[发明专利]基于非线性疲劳损伤累积理论的构件疲劳寿命评估方法

说明书

本发明公开了一种基于非线性疲劳损伤累积理论的构件疲劳寿命评估方法，其包括采用有限元分析模型对构件在至少一个工况下进行应力分析，并选取应力值大于设定应力的区域作为该工况的危险分析区域；采用构件在一次任务中的载荷施加于有限元分析模型中进行仿真，得到危险分析区域中应力、应变的最大值与最小值；根据危险分析区域中应力的最大值与最小值，计算每个工况的等效应力；根据危险分析区域中应变的最大值和最小值，预测构件在每个工况下的疲劳寿命预测值；根据每个工况下的等效应力和疲劳寿命预测值，计算构件在应力谱下的疲劳累积损伤；根据疲劳累积损伤，计算构件的疲劳寿命。

技术领域

本发明涉及设备寿命的评估方法，具体涉及一种基于非线性疲劳损伤累积理论的构件疲劳寿命评估方法。

背景技术

在工程实际中，机械零构件所承受的载荷大多为变幅载荷，即载荷的峰谷值随时间不断变化。从经济性的角度考虑，直接采用试验的方法测定此类服役载荷下的疲劳寿命显然并不现实。相比之下，恒幅加载下的疲劳试验简单易行，且目前已积累大量试验数据，这样可以通过疲劳累积损伤准则将恒幅载荷下的寿命数据进行等效转换，进而估算结构在变幅载荷下的疲劳寿命。

许多学者在大量试验和理论分析的基础上，提出了多种累计损伤模型。线性疲劳累积损伤模型因其形式简洁，计算效率高，在工程上应用较为广泛，但存在着以下不足：(1)损伤与载荷的状态没有关系。(2)损伤与载荷的历程没有关系。(3)损伤与载荷间的相互作用没有关系。

为了克服上述缺点，有关学者提出了非线性疲劳累积损伤理论并被广泛应用。但是截止目前，尚未有一个综合性模型可把所有上述影响因素全部考虑进去。疲劳累积损伤理论又是结构抗疲劳设计和寿命预测的核心内容，因此对疲劳累积损伤理论的研究十分重要。

现有疲劳累积损伤模型可分为线性累积损伤理论和非线性累积损伤理论。常规疲劳累积损伤理论的基本假设是：(1)材料或构件在任意高于疲劳极限的循环应力幅作用下都将产生疲劳损伤，疲劳损伤的严重程度不但与该应力幅作用次数有关，还与材料在该应力幅下达到破坏的循环次数有关。(2)材料或构件在每个应力幅下产生的损伤是累积的，且在不同应力幅循环作用下所产生的累积总损伤等于每一应力水平下损伤之和。

非线性疲劳累积损伤模型弥补了线性累积模型未能考虑载荷顺序对疲劳寿命影响的不足，考虑了载荷顺序对疲劳寿命的影响，但随着研究的深入，更多待解决的问题也渐渐暴露出来。首先，有些模型中的参数难于确定，需要大量的试验数据才能拟合得出，这就使得模型无法应用于工程实际。同时，非线性模型大多以半经验公式的形式提出，缺乏物理意义，或者无法找出模型中参量的理论依据。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种预测精度高的基于非线性疲劳损伤累积理论的构件疲劳寿命评估方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种基于非线性疲劳损伤累积理论的构件疲劳寿命评估方法，其包括：

采用有限元分析模型对构件在至少一个工况下进行应力分析，并选取应力值大于设定应力的区域作为该工况的危险分析区域；

采用构件在一次任务中的载荷施加于有限元分析模型中进行仿真，得到危险分析区域中应力、应变的最大值与最小值；

根据危险分析区域中应力的最大值与最小值，计算每个工况的等效应力：

其中，σ_i为第i个工况的等效应力；σ_a＝(σ_max-σ_min)/2为应力幅值，σ_max为最大应力，σ_min为最小应力；γ为材料参数；

根据危险分析区域中应变的最大值，预测构件在每个工况下的疲劳寿命：