[发明专利]一种多轴变幅加载下疲劳短裂纹扩展寿命预测方法

说明书

本发明公开了一种多轴变幅加载下疲劳短裂纹扩展寿命预测方法，涉及多轴疲劳强度理论领域，该算法步骤为：(1)通过应力加载下的Wang‑Brown多轴循环计数，得到多个半循环，实现每个半循环上都是多轴恒幅加载；(2)针对临界面不固定的特点，通过权值平均最大剪切应力的方法确定权临界面；(3)在权临界面上多轴疲劳短裂纹扩展模型，得到单个变幅载荷块的裂纹扩展量；(4)对裂纹尖端进行塑性区尺寸修正，通过断裂力学方法计算短裂纹扩展寿命。本方法基可以很好的描述多轴变幅加载对裂纹扩展的影响。结果说明该方法可以较好的预测多轴变幅加载下短裂纹扩展寿命。

技术领域

本发明涉及多轴疲劳强度理论领域，特指一种多轴变幅加载下疲劳短裂纹扩展寿命预测方法。

背景技术

在许多工程领域如核电站、汽车、飞机和压力容器等，结构部件承受复杂的多轴变幅载荷作用，多轴疲劳研究已成为各国研究的一项重要内容。多轴变幅载荷下的损伤累积、裂纹萌生与扩展、寿命预测方法等与单轴加载相比需要考虑更多因素的影响。所以，进行多轴变幅加载下疲劳短裂纹扩展寿命预测方法研究有重要的工程意义。

研究短裂纹问题，有利于从微观、亚微观的层次去认识疲劳，从而了解疲劳的全过程；有利于深入理解疲劳极限、疲劳门槛值，裂纹萌生和早期扩展以及疲劳各个阶段的物理本质。对于多轴短裂纹扩展，由于缺乏应力强度因子的精确解，再加上获得多轴疲劳短裂纹的试验数据较困难，多轴疲劳短裂纹扩展模型的研究进展缓慢。因此，深入研究多轴变幅加载下短裂纹扩展机理与寿命预测方法，并能扩展应用到实际工程领域，是一项非常有意义的工作。

研究变幅多轴计数的问题，常采用Wang-Brown多轴循环计数法。Wang-Brown多轴循环计数法的基本规则是：该方法需要对载荷谱重新排列，计数的起点是整个加载历程中等效应变值最大的点；然后每个变程的起点必须是某个应变分量的峰谷值点，相对等效应变值的计算是相对于每个变程的起点的；每个变程的终点至少满足下面两个条件中的一个：(a)相对等效应变值达到最大；(b)到达已经计过数的部分。针对断裂力学解决裂纹扩展问题，常用的是Mises屈服准则和Paris公式。Mises屈服准则可表述为：在一定的变形条件下，当受力物体内一点的等效应力达到某一定值时，该点就开始进入塑性状态。Paris公式是经验公式，确定了没循环一次裂纹长度的平均增量和应力强度因子之间的关系。

发明内容

本发明目的在于针对多轴疲劳强度设计的需求，提出了一种多轴变幅加载下疲劳短裂纹扩展寿命预测方法。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为一种多轴变幅加载下疲劳短裂纹扩展寿命预测方法，该方法的实现步骤为：

步骤1)：多轴变幅载荷的处理与多轴循环计数；在多轴变幅加载的情况下，通过基于应力加载下的Wang-Brown多轴循环计数，得到多个半循环，每个半循环上都是多轴恒幅加载；实现多轴变幅载荷向多轴恒幅载荷的转换；

步骤2)：权临界面的确定；针对Wang-Brown多轴计数后，临界面不固定的特点，通过权值平均最大剪切应力的方法确定临界面；薄壁管件在多轴恒幅加载状态下，裂纹主要萌生于最大剪应力范围所在的平面；选取权值平均最大剪应变范围所在平面为临界面，利用该临界面上的损伤参量来表征短裂纹扩展驱动力具有明确的物理意义。

步骤3)：权临界面上多轴疲劳短裂纹扩展模型；得到临界面上的剪应力和正应力时间历程，从而得到临界面上短裂纹扩展的两个参数，即每个半循环时间内的最大剪切应力幅Δτ_max和最大剪切应力折返点间的法向应力程利用Mises等效方法将临界面上的两个短裂纹扩展因子进行单轴化等效合成，从而将多轴疲劳问题转化为单轴疲劳问题，该等下应力强度因子ΔK_eff公式为：