本發(fā)明應(yīng)用領(lǐng)域是多軸疲勞強(qiáng)度壽命預(yù)測方向，特指一種基于應(yīng)力加載下的多軸小裂紋全壽命的預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)械的斷裂事故中80％以上是由金屬疲勞引起的。服役中的各種航天飛行器、核電站以及一些交通工具等，其主要零部件通常承受復(fù)雜的多軸載荷作用。與單軸加載相比，多軸載荷下的損傷累積、裂紋萌生與擴(kuò)展、壽命預(yù)測方法等需要考慮更多因素的影響。因此，進(jìn)行多軸載荷下壽命預(yù)測方法研究有重要的工程意義。

研究小裂紋問題，有利于從微觀、亞微觀的層次去認(rèn)識疲勞損傷累積的全過程。同時人們在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，60％以上的工程構(gòu)件存在小裂紋，構(gòu)件存在的內(nèi)部缺陷、夾雜物、氣孔等都可能是小裂紋形成的裂紋源。并且大約有80％甚至更多的時間用在裂紋尺寸小于1mm的小裂紋萌生和擴(kuò)展上。因此深入研究多軸小裂紋的全壽命預(yù)測方法，并應(yīng)用到實(shí)際工程領(lǐng)域，是一項(xiàng)非常有意義的工作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于為滿足提高多軸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)精確性與可靠性的需求，一種基于應(yīng)力的多軸小裂紋全壽命預(yù)測方法

本發(fā)明所提供的一種基于應(yīng)力加載下的多軸小裂紋全壽命預(yù)測模型，其步驟為：

步驟1)：薄壁管件在多軸應(yīng)力加載下，裂紋萌生于最大剪應(yīng)力幅、較大正應(yīng)力所在的平面；選取該平面為臨界面，并利用臨界面上的損傷參量來表征小裂紋擴(kuò)展驅(qū)動力；

步驟2)：基于拉伸型多軸疲勞損傷參量，對原始的單軸J積分公式進(jìn)行擴(kuò)展與修正，建立適用于多軸應(yīng)力狀態(tài)下的有效J積分計(jì)算公式；該計(jì)算公式以臨界面為基礎(chǔ)，取臨界面上的最大正應(yīng)力和剪應(yīng)力幅值，用Newman閉合公式來考慮裂紋閉合，并用類Mises公式合成等效應(yīng)力來考慮塑性區(qū)域?qū)α鸭y擴(kuò)展的影響。具體的裂紋擴(kuò)展驅(qū)動力J積分公式為：

其中，a為半裂紋長度，E為彈性模量，G為剪切模量，v為泊松比，n′為循環(huán)硬化指數(shù)，Y_Ⅰ和Y_Ⅱ是Irwin形狀幾何因子，Δσ_n,eff為考慮了閉合后的有效正應(yīng)力，Δτ_n為剪應(yīng)力幅值，Δσ_eff為考慮了閉合后的類Mises等效應(yīng)力，Δε_pl.eff為Δσ_eff所對應(yīng)的塑性應(yīng)變，由Ramberg-Osgood公式求出；

步驟3)：通過單軸拉壓試驗(yàn)中獲得的恒幅下試件壽命和與之對應(yīng)的裂紋長度數(shù)據(jù)，通過計(jì)算得到有效J積分與裂紋擴(kuò)展速度之間的雙對數(shù)曲線，并由此擬合出裂紋擴(kuò)展的單軸Paris常數(shù)c和m，并以此為基線進(jìn)行下一步計(jì)算；Paris形式的裂紋擴(kuò)展曲線公式如下：

