[发明专利]基于强化和损伤的移动S-N曲线疲劳寿命预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种材料或零件动态应力－疲劳寿命预测方法，尤其是一种采用移动S-N曲线疲劳寿命预测方法。

背景技术

疲劳寿命是现代设计的一个重要指标，变幅载荷下材料或结构的疲劳寿命评价问题一直是疲劳研究中的重要课题。长期以来人们对疲劳理论进行了深入地探讨，但研究成果在工程上的应用并不普遍，主要原因之一是缺乏简单性和通用性。

传统的疲劳寿命预测方法以S-N曲线为基础，工程中常用的疲劳寿命预测方法（如Miner法则、修正Miner法则、双线性理论以及Corton-Dolan理论等）都不考虑载荷的强化效果，认为强度是单调下降的。在变幅载荷谱下，过多的考虑了载荷的损伤效果，最终导致材料或结构在原始载荷谱下的疲劳寿命预测小于试验疲劳寿命，预测结果过于保守，其主要原因是这些方法在疲劳寿命预测时忽略了载荷的强化效果。

众所周知，载荷循环不仅产生损伤，还产生强化。特别是当载荷处于疲劳极限附近或略小于疲劳极限时，载荷的强化程度和损伤程度比较接近，有时强化程度甚至超过损伤程度。试验结果表明，单一载荷作用时，疲劳极限以上的某些载荷在全寿命中的前30%次循环，材料的强度经历一个上升再下降的过程；疲劳极限以下的某些载荷，可使材料的强度上升并达到某一极限。由此可以推断，材料或结构在变幅载荷下，其强度（包括静强度和疲劳强度）时刻都在发生变化，即材料或结构的S-N曲线是动态变化的。

发明内容

本发明是为了充分考虑变幅载荷下载荷的强化和损伤，认为强度是动态变化的，预测方法更接近实际情况，预测结果更加科学和准确，而提供一种基于强化和损伤的移动S-N曲线疲劳寿命预测方法。

本发明的技术方案是：一种基于强化和损伤的移动S-N曲线疲劳寿命预测方法，其特点是，所述方法的步骤为：

第一、确定材料或零件的应力——寿命曲线，即S-N曲线；

第二、确定材料或零件的强化特性；

第三、根据变幅载荷谱中载荷的循环次数计算材料或零件的强化或损伤量；

第四、根据材料或零件的强化或损伤量移动S-N曲线，计算新的S-N曲线；

第五、疲劳寿命计算，重复步骤三和步骤四直到材料或零件失效——即累积损伤和为1，失效时的载荷累积总循环次数为材料或零件的疲劳寿命。

确定材料或零件的应力——寿命曲线，即S-N曲线具体方法是：通过零件的疲劳试验和试验数据处理，给出不同平均应力τ_m下的一组S-N曲线和估算的疲劳极限，其中估算疲劳极限为零件在该平均应力下循环200万次的应力幅值；根据不同平均应力下的S-N曲线，计算得到试验载荷谱中不同应力级所对应的疲劳寿命。

确定材料或零件的强化特性的具体方法是：不同材料和零件的强化特性通过一系列的疲劳试验得到，当没有具体的强化试验结果时，根据已有的材料或零件的强化特性结果进行估算。

本发明的有益效果是：本发明以传统的疲劳寿命预测方法为基础，在变幅载荷下预测疲劳寿命时，不仅考虑载荷的损伤，还考虑了载荷的强化，预测方法更接近于实际情况。本发明以传统的S-N曲线为基础，预测过程中计算简单、方便。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明作进一步的说明。

以某拖拉机的半轴为例，一种基于强化和损伤的移动S-N曲线疲劳寿命预测方法如下：

一种基于强化和损伤的移动S-N曲线疲劳寿命预测方法的预测步骤为：

第一、确定材料或零件的应力——寿命曲线，即S-N曲线；

第二、确定材料或零件的强化特性；

第三、根据变幅载荷谱中载荷的循环次数计算材料或零件的强化或损伤量；

第四、根据材料或零件的强化或损伤量移动S-N曲线，计算新的S-N曲线；

第五、疲劳寿命计算，重复步骤三和步骤四直到材料或零件失效——即累积损伤和为1，失效时的载荷累积总循环次数为材料或零件的疲劳寿命。

2、具体实例

以某拖拉机的半轴为例，材料为40Cr调质，屈服极限905 MPa，抗拉强度1000 MPa。半轴原始载荷谱经压缩处理后转换得到的试验5级应力谱见下表1所示。

表1     半轴试验载荷谱