基于损伤力学的缺口件多轴疲劳寿命预测方法研究

作     者：岳林 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李有堂;巩春和

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：多轴疲劳 缺口件 应力梯度效应 疲劳寿命预测 损伤力学 

摘      要：在工程实际中,大量构件在服役过程中往往承受着复杂的多轴比例和多轴非比例循环载荷,疲劳断裂往往最先发生在构件的几何不连续部位。一方面缺口的存在会导致应力集中,使得缺口附近区域产生非均匀的应力分布场;另一方面,当缺口件在非比例循环载荷加载下,会产生非比例附加强化效应,导致构件的疲劳寿命降低。因此,开展应力梯度及非比例附加强化耦合作用下的多轴疲劳寿命预估方法的研究具有重要的理论和工程意义。本文以缺口件为研究对象,通过理论分析、有限元数值模拟和疲劳