其中，是裂紋擴(kuò)展速率，c，m為單軸Paris常數(shù)；

步驟4)：確定裂紋初始尺寸，選用Michael Vormwald提出的用材料的S-N曲線來擬合虛擬的裂紋初始尺寸來考慮材料缺陷等因素。具體方法是在S-N曲線中選取盡可能多的點(diǎn)(σ_i,0，N_i)，對每一個點(diǎn)用下方第一個公式計(jì)算一次a_i,0，最后去所有a_i,0的算術(shù)平均值，即得虛擬的裂紋初始尺寸a₀，具體公式如下：

n為裂紋擬合點(diǎn)的數(shù)量。

步驟5)：利用上述的所提的J積分計(jì)算模型并基于Paris公式，計(jì)算不同應(yīng)力比、相位角等恒幅加載狀態(tài)下的小裂紋擴(kuò)展全壽命，對應(yīng)的計(jì)算公式為：

其中，N為試樣裂紋擴(kuò)展壽命，a₀為裂紋萌生尺寸，a_f為最終失效尺寸。

所述步驟1)中選取的裂紋擴(kuò)展驅(qū)動力參量為最大剪應(yīng)力幅值、較大正應(yīng)力值所在面為臨界面。

所述步驟2)中提出的多軸有效J積分計(jì)算公式，該公式以臨界面為基礎(chǔ)，取臨界面上的最大正應(yīng)力和剪應(yīng)力幅值，用Newman閉合公式來考慮裂紋閉合，并用類Mises公式合成等效應(yīng)力來考慮塑性區(qū)域?qū)α鸭y擴(kuò)展的影響，能較好的符合裂紋擴(kuò)展驅(qū)動力。

所述步驟4)中選擇用材料的S-N曲線來擬合虛擬的裂紋初始尺寸，能夠較好的考慮材料缺陷因素得影響。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：提出了一種基于應(yīng)力加載下的多軸小裂紋全壽命的預(yù)測方法。該方法在臨界面上，用有效J積分來表征復(fù)雜載荷狀態(tài)下小裂紋擴(kuò)展驅(qū)動力，同時利用單軸裂紋擴(kuò)展曲線和S-N曲線為基礎(chǔ)來預(yù)測多軸疲勞小裂紋擴(kuò)展全壽命，能夠?qū)⒉牧系娜毕莸纫蛩乜紤]在內(nèi)，具有明確的物理意義，且不包含其他材料常數(shù)，便于實(shí)際工程應(yīng)用。

附圖說明

圖1本發(fā)明方法提供的一種基于應(yīng)力加載下的多軸小裂紋全壽命的預(yù)測方法流程圖。

圖2本發(fā)明方法提供的一種基于應(yīng)力加載下的多軸小裂紋全壽命的預(yù)測方法應(yīng)用到1045鋼薄壁管件的效果圖。

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

本發(fā)明通過疲勞試驗(yàn)對本發(fā)明作了進(jìn)一步說明，試驗(yàn)分為兩部分，一部分是在單軸恒幅應(yīng)力加載下的小裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，波形為正弦波，應(yīng)力比為-1，通過復(fù)型法對薄壁管試件表面復(fù)型，獲得小裂紋擴(kuò)展速率數(shù)據(jù)用來擬合出Paris常數(shù)。另一部分是應(yīng)力控制加載的多軸比例與非比例試驗(yàn)，獲得相對應(yīng)的壽命數(shù)據(jù)。

一種基于應(yīng)力加載下的多軸小裂紋全壽命的預(yù)測方法，具體計(jì)算方法如下：

步驟1)：薄壁管件在多軸加載狀態(tài)下，裂紋主要萌生于最大剪應(yīng)力幅值、較大正應(yīng)力所在的平面，該平面與試件軸向之間有一夾角θ；在該臨界面上計(jì)算損傷參量來表征小裂紋擴(kuò)展驅(qū)動力；

步驟2)：以臨界面為基礎(chǔ)，取臨界面上的最大正應(yīng)力和剪應(yīng)力幅值，用Newman閉合公式來考慮裂紋閉合，并用類Mises公式合成等效應(yīng)力來考慮塑性區(qū)域?qū)α鸭y擴(kuò)展的影響。利用上述臨界面上的數(shù)據(jù)并配合下面的J積分公式計(jì)算相對應(yīng)的有效J積分即為有效小裂紋擴(kuò)展驅(qū)動力：

