[发明专利]一种包含平均应力影响的金属材料多轴高周疲劳失效预测方法

说明书

技术领域

本文发明涉及金属材料承受轴向平均应力和剪切平均应力下的多轴疲劳载荷时疲劳寿命和裂纹方向的预测问题，利用单轴和纯扭转疲劳性能参数预测多轴高周疲劳寿命，适用于航空航天飞行器中广泛使用的各种金属材料结构。

背景技术

实际工程结构经常承受的是复杂载荷，为了更好地满足结构强度和寿命要求，近年来国际疲劳界对更加符合实际受载情况的多轴疲劳研究更加重视。在工程实际应用中，许多结构和设备如飞机的机身机翼、汽车曲轴、汽轮机转子叶片、压力容器等承受着多轴载荷作用，或者承受复杂的单轴、多轴比例、多轴非比例交互循环载荷作用。但由于多轴疲劳试验的复杂性及其昂贵的费用，工程中常常依据单轴疲劳数据估算多轴疲劳寿命，而单轴载荷并非实际真实载荷情况的反映，因此在判断结构的失效和寿命预测上存在较大的误差。

在分析承受多轴疲劳载荷的结构或部件时，结构由于残余应力、自重、外加载荷等原因承受着轴向平均应力和剪切平均应力的作用，常常简化为“等效”的单轴疲劳问题，但是这样并没有考虑假设是否适合于该受载方式和被考虑的结构或部件。结构在承受多轴疲劳载荷时，如果同时存在有平均应力的作用，因为平均应力一般对结构的疲劳寿命有着不利的影响，所以结构的载荷工况将会更加复杂。并且多轴疲劳失效准则对平均应力很敏感，现在利用已有的现代化设备对航空工业常用的材料进行试验研究，认识平均应力对疲劳寿命的影响规律是必要的。

早期准则的发展是把静强度理论应用到复杂应力状态下的疲劳问题，但是这些都是适用于高周疲劳的应力准则，之后适用于低周疲劳的应变准则得到了发展，所以多轴疲劳失效准则的发展就分成了两类：应力(应变)准则，临界面准则。近年来能量准则也得到了发展。其中多轴高周疲劳失效准则是多轴疲劳问题研究的一个重要方面，这方面的准则主要有三个：等效应力准则，应力不变量准则和临界面准则。等效应力准则在静强度理论的基础上根据试验数据得出，形式简单，工程应用较广，但是缺乏合理的物理背景，一般只适用于比例加载；应力不变量准则大多以静水压力、应力偏量第二不变量为损伤参量，计算方便，但是其对多轴疲劳失效机理解释的有效性还有待验证，并且参数的确定困难，非比例加载时需要进行修正；临界面准则建立在裂纹萌生和扩展的机理上，有一定的物理意义，一般步骤为先选定出临界面，然后评估临界面上的应力(应变)，最后计算疲劳损伤，但是临界面的确定比校复杂。目前在多轴高周疲劳失效模型中对于轴向平均应力和剪切平均应力的影响考虑的很少，文献中有的模型利用临界面上的最大正应力或最大静水压力来考虑平均应力的影响，有的模型只考虑了轴向平均应力的影响而没有考虑剪切平均应力的影响，有的模型当中平均应力的影响系数难以确定，目前关于国内外现有包含轴向平均应力和剪切平均应力影响的多轴高周疲劳失效预测方法没有一种得到广泛认可。本发明正是基于上述背景提出的。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种包含平均应力影响的金属材料多轴高周疲劳失效预测方法，以金属材料的单轴疲劳和纯扭转疲劳性能为基本参数，可以准确地预测存在轴向平均应力和剪切平均应力时金属材料在多轴高周疲劳加载下的疲劳寿命，以及疲劳裂纹萌生和初始扩展的方向，适用于包含轴向平均应力和剪切平均应力影响下的金属材料多轴高周疲劳寿命预测以及疲劳裂纹方向的预测。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种包含平均应力影响的金属材料多轴高周疲劳失效预测方法，实现步骤如下：

步骤A，对金属材料制成的结构的危险部位进行理论计算或者有限元分析，得到危险部位的轴向应力幅σ_x,a、轴向平均应力σ_x,m，剪切应力幅τ_xy,a、剪切平均应力τ_xy,m和轴向应力σ_x与剪切应力τ_xy之间的相位差δ；

步骤B，若由步骤A理论计算或者有限元分析得到的轴向应力幅σ_x,a和轴向平均应力σ_x,m之和没有超过拉伸屈服强度，以及剪切应力幅τ_xy,a和剪切平均应力τ_xy,m之和也没有超过剪切屈服强度时，即没有塑性应变时，则适用于本发明提出的包含平均应力影响的金属材料多轴高周疲劳失效预测模型；否则为低周疲劳，不适用于多轴高周疲劳失效预测模型；