[发明专利]一种包含平均应力影响的金属材料多轴高周疲劳失效预测方法

摘要

本发明建立了一种包含平均应力影响的金属材料多轴高周疲劳失效预测方法，以单轴疲劳和纯扭转疲劳为边界条件，计算出材料在疲劳加载过程中承受的最大损伤面并把它作为临界面，选取该临界面上的正应力和剪应力作为损伤参量，利用单轴疲劳获得的平均应力影响系数对临界面上的应力进行修正，最终建立了包含轴向平均应力和剪切平均应力影响的金属材料多轴高周疲劳失效预测模型，同时也适用于不存在轴向平均应力和剪切平均应力时的情况。本发明较准确地预测存在轴向平均应力和剪切平均应力时材料在多轴高周疲劳加载下的疲劳寿命，以及疲劳裂纹萌生和初始扩展的方向。

主权项

一种包含平均应力影响的金属材料多轴高周疲劳失效预测方法，其特征在于包括以下几个步骤：步骤A，对金属材料制成的结构的危险部位进行理论计算或者有限元分析，得到危险部位的轴向应力幅σx,a、轴向平均应力σx,m，剪切应力幅τxy,a、剪切平均应力τxy,m，及轴向应力σx与剪切应力τxy之间的相位差δ；步骤B，若由步骤A得到的轴向应力幅σx,a和轴向平均应力σx,m之和没有超过拉伸屈服强度，以及剪切应力幅τxy,a和剪切平均应力τxy,m之和也没有超过剪切屈服强度时，即没有塑性应变时，则适用于多轴高周疲劳失效预测模型；否则为低周疲劳，不适用于多轴高周疲劳失效预测模型；步骤C，对于存在轴向平均应力和剪切平均应力的情况，依据单轴疲劳试验得到的轴向平均应力为σx,m、轴向应力幅为σx,a和疲劳寿命为Nf确定轴向平均应力和剪切平均应力影响系数α；步骤D，以危险部位平面上剪应力幅τa和法向应力幅σn,a的非线性组合在疲劳加载过程中达到最大值时作为临界面，然后利用单轴疲劳和纯扭转疲劳作为边界条件，并且包含轴向平均应力和剪切平均应力的影响，最终建立金属材料多轴高周疲劳失效预测模型，将步骤A中得到的轴向应力幅σx,a、轴向平均应力σx,m、剪切应力幅τxy,a、剪切平均应力τxy,m及轴向应力σx与剪切应力τxy之间的相位差δ和步骤C中得到的轴向平均应力和剪切平均应力影响系数α代入多轴高周疲劳寿命预测模型，计算得到预测寿命Nf和疲劳裂纹方向φ；所述步骤D中多轴高周疲劳寿命预测模型为：τf`(2N)bγ=(2τf`(2N)bγτf`(2N)bγσf`(2N)b-(τf`(2N)bγσf`(2N)b)2)τa+(2(τf`(2N)bγ)2σf`(2N)b-τf`(2N)bγ)(σn,a+ασn,m)]]>其中N为循环数，σ`f、b分别为拉伸疲劳强度系数和指数，τ`f、bγ分别为扭转疲劳强度系数和指数，τa、σn,a、σn,m分别为临界面上的剪应力幅值、法向应力幅值、法向平均应力值，其表达式分别为：式中，σx,a、τxy,a分别为加载过程中轴向应力幅值、剪切应力幅值，为临界面方向，δ为加载过程中轴向应力σx与剪切应力τxy之间的相位差；上述多轴高周疲劳寿命预测模型式子中的未知量是疲劳循环数N和临界面方向疲劳预测寿命Nf考察范围为104～106，因此当循环数N从104增大到106，内循环从‑90度增大到90度时，如果满足等式左边等于右边，且右边式子数值达到最大值的条件时，程序输出此时的N和即预测寿命Nf＝N，预测的疲劳裂纹方向