[发明专利]一种基于连续介质损伤力学的高温微动疲劳寿命预测模型及其方法

摘要

本发明公开了一种基于连续介质损伤力学的高温微动疲劳寿命预测模型及其方法，该模型基于非线性疲劳损伤累积模型，根据能量密度的概念，引入临界平面能量密度参数以得到适用于微动疲劳的寿命预测模型。在此基础上，引入温度相关的损伤速率因子以考虑温度对结构微动疲劳行为的影响。该模型的应用方法需要利用有限元软件ANSYS，包括步骤：1)建立有限元模型；2)进行仿真计算；3)对计算结果进行后处理；4)参数拟合；5)计算得到微动疲劳预测寿命。该模型及应用方法能对高温下的微动疲劳寿命进行有效预测，具有重要的工程意义。

主权项

1.一种基于连续介质损伤力学的高温微动疲劳寿命预测模型的构建方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1，根据基于连续介质损伤力学的非线性损伤累积模型，定义损伤参量D，损伤参量D为0，表示初始未损伤状态：损伤参量D为1，则认为发生疲劳破坏；非线性损伤累积模型的加载应力考虑了最大应力、平均应力，其函数关系为：dD＝f(σ_max,σ_m,D)dN  (1)式中，D为损伤参量，σ_max为最大应力，σ_m为平均应力，N为疲劳寿命；步骤2，非线性损伤累积模型在单轴疲劳载荷条件下的非线性疲劳损伤演化表达式为：式中，β为材料拟合常数；M(σ)为平均应力的函数，其表达式为：M(σ_m)＝M₀(1‑b₂σ_m)  (3)式中，M₀和b₂为材料常数；a由最大应力σ_max和平均应力σ_m共同确定：式中，σ_b为材料的强度极限；a为由试验数据确定的常数；符号<u>表示函数正的部分，即：σ_l(σ_m)为非对称循环下的疲劳极限，由对称循环下的疲劳极限σ_‑1和平均应力σ_m得到，其表达式为：σ_l(σ_m)＝σ_‑1+σ_m(1‑b₁σ_‑1)      (6)式中，b₁为材料常数，由单轴疲劳试验确定；步骤3，多轴疲劳状态下的损伤演化方程为：式中，为多轴疲劳极限，σ_H,mean为平均静水应力，A_II为多轴疲劳载荷下的等效应力幅；它们的表达式为式中σ_H,max是最大静水应力；σ_H,min是最小静水应力；σ₁₁、σ₂₂、σ₃₃为三个主应力；σ′_ijmax和σ′_ijmin分别为循环中各应力偏量的最大值和最小值；σ₁、σ₂、σ₃为主应力幅；步骤4，考虑到临界平面上的最大法向应力和剪应力以及法向应变振幅和剪应变振幅是微动疲劳损伤的重要参数；根据能量密度的概念，引入临界平面上的SWT参量和CHEN参量；其中SWT参量的表达式为：SWT＝Δε_nσ_n,max   (11)式中，Δε_n是临界平面内法向应变振幅的两倍，σ_n,max是临界平面内的最大正应力；CHEN临界能量密度参量的表达式如下：CHEN＝Δε_nσ_n,max+Δγ_nτ_n,max  (12)式中，Δγ_n是临界平面内剪切应变振幅的两倍，τ_n,max是临界平面内的最大剪切应力；为了反映能量密度对微动疲劳损伤累积的影响，在非线性损伤累积模型中引入临界能量密度参量；根据量纲，SWT参量与CHEN参量都与能量有关；以CHEN参量与SWT参量的比值作为临界面上的能量密度比，得到适用于微动疲劳的非线性损伤累积模型，它表示为：其中，w通过微动疲劳试验数据拟合得到；步骤5，为体现温度对微动疲劳损伤速率和寿命的影响，引入温度相关的损伤累积速率因子ν，对公式(1)进行补充修正，得到考虑温度的非线性损伤累积模型函数关系式，即：dD＝ν·f(σ_max,σ_m,D)dN  (14)损伤累积速率因子ν只与温度相关，其表达式为：ν＝(1+R_t)^m  (15)式中，m为高温微动疲劳实验拟合指数，R_t为温度比，其表达式为：式中，T为材料的工况温度，T_m为材料的熔点温度，T₀是常温；通过引入的上述温度相关的损伤速率因子ν对公式(13)所示的非线性损伤累积模型进行修正，得到考虑温度的微动疲劳非线性累积损伤模型：由N＝0时，D＝0；N＝N_f时，D＝1，对上式进行积分即得到考虑温度的基于连续介质损伤力学的微动疲劳寿命预测模型：式中m，k，w三个系数由微动疲劳实验数据拟合得到；N_f为疲劳循环寿命，下标f表示微动疲劳；β、a、b₁、b₂和M₀均为材料拟合常数，以通过单轴疲劳试验确定，其中，和β由对称循环下的材料单轴疲劳试验的应力‑寿命曲线确定；b₁和b₂由非对称循环下的应力‑寿命曲线确定；σ_eqv.max为最大等效应力。