[发明专利]缺口件疲劳寿命预测方法及预测装置

说明书

本发明公开一种缺口件疲劳寿命预测方法及预测装置，涉及多轴疲劳强度理论领域，利用有限元分析软件建立缺口件的有限元模型；对缺口件的有限元模型的网格数进行收敛性分析；通过线弹性理论或者线弹性有限元分析，确定缺口处的虚拟应变历程；确定临界面上的虚拟等效剪切应变幅；使用剪切型Neuber法和材料的循环应力应变关系来确定剪切型虚拟等效应变与真实等效应力关系；通过真实等效应力幅和剪切型Neuber法则来计算真实等效应变幅；通过运用Manson‑Coffin方程来计算缺口件的疲劳寿命。本方法可以较好的预测多轴载荷下缺口件的疲劳寿命。

技术领域

本发明涉及多轴疲劳强度理论领域，具体地说，涉及缺口件疲劳寿命预测方法及预测装置。

背景技术

光刻机是IC(集成电路)制造装备中成本最高、技术难度最大的设备，也号称是人类制造的最精密的设备。光刻机的零部件中常有许多几何不连续部位(视为缺口)，这些几何不连续部位是根据实际需要设计的，且往往承受着多轴载荷的循环作用，其缺口根部处的应力为多轴非比例应力状态，因此多轴疲劳破坏是其主要的失效形式。多轴疲劳问题较单轴疲劳问题复杂的最大原因在于材料的多轴非比例疲劳行为。由于在非比例加载过程中主应力/应变轴发生旋转，材料微观结构和滑移系发生变化，表现出在单轴或比例加载过程中都不存在的非比例附加循环强化行为。非比例附加强化使得材料的循环本构关系变得复杂，也使得多轴非比例载荷下的疲劳寿命估算变得困难。

目前还缺乏有效的多轴变幅载荷下缺口件的疲劳寿命预测方法。因此，为了防止缺口件突发性地疲劳破坏并保证机械结构安全可靠地运行，有必要研究适合工程应用的多轴变幅载荷下缺口件的疲劳寿命预测方法，这将具有重要的理论意义和工程应用价值。

发明内容

本发明的缺口件疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：

利用有限元方法建立缺口件有限元模型并划分网格；

利用有限元方法对缺口件有限元模型施加约束和载荷，获得缺口区域的虚拟弹性应变历程^eε_ij(t)；

通过虚拟弹性应变历程^eε_ij(t)计算等效的剪切型Shang-Wang多轴疲劳损伤参数在多轴比例循环载荷下，剪切型Shang-Wang多轴疲劳损伤参数等价为虚拟等效剪切应变幅的表达式如下：

其中，是临界面上相邻最大剪切应变折返点之间的虚拟法向应变变程；Δ^eγ_max是临界面上的虚拟剪切应变范围；

使用剪切型Neuber法则和材料剪切型的循环应力应变关系建立剪切型虚拟等效应变与真实等效应力关系如下：

其中，N表示缺口处的真实量；

G是剪切模量；

是虚拟等效剪切应变幅；

是真实等效剪切应力幅；

其中，n′₀和K′₀分别是剪切循环应变硬化指数和强度系数，n′₀＝n′，n′和K′分别是拉伸循环应变硬化指数和强度系数；

对于虚拟弹性应变历程，采用临界面上的剪切型Shang-Wang多轴疲劳损伤参量替换虚拟等效应变幅来考虑外载引起的非比例附加强化，由此得到公式6，

通过公式6求解得到临界面上的真实等效应力幅

通过临界面上的真实等效应力幅和剪切型Neuber法则来计算临界面上的真实等效应变幅

利用临界面上的真实等效应变幅计算缺口件的疲劳寿命。