[发明专利]总应变能密度修正的缺口件低周疲劳预测方法

说明书

本发明为一种总应变能密度修正的缺口件低周疲劳预测方法，主要包括(1)进行材料的拉伸性能试验，得到材料最基本的力学性能。(2)进行标准件的疲劳性能试验，得到循环应力应变曲线，建立材料的总应变能密度与疲劳寿命的方程。(3)通过有限元分析获得缺口件在不同时刻的应力分布。(4)选取缺口根部作为疲劳危险点，根据载荷作用方向提取应力数据得到危险点处的应力变程。(5)分别计算危险点的弹塑性应变能密度，根据修正系数对危险点的总应变能密度进行修正。(6)将修正后的总应变能密度带入材料的总应变能密度与疲劳寿命方程中得到预测结果。本发明解决了总应变能密度评估低周疲劳寿命时过于保守的问题，且预测精度高，稳定性好。

技术领域

本发明涉及对含缺口的结构进行低周疲劳预测的问题，具体涉及一种基于总应变能密度的疲劳评估方法。

背景技术

疲劳失效是材料在低于正常强度的情况下经过若干周期的循环载荷作用发生破坏的现象。在当今众多行业如车辆、航空、航海、桥梁、冶金、电力等，主要结构都会承受各种复杂的循环变化载荷，疲劳失效是这些机械零件最主要的失效形式之一。由于疲劳失效的裂纹萌生期时间长，在快速扩展前难以发现，每年都会因此发生重大的事故，造成巨大的经济损失，这使得人们对材料疲劳失效问题的研究给予了高度的关注。在结构设计中，难免会出现台阶，圆孔，凹槽等结构，将这些结构统称为缺口。缺口结构会导致构件在受载时出现局部的应力集中，这些薄弱环节会成为疲劳裂纹的萌生源，大大降低整体的强度。在装备大型化发展的今天，以压力容器为例，常常每天只受到几个循环的载荷，为保证装备在服役期间能安全工作，低周疲劳问题的研究备受关注。

目前对含缺口结构的疲劳寿命进行研究通常包含材料标准试样的疲劳试验，缺口件的疲劳试验和有限元数值模拟，已发展出了多种疲劳预测方法如局部应力应变法，临界距离法，应力场强法等等，这些方法有各自的适用范围，繁多的预测方法并没有统一。材料在每个循环载荷内由于变形产生的能量累积达到一定程度时会发生失效破坏，以此原理发展出了基于应变能的疲劳预测方法。材料在每次循环产生的弹性变形和塑性变形能量之和为总应变能密度，通过计算缺口件根部的最大总应变能密度并与材料标准件的试验结果进行对比可以进行疲劳寿命的预测。但是最初该方法进行预测由于只考虑缺口根部一点的能量，未考虑缺口周围的应力分布情况，对高周疲劳的预测具有较好的应用，但在局部发生较大塑性变形时，预测效果会过于保守，对低周疲劳问题的预测效果尚不理想。

发明内容

为了克服使用总应变能密度对缺口件低周疲劳预测过于保守的问题，本发明提出了一种根据弹塑性能量之比来对总应变能密度进行修正的疲劳寿命评估方法，可得到准确的疲劳预测结果。

本发明通过以下技术方案实现：

一种总应变能密度修正的缺口件低周疲劳预测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)进行标准件的拉伸性能试验，得到材料的杨氏模量，拉伸特性曲线，屈服强度；

(2)进行标准件的疲劳性能试验，提取稳态时的应力应变响应，计算得到循环应力应变曲线，分别计算塑性和弹性的应变能密度，建立材料的总应变能密度与疲劳寿命的方程；

其中，循环应力应变曲线通过Ramberg-Osgood公式进行拟合：

其中ε_a、σ_a分别为应变幅和应力幅，由标准件的疲劳性能试验得到，E为杨氏模量，由步骤(1)材料的拉伸试验得到，K′为循环强度系数，n′为循环应变硬化指数，为待拟合的材料参数；

根据材料稳态时的应力应变滞回曲线面积计算塑性应变能密度：

ΔW_p＝∫|σ|dε (2)

其中σ为应力，ε为应变。

根据材料稳态时的应力应变变程计算弹性应变能密度，公式为：