[发明专利]一种基于损伤机制的拉扭热机械疲劳寿命预测方法

摘要

本发明公开了一种基于损伤机制的拉扭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，该算法步骤为：(1)根据拉扭热机械疲劳加载下的损伤机制，总损伤由疲劳损伤、蠕变损伤和氧化损伤累积而得；(2)计算疲劳损伤；(3)计算蠕变损伤；(4)计算氧化损伤；(5)计算总损伤，获得拉扭热机械加载下的疲劳寿命。为了验证本发明的效果，将本方法所得的预测结果与拉扭热机械疲劳试验结果进行比较。试验验证结果表明，预测的疲劳寿命与试验结果相差在2倍因子以内。因此，提出的预测方法可以较好地预测拉扭热机械加载下的疲劳寿命。

主权项

1.一种基于损伤机制的拉扭热机械疲劳寿命预测方法，其特征在于：本方法的实现步骤如下：步骤(1)：根据拉扭热机械疲劳加载下的损伤机制，试件总损伤由疲劳损伤、蠕变损伤和氧化损伤累积而得，计算公式如下：D＝Dfat+βDcr+Dox其中，D为试件总损伤，Dfat为试件疲劳损伤，Dcr为试件蠕变损伤，Dox为试件氧化损伤，β为沿试件晶断裂损伤等效因子；步骤(2)：计算试件疲劳损伤Dfat，计算公式如下：其中，n为循环数，Nf为失效循环数；失效循环数Nf的计算公式如下：其中，Δγ_max/2为临界面上的最大剪切应变幅，为临界面上相邻最大和最小剪切应变点之间的法向应变范围，σ′_f为疲劳强度系数，b为疲劳强度指数，ε′_f为疲劳塑性系数，c为疲劳塑性指数；与试件轴向呈θ角的平面上的应变为：γθ＝(1+v)εxsin(2θ)‑γxycos(2θ)其中，v为泊松比；以最大剪切应变范围所在平面为临界面，角度为θc，来确定临界面上的疲劳损伤参量：1)确定临界面上的最大剪切应变范围Δγmax：其中，t为时间点，并将最大和最小剪切应变点对应的时间点，定义为t1和t2；2)确定相邻最大和最小剪切应变点之间的法向应变范围步骤(3)：计算试件蠕变损伤Dcr，计算公式如下：其中，Δt为试件第i段上的时间增量，tr为试件第i段对应温度和持久应力下的蠕变断裂时间；蠕变断裂时间tr由Manson‑Succop(M‑S)方程算得，如下：lgtr＝b1+b2R+b3x+b4x2+b5x3其中，R＝(9T/5+32)+460，T为摄氏温度，为试件第i段上的蠕变持久应力，b₁、b₂、b₃、b₄、b₅为材料常数；蠕变持久应力的计算公式如下：其中，σi为试件第i段上的轴向应力，τi为试件第i段上的剪切应力；步骤(4)：计算氧化损伤Dox，计算公式如下：其中，ac为试件第i段对应温度和应力下的临界裂纹长度，a0为试件初始裂纹长度，Δa为试件第i段对应温度和应力下的裂纹增量；临界裂纹长度ac的计算公式如下：其中，K_IC为试件第i段对应温度下的断裂韧性，为试件第i段对应的等效应力，Y为裂纹形状系数；裂纹形状系数Y由下式算得：其中，a为椭圆形裂纹的半短轴，c是椭圆形裂纹的半长轴，是椭圆形裂纹平面内由圆心发出的射线与半长轴的夹角；裂纹增量Δa的计算公式如下：其中，K，n为裂纹增长相关材料常数，Tr为室温，h为温度敏感指数；步骤(5)：计算试件总损伤D，计算公式如下：当试件总损伤D达到1时，试件材料失效，则此时的循环数n为拉扭热机械加载下的试件疲劳寿命。