[发明专利]一种用于机械构件疲劳裂纹寿命的预估方法

说明书

本发明属于疲劳寿命的技术领域，公开了一种用于机械构件疲劳裂纹寿命的预估方法，所述机械构件采用金属材料制成，且承受轴向载荷的作用，包括以下步骤：步骤一、采用等效应力法建立疲劳裂纹的萌生寿命数学模型；步骤二、计算疲劳裂纹的初始尺寸和临界尺寸，并依据帕里斯经验公式，建立疲劳裂纹的扩展寿命数学模型；步骤三、结合疲劳裂纹的萌生寿命和扩展寿命数学模型，建立疲劳裂纹的全寿命数学模型。本发明可以简便有效地完成对疲劳裂纹的全寿命预估，为机械构件的投入使用及研发设计提供指导意见，降低了研发成本，保证产品的质量，提高产品的可靠性。

技术领域

本发明属于疲劳寿命的技术领域，具体涉及一种用于机械构件疲劳裂纹寿命的预估方法。

背景技术

在实际工程中，机械零部件的疲劳破坏是最常见的破坏形式，其占到总失效的50％-90％。疲劳寿命通常分为两个阶段：疲劳裂纹萌生寿命和疲劳裂纹扩展寿命，疲劳破坏由多重因素导致，如应力水平、零部件材料抗疲劳破坏能力等，一般髙应力水平导致寿命变短，低应力水平时则相对较长，在相同条件下，高韧性、高强度材料疲劳寿命更长。对零部件疲劳寿命的影响包括下几个方面：零部件尺寸与形状，载荷的特性，如载荷的类型、载荷变化的幅值等，应力集中状况也会对疲劳裂纹萌生产生很大影响。

疲劳破坏的发展是一个渐变的过程，通常需要运行一段时间才会导致破坏，而且在该破坏发生之前不会表现出明显的征兆，由于其突发性，使其危险性就相对较髙，必须在进行零部件疲劳设计时，给予足够重视。对于机械结构设计而言，首先要保证其质量稳定可靠，在设计过程中，就需要对零部件的疲劳寿命进行合理预测，不断对设计方案经行可靠性优化，保证产品质量。目前常用的疲劳寿命预测方法主要包括：应力或应变疲劳寿命预测方法、疲劳累积损伤理论以及基于能量的疲劳寿命预测方法等，但普遍存在理论建模难、数据累积难以及试验验证难等问题。

发明内容

本发明提供了一种用于机械构件疲劳裂纹寿命的预估方法，解决了现在计算模型计算复杂，运算效率低，试验验证难等问题。

本发明可通过以下技术方案实现：

一种用于机械构件疲劳裂纹寿命的预估方法，所述机械构件采用金属材料制成，且承受轴向载荷的作用，包括以下步骤：

步骤一、采用等效应力法建立疲劳裂纹的萌生寿命数学模型；

步骤二、计算疲劳裂纹的初始尺寸和临界尺寸，并依据帕里斯经验公式，建立疲劳裂纹的扩展寿命数学模型；

步骤三、结合疲劳裂纹的萌生寿命和扩展寿命数学模型，建立疲劳裂纹的全寿命数学模型。

进一步，所述步骤三中的疲劳裂纹的全寿命数学模型设置为萌生寿命、扩展寿命数学模型之和。

进一步，通过对Ⅰ型裂纹应力强度因子计算公式的反推，计算疲劳裂纹的初始尺寸和临界尺寸。

进一步，所述步骤二中的疲劳裂纹的初始尺寸和临界尺寸的计算方法包括以下步骤：

步骤Ⅰ、利用如下方程式，计算疲劳裂纹的初始尺寸a₀

其中，ΔK_th表示疲劳裂纹扩展阈值，对应于已有疲劳裂纹不再扩展的应力强度因子值，σ_r表示持久极限应力，F表示无量纲系数，主要考虑机械构件的形状因子；

步骤Ⅱ、利用如下方程式，计算疲劳裂纹的临界尺寸a_c

其中，K_IC表示平面应变断裂韧性，材料的固有特性，F表示无量纲系数，主要考虑机械构件的形状因子，Δσ表示名义应力幅值。

进一步，利用如下方程式，建立疲劳裂纹的扩展寿命数学模型N_c