[发明专利]一种基于临界面损伤的多轴变幅热机械疲劳寿命预测方法

说明书

本发明公开了一种基于材料临界面损伤的轴扭多轴变幅热机械疲劳寿命预测方法，涉及多轴热机械疲劳强度理论领域，计算多轴机械载荷循环计数、各载荷循环的临界面角度、各载荷循环的临界面纯疲劳损伤、临界面总的纯疲劳损伤、材料临界面上的应力、平均微分临界面载荷历程、各段的临界面等效蠕变应力；各段的临界面蠕变损伤、所有临界面的总蠕变损伤、所有临界面总的非纯疲劳损伤、临界面总损伤以及预测寿命。所提出的寿命预测方法可以较好地预测轴扭多轴变幅热机械加载下合金材料的疲劳寿命。

技术领域

本发明属于多轴热机械疲劳强度理论领域，尤其涉及一种基于材料临界面损伤的轴扭多轴变幅热机械疲劳寿命预测方法。

背景技术

许多实际工程零部件在服役过程中承受多轴载荷作用。并且，其中一些机械结构(如航空发动机热端零部件、核电设施、压力容器)在热载荷与多轴变幅机械载荷共同交互作用下工作。热载荷与机械载荷交互作用下导致的疲劳为热机械疲劳。并且，这些机械结构的疲劳失效可能导致灾难性后果。因此，对多轴变幅热机械载荷作用下材料的疲劳寿命预测，具有重要的工程实际意义。

此外，相对于等温疲劳试验，热机械疲劳试验的成本更高。因此，通过材料等温疲劳参数实现热机械疲劳的寿命预测可极大节约结构寿命预测与强度设计成本。

发明内容

本发明目的在于针对材料在多轴变幅热机械载荷(包括轴向载荷、扭转载荷与温度载荷)作用下，疲劳强度设计的需求，提出了一种基于临界面损伤的多轴变幅热机械疲劳寿命预测方法。该方法将临界面作为损伤危险平面，并基于临界面上的载荷实现纯疲劳损伤与非纯疲劳损伤的计算。进而利用线性损伤累积准则，实现临界面上总损伤的计算。因此，本方法计算多轴变幅热机械疲劳寿命的物理意义明确；并且，本方法所需的全部材料常数均可通过单轴恒幅等温疲劳试验获得(无需复杂的多轴疲劳试验以及昂贵的热机械疲劳试验)。因此，通过本方法实现多轴变幅热机械疲劳寿命预测的经济成本相对较低。

本发明采用的技术方案为一种基于材料临界面损伤的轴扭多轴热机械疲劳寿命预测方法，本方法的实现步骤如下：

步骤(1)：对轴扭多轴机械载荷进行载荷循环计数。材料在轴扭多轴热机械载荷作用下，利用Wang-Brown方法对轴扭机械载荷进行载荷循环计数，确定每个载荷循环的载荷区间；

步骤(2)：计算各个载荷循环的临界面角度。在多轴载荷作用下，材料内部承受最大剪应变幅的平面共有两个，但这两个具有最大剪应变幅平面上的方向正应变变程并不一定相等。因此，将具有较大法向正应变变程的最大剪应变幅所在平面作为临界面，并确定材料每个载荷区间的临界面角度，计算公式如下：

ε_y＝-vε_x

其中，ε_θ为θ角度对应平面上的正应变；γ_θ为θ角度对应平面上的剪应变；ε_x，ε_y分别为x方向和y方向的正应变，x方向为试件轴线方向，y方向为试件材料表面内垂直于试件轴线的方向；γ_xy为试件材料表面内x方向的剪应变；ν为试件材料的泊松比；

步骤(3)：计算各载荷循环的临界面纯疲劳损伤，计算公式如下：