[发明专利]一种基于有限元法的应力-循环次数（S-N）的疲劳失效算法

说明书

本发明公开了一种采用有限单元算法用于计算结构疲劳失效中标准应力‑循环次数（Stress‑Number，简称S‑N）的统计和评估软件程序方法。通过该方法的统计和计算，可以评估出各种结构在循环载荷作用下的使用寿命和残余寿命，这对材料结构在各种实际应用的工况寿命预测，防止零件结构失效导致的危险状况的预警都具有十分重要的意义。本方法采用的步骤整体框架按照前后顺序排列，主要包括：获取应力张量历程→从应力张量中提取复合应力参数→雨流计数将应力历程结合来获取一系列雨流循环→从定义的S‑N曲线中计算和估计损伤，四个步骤。

技术领域

本发明涉及一种评估和计算结构疲劳的方法，更具体而言，涉及一种基于有限单元算法来计算结构应力-循环次数（S-N）的累计损伤叠加及使用寿命的预测方法。

背景技术

实际结构多承受动态载荷作用，其承受的应力水平远低于强度极限和屈服极限，但却会产生意料之外的突然破坏。自Wohler将疲劳纳入科学研究范畴至今，疲劳研究过程一直在持续，疲劳的真正机理及其科学描述还未能很好的解决。

1829年前后德国人Alert首先对金属疲劳进行研究，他对铁质矿山升降机焊接链条进行了反复加载试验，发现在定的反复加载次数下,焊接链条发生了破坏]。1839年法国人Poncelet首先使用了“疲劳”的概念来描述金属在载荷反复作用下的开裂现象。

之后,Wohler首次开展了金属试样的相关疲劳试验,提出了金属疲劳概念后,人们开始研究金属材料疲劳强度与寿命,完善了疲劳试验的方法和手段,搭建了金属疲劳断裂理论的基本框架,为开展工程结构的疲劳研究提供了理论基础。

1871-1899年期间,德国工程师Gerber开始研究疲劳设计方法[24],提出了考虑平均应力影响的疲劳寿命计算方法,Goodman提出了常规疲劳设计用的疲劳极限线图。1881年Bauschinger发现金属在反向载荷作用下的弹性极限可能与在单向形变中所观察到的存在差异,确认了循环应变软化和循环应变硬化的出现。

随后，Ewing等人所开展的研究摒弃了过时的晶化理论对疲劳机制所做的解释。通过研究瑞典铁的疲劳,发表了试样表面循环损伤的光学照片,证明了在多晶体材料的许多晶粒内都会出现滑移带,滑移带在循环载荷作用下逐渐变宽,并导致裂纹。

Miner在大量疲劳损伤问题的基础上,将1924年提出的线性累计损伤公式,形成了FPalmgren—Miner线性累积损伤法则。

发明内容

本发明公开了一种采用有限单元法为基础的，以应力-循环次数（S-N）的累计损伤的结构寿命的预测的程序化计算方法。该程序化方法包含了应力张量历程的计算和统计，程序进行疲劳寿命预测计算过程中复合应力的提取方法，疲劳损伤的计数和统计方式，结构剩余寿命的统计方式，应力组合方式，评估疲劳损伤的S-N曲线的插值和相关的提取方法等。

根据本发明的另一方面，将每个独立的外部载荷通过峰谷提取及雨流计数等手段来组合成一组载荷的时间历程事件，这样极大地方便了承载结构的疲劳损伤的计算和剩余寿命的预测。

结合附图来审阅本发明实施方式的下述详细说明，本发明包含的其它目的，特性及优点将变得更显著。

附图说明

结合下面的说明、未决的权利要求和附图可以更好地理解本发明的这些和其它特征方面的优点。附图中。

图1 SN分析的整体流程图。

图2 采用应力梯度修正的S-N分析过程流程图。

图3简单双轴或多轴评估S-N分析流程图。

图4 自动多轴评估的S-N计算过程。

图5 单通道下的峰谷提取。

图6峰谷序列。