其中，a為半裂紋長度，E為彈性模量，G為剪切模量，υ為泊松比，n′為循環(huán)硬化指數(shù)，Y_Ⅰ和Y_Ⅱ是Irwin形狀幾何因子，Δσ_n,eff為考慮了閉合后的有效正應(yīng)力，Δτ_n為剪應(yīng)力幅值，Δσ_eff為考慮了閉合后的類Mises等效應(yīng)力，Δε_pl.eff為Δσ_eff所對應(yīng)的塑性應(yīng)變，可由Ramberg-Osgood公式求出；

步驟3)：通過單軸拉壓試驗(yàn)中獲得的恒幅下試件壽命和與之對應(yīng)的裂紋長度數(shù)據(jù)，可通過計(jì)算得到有效J積分與裂紋擴(kuò)展速度之間的雙對數(shù)曲線，并由此擬合出裂紋擴(kuò)展常數(shù)c和m，并以此為基線進(jìn)行下一步計(jì)算；Paris形式的裂紋擴(kuò)展曲線公式如下：

其中，是裂紋擴(kuò)展速率，c，m為單軸Paris常數(shù)；

步驟4)：確定裂紋初始尺寸，選用Michael Vormwald提出的用材料的S-N曲線來擬合虛擬的裂紋初始尺寸來考慮材料缺陷等因素。具體方法是在S-N曲線中選取盡可能多的點(diǎn)(σ_i,0，N_i)，對每一個點(diǎn)用下方第一個公式計(jì)算一次a_i,0，最后去所有a_i,0的算術(shù)平均值，即可得虛擬的裂紋初始尺寸，具體公式如下：

其中，a_i,0是在S-N曲線上所取第i個點(diǎn)所算的裂紋初始尺寸，a_f為最終失效尺寸，a₀是所有取的n個點(diǎn)所得初始尺寸的平均值；

步驟5)：利用上述的所提的J積分計(jì)算模型并基于Paris公式，可計(jì)算不同應(yīng)力比、相位角等恒幅加載狀態(tài)下的小裂紋擴(kuò)展全壽命，對應(yīng)的計(jì)算公式為：

其中，N為試樣裂紋擴(kuò)展壽命，a₀為裂紋萌生尺寸，a_f為最終失效尺寸。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：提出了一種基于應(yīng)力加載下的多軸小裂紋全壽命的預(yù)測方法。該方法在臨界面上，用有效J積分來表征復(fù)雜載荷狀態(tài)下小裂紋擴(kuò)展驅(qū)動力，同時利用單軸裂紋擴(kuò)展曲線和S-N曲線為基礎(chǔ)來預(yù)測多軸疲勞小裂紋擴(kuò)展全壽命，能夠?qū)⒉牧系娜毕莸纫蛩乜紤]在內(nèi)，具有明確的物理意義，且不包含其他材料常數(shù)，便于實(shí)際工程應(yīng)用。

為了驗(yàn)證本發(fā)明提出的基于應(yīng)力加載下的多軸小裂紋全壽命的預(yù)測方法的效果，將本方法所得的預(yù)測結(jié)果與多軸比例、非比例加載試驗(yàn)所得的試驗(yàn)觀測壽命進(jìn)行比較。結(jié)果表明，基于本方法模型所預(yù)測的壽命與多軸比例、非比例加載下試驗(yàn)觀測壽命相比，其結(jié)果在三倍誤差因子之內(nèi)。該方法考慮了臨界面以及非比例加載對裂紋擴(kuò)展的影響，不含其它材料常數(shù)。因此，提出的計(jì)算方法可以較好的預(yù)測多軸比例、非比例加載下小裂紋擴(kuò)展壽命。