多轴低周非比例加载下疲劳寿命预测方法综述(1)

多轴低周非比例加载下疲劳寿命预测方法综述(1)

　第6卷　第2期　　　　　　　　华北科技学院学报　　　　　　2009年4月

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多轴低周非比例加载下疲劳寿命预测方法综述

刘灵灵　聂　辉

(石家庄铁道学院工程力学系,河北石家庄　050043)

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摘　要:综述了近年来国内外关于多轴非比例加载下疲劳寿命预测方法的研究现状,评价了各种方法的优缺点和适用范围,并对非比例加载下的疲劳寿命预测方法的研究工作提出了展望和设想。关键词:多轴疲劳;非比例加载;临界面法;能量法;疲劳寿命预测

中图分类号:TB30213　　文献标识码:A　　文章编号:1672-7169(2009)02-引言

疲劳指材料在循环载荷作用下,,,有80%,特别是机械零部件向大型、复杂化和高温、高速使用环境方向发展,疲劳破坏问题更加突出,其中研究的重点是疲劳寿命的预测。疲劳理论发展至今,人们已经对单轴疲劳进行了全面、深入的研究,得到了一些比较成熟的理论和模型,例如名义应力法、局部应力应变法、场强法等。但是在工程实际中,零部件大部分承受的是多轴载荷,一方面零部件本身形状复杂,即使在单轴受力下局部仍会出现多轴应力状态;另一方面,零部件本身就承受多轴组合载荷,这些载荷同步或不同步作用在构件上。

多轴疲劳的研究比单轴疲劳更加接近工程实际,故受到了工程设计和研究人员的广泛关注,相应地提出了一些预测多轴疲劳寿命的方法,例如等效应变法、能量法、临界平面法等,但是迄今为止还没有找到一种能够被广泛接受的方法,大量地试验研究有待于开展下去,本文试图将近几年的研究成果作一个总结,希望能对今后的研究工作有所帮助。现有的为数不多的多轴非比例加载下的疲劳寿命预测模型,大多数是从单轴疲劳寿命预测模型发展而来的,并且都是在一些特定的试验条件和有限数据基础上得到的,归纳起来大致分为两类:等效参数型和损伤力学型。

,Kanazawa、Brown

[1,2]

Miller对多轴低周疲劳进行了大量的研究,研究表明,在固定应变幅的情况下,具有明显非比例加载的低周疲劳寿命低于比例加载的寿命,因此按照常规的疲劳寿命预测方法,将给出比较危险的预测值。对于多轴低周疲劳的寿命预测,等效参数模型主要包括等效应变法、能量法、临界面法、局部应力应变法等,其中临界面法考虑到引起损伤的危险面,具有一定的物理意义,所以是目前应用比较普遍的一种寿命预测方法。111　等效应变法

在多轴低周疲劳研究的初期,由于客观条件的限制,使得人们对多轴疲劳的损伤机理一无所知。在损伤参数的选择上,采用等效应变作为参数,希望借助于该参数能够将多轴应变的加载状态转化为等效的单轴应变状态,进而估算出零件的寿命。等效应变法的最初模型是用于单轴低周疲劳的著名的Manson2Coffin公式,Manson和Cof2fin对许多类型的金属材料进行等塑性应变幅下的低周疲劳试验,发现在双对数坐标系下,塑性应变幅和疲劳寿命之间呈线性关系,经过Bonacuse、Zamrik等人的发展与修正,对于单轴拉压低周疲

[3,4]

劳,其公式可表示为如下形式:

ΔεtΔεΔεσ′epfbc

(2Nf)+ε(1)==f(2Nf)

222EΔεΔεte

式中:———总应变幅;———弹性应变幅;

22

Δε———塑性应变幅;σ′——疲劳强度系数;f—2

①收稿日期:2009202212

②作者简介:刘灵灵(1979-),女,河北栾城人,硕士,石家庄铁道学院工程力学系讲师,研究方向:固体力学

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　第2期　刘灵灵等:多轴低周非比例加载下疲劳寿命预测方法综述

