[发明专利]一种多轴疲劳寿命预测方法

说明书

本发明提供了一种多轴疲劳寿命预测方法，涉及疲劳强度设计领域。本方法基于材料临界面上的应力应变状态，提出一个能同时反映多轴度和非比例附加强化的应力因子，通过引入该参数，综合考虑临界面上正应力和切应力对疲劳裂纹萌生的协同作用，得到新的疲劳损伤参量，利用此参量结合修正式的Manson‑Coffin方程，建立新的多轴疲劳寿命预测模型。该模型适用于单轴加载，比例加载，非比例加载等多种场合。

技术领域

本发明涉及一种多轴疲劳寿命预测方法，属于疲劳强度设计领域。

背景技术

疲劳问题广泛存在于工程实践当中，并越来越为人们所重视，零部件的疲劳设计已成为机械设计的重要环节。从单纯的静强度设计到疲劳强度设计，体现了人们对机械服役寿命和可靠性的更高要求。对于绝大多数的机械零部件来说，由于实际工况的复杂性和几何缺陷特征的存在，其工作过程中承受的大多是多轴载荷，其疲劳问题可以划分为多轴疲劳问题。相比于单轴疲劳，多轴疲劳问题更为复杂，特别是多轴非比例加载下的寿命预测问题，还难以找到一个适用于所有材料的方法。

目前解决的办法大多是将多轴加载下的应力应变状态等效到单轴情况，再利用单轴的疲劳理论进行失效判定或寿命预测。从这一角度出发，众多学者提出了例如等效应力应变法、临界面法、能量法等一系列方法。在这些方法当中，临界面法由于其特定的物理意义获得了较为广泛的应用。Brown等最早将临界平面的概念引入低周疲劳领域，他们认为裂纹首先在最大切应变平面萌生，进而在垂直该平面的法向应变作用下扩展。Kandile等在前述工作的基础上，将临界面上的正应变和切应变进行线性组合，提出了KBM模型。Wang等考虑应变非比例度的影响，用相邻最大切应变折返点之间的法向应变变程来代替KBM模型中的正应变，提出了WB模型。Fatemi等认为KBM模型中应变形式的损伤参量不能反映非比例加载下的附加强化，提出用法向应力代替法向应变进行计算。Karolczuk等系统地讨论了各种临界面模型的优缺点，指出进一步研究发展临界面方法的必要性。尚德广等利用von-Mises准则，将临界面上的最大切应变和正应变进行非线性组合，获得更加符合多轴应力应变状态的损伤参量。李静等提出一个应力相关因子来反映非比例加载下的附加强化现象，合理解释了非比例加载下寿命锐减的重要原因。姜潮等发现对于没有附加强化现象的材料，其非比例加载寿命同样远远低于比例加载，提出了考虑加载路径影响的多轴疲劳寿命模型。陈旭等基于临界面法，根据连续损伤力学方法对Manson-Coffin公式的剪切形式进行了修正，提出了类似的多轴疲劳寿命模型。上述模型选用不同的应力、应变组合来构建疲劳损伤参量，考虑了载荷路径和附加强化等因素对疲劳寿命的影响，但是临界面上的应力应变状态随着多轴载荷相位角的不同，表现出不同的特征，上述损伤参量不能很好地反映多轴载荷下临界面上不同应力分量对疲劳寿命的综合作用，因此需要找到一个能同时反映临界面正应力和切应力作用的损伤参量来进行多轴疲劳的寿命预测。

发明内容

本发明的目的在于针对多轴疲劳强度设计的要求，提出一种多轴疲劳寿命预测方法。

本发明所提供的一种多轴疲劳寿命预测方法，其步骤为：

步骤1：获取材料或结构件的临界面（最大切应变平面）应变状态；薄壁圆管试件采用正弦波应变加载：

式中，和分别为轴向应变幅和切向应变幅，为相位角，为应变比；

与试件轴向成角度的平面上的法向应变与切向应变可通过下式确定：

式中，为有效泊松比，和分别为弹、塑性泊松比，一般取值分别为0.3和0.5，和分别为弹、塑性应变；

由上述各式，可以得到角度为平面上的法向应变幅值和切向应变幅值：