[发明专利]基于Paris公式的疲劳寿命分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种结构疲劳全寿命分析方法。

背景技术

机械机构在使用过程通常会受到交变载荷的作用，疲劳破坏是结构破坏的一种主要形式。在疲劳寿命分析中，对于裂纹形成寿命的预测，通常采用疲劳累积损伤理论，而对于裂纹扩展寿命的预测，则采用断裂力学的理论。由于这两种理论给出的寿命不能很好地衔接起来，不便于构件的疲劳全寿命分析，材料的疲劳破坏本身是一个连续变化的过程，因此用一个统一的理论来计算结构的疲劳寿命分布是可行的，在将断裂力学理论应用于疲劳寿命分析，建立适合于疲劳裂纹形成和扩展全过程的寿命计算模型中，取得了一定的进展。

目前对疲劳结构的疲劳全寿命分析方法主要采用以下两大类方法：

1)由El Haddad，Topper和Smith在1979年实现的基于“小裂纹”理论的疲劳全寿命预测分析技术，该方法是在裂纹长度上添加了虚构的裂纹尺寸a₀，但是现有a₀的确定方法具有局限性，不能考虑载荷、裂纹闭合效应、结构应力集中等的影响；

2)由Forman，Newman，De Koning和Henriksen发展的裂纹扩展公式，该公式可以考虑小裂纹扩展阶段，但是该方法应用中需要针对该模型重新获得裂纹扩展材料常数，这就需要进行大量的试验进行测定，影响了工程应用的效率；

3)基于位错理论的滑移带模型，该模型从理论的角度进行了推到获得了结构的疲劳寿命分析技术，但该技术应用复杂，需要对材料的微观材料常数，在工程中应用不方便。

发明内容

为了克服现有技术在工程应用中的复杂，以及需要测量大量的材料常数的不足，本发明提出了一种基于应力比R＝0的裂纹扩展数据和疲劳寿命曲线的全寿命分析方法，能够运用现有的材料常数，对结构进行常幅载荷和随机载荷谱下的结构疲劳全寿命分析，减少了材料常数的测试的费用和时间，为实际结构进行疲劳全寿命分析提供了一种可行的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

第一步：通过材料静力学试验或查阅现有材料数据库获得材料的力学性能数据，包括弹性模量E、泊松比μ、屈服强度σ_ys、强度极限σ_b和材料颈缩比 

第二步：通过疲劳裂纹扩展试验或查阅现有的材料性能手册获得材料的疲劳SN曲线和应力比R＝0时的Paris材料常数；

第三步：查阅应力强度因子手册或通过有限元分析获得结构的应力强度因子曲线；

第四步：进行裂纹长度影响因子a_S的计算，这里裂纹长度影响因子a_S是为了将损伤容限的概念扩展运用到小裂纹阶段，a_S是一个对小裂纹状态下的裂纹长度的修正，相对宏观参量裂纹长度a是一个微观小量；

第五步：采用基于Paris的疲劳全寿命计算公式从初始裂纹长度a₀到临界裂纹长度a_C进行裂纹扩展寿命积分计算，得到最终结构疲劳全寿命；

第六步：输出基于Paris的疲劳全寿命。

所述第四步裂纹长度影响因子a_S的计算包括以下步骤：

1)给出基于三参数的SN曲线的疲劳寿命

N_f＝C_S(σ_max-σ₀)^-k    (1)

其中，σ_max为当前循环载荷的最大应力；σ₀为材料的疲劳极限；k、C_S为SN曲线材料参数；

2)考虑裂纹长度影响因子a_S的Paris的裂纹扩展表达式如下