ε′——疲劳延性系数;b———疲劳强度指数;c———f—

疲劳延性指数。

将这种单轴拉压的寿命预测模型推广应用到多轴低周疲劳,可以得到以下公式:

Δεσ′eqfbc

(2Nf)+ε′(2)f(2Nf)

2E

Δεeq

式中:———等效应变。

2

[5]

采用五种中央带不同形式缺口的试件,目的是在单向加载下缺口周围产生复杂的三维应力和应变状态,在普通的单轴疲劳试验机上进行300℃下高温低周疲劳断裂试验。利用,。果表明,应变值最大,致,故可以用等效应力和应变值的大小判断危险点,根据von1Mises理论对疲劳寿命进行预测,通过最小二乘法进行曲线回归,得到寿命预测方程:

11070

Δε(3)=611803eqNf式中:εeq2

则

[7]

,该方法假定材料失效发生在某一给定的损

伤参数达到最大的平面,认为裂纹产生的平面就是最危险的平面,而大量试验表明裂纹一般都产生于最大切应变平面上,故该方法定义承受最大切应变的平面为临界平面。他们指出,在研究多轴疲劳损伤时,应当同时考虑在最大切应变平面上的循环切应变和法向正应变,因为循环切应变有助于裂纹成核,。临,而且还考,第一和第三,裂纹沿表面扩展,称为A型裂纹;对于正的双轴应力,第三主应变垂直于自由面,裂纹在最大切应变面上起裂,进而沿纵深扩展称为B型裂纹。他们针对A型裂纹给出如下寿命估算模型:

γεmax+kn=A

σ′fbc

(2Nf)+Bε′f(2Nf)

E

(6)

式中:A=113+017k,B=115+015k;k———材料常数;γ——最大切应变,它决定裂纹所在面的方max—向和裂纹的类型,并对裂纹扩展速率和疲劳寿命

3

2

2

2

2

2

(εγxy+γyz+γzx)+(ε+(εx-εy)y-εz)z-εx)+115(起主要作用;ε——作用在最大切应变平面上的n—正应变,它对裂纹扩展也起一定的影响作用。

Fatemi和Socie在研究剪切损伤占主导地位

ε——x,y,z向的正应变;γ——x,εy,εz—xy,γyz,γzx—xy,yz,zx面上的切应变。

Zamrik指出应力状态对疲劳延性系数和强度系数有明显影响,通过定义Z参数和A参数,修正Von1Mises等效应变判据,得到以下寿命预

[6]

测模型:

tepΔεΔεΔεeqeqeq

222

1-σ′b1-TFc(2Nf)+Aε(4)=Zf(2Nf)

E

的材料时发现

[8]

,非比例加载下附加强化对疲劳

寿命的影响很大,必须给予一定的考虑,由于主轴旋转所产生的附加强化,建议以法向应力代替法向应变,提出如下剪切形式的寿命预测模型:

Δγστ′kmaxfbc

(7)(2Nf)+γ′1f(2Nf)

σy2G式中:

Δγmax

———临界面上的最大剪应变幅;2

式中:Z和A———疲劳性能相关的常数,Z=

τ′ε′f/Gf,A为延性系数,由疲劳试e

γ′2(1+ν)σ′f/Ef验测得;TF———三轴度,由下式确定:σ1+σ2+σ3

TFσ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2]1/2[((5)112　临界面法

Brown和Miller于1973年提出临界面准

σn,max———临界面上的最大正应力;σy———屈服强度;k———由单轴和扭转疲劳试验确定的常数;G是剪切模量;τ′′——纯扭循环加载下的疲f,γf

,b,c—劳材料常数。

X1Chen指出,在非比例加载时,非比例附加

强化是导致疲劳寿命降低的主要原因,与最大剪切平面垂直的拉伸应变影响疲劳裂纹的扩展速率,基于临界面概念,提出如下剪切形式的疲劳寿命预测模型

[9]

:

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ΔγΔεmaxn

Φ)=(1+L

22

-1/n

τ′fcb

γ′()(2Nf)2Nff

G

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个连续的耗散过程,用一个 …… 此处隐藏：5935字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……