲劳可靠性技术领域，特别是一种应力强度因子门槛值概率建模的金属结构疲劳可靠性预测方法。

背景技术

在齿轮齿、涡轮叶片和经历高频负载的火车轮等金属结构部件上，疲劳极限是无限疲劳寿命设计的重要参数之一。1860年，在发现金属疲劳现象的开创性工作中，就提出了寿命曲线和疲劳极限的概念，并一直沿用至今。疲劳极限也称为持久极限，被认为是极限应力，在此应力之下，所施加的循环应力对材料没有不利影响，材料从而获得了所谓的无限疲劳寿命。然而，对于实际工程应用的金属材料，由于冶金技术和杂质作用，材料会不可避免地有宏观或微观的缺陷。如果忽视材料内缺陷引起的裂纹扩展影响，将引发灾难性后果。

在过去20年里，由于材料、制造以及载荷、温度等外部因素的固有不确定性，疲劳可靠性问题得到广泛关注。近年来新能源和数字孪生等新兴领域快速发展，疲劳可靠性问题越来越受到重视。为了对含缺陷材料无限疲劳寿命设计的可靠性进行分析，必须系统地处理两个关键问题。第一，最大允许的应力循环范围不应超过无表面缺陷理想状态下的疲劳极限；同时，当含有制造引起的缺陷时，如微尺度的孔隙、缺口和夹杂物，最大允许循环应力范围不应导致裂纹的扩展。第二，必须以合理的方式考虑固有的不确定性。在线弹性断裂力学的范畴，疲劳裂纹扩展速率(FCGR)受应力强度因子(SIF)的影响。应力强度因子与裂纹的大小、单载荷周期内的应力范围以及裂纹的形状或几何形状成正比。当应力强度因子小于其门槛值(ΔK_th)，裂纹将停止增长或以可忽略的速度增长，零件仍然可以达到无限的疲劳寿命。因此，为了解决这两个关键问题，有必要将疲劳极限与应力强度因子门槛值联系起来，使得最大允许的循环应力范围不超过疲劳极限，防止裂纹扩展。由于影响疲劳裂纹扩展门槛值的确切机制尚未研究透彻，难以精确表述ΔK_th。实际中需根据疲劳裂纹扩展测试数据确定ΔK_th，在不断减少施加的应力强度因子值同时，监测疲劳裂纹扩展速率。当扩展速率小于规定值，施加的应力强度因子被作为ΔK_th。实验证明，许多因素都会影响门槛值ΔK_th，如试验环境大气可能导致门槛值降低，在不同应力比下塑性引起的裂纹闭合可能增加或减少门槛值，材料的微观结构特性如晶粒大小、形状和织构影响材料屈服强度等机械参数影响门槛值。因此，由于这些外在和内在的影响因素，应力强度因子门槛值ΔK_th具有很大的不确定性。使用确定性的方法来确定ΔK_th是不合理的，无法说明材料固有不确定性。另外，通过将门槛值ΔK_th作为一个单独的拟合参数，使用拟合的统计下限来减轻不确定性风险，但由于在门槛值区域附件的渐进性质，很难选择一个合适的拟合模型。尽管有许多研究针对了疲劳可靠性问题，但仍然很少看到合理的应力强度因子门槛值概率模型。因此，为解决上述两个关键问题，寻求一种应力强度因子门槛值概率建模的金属结构疲劳可靠性预测方法，以更加系统地进行疲劳耐久性可靠性分析是十分迫切且必要的。

发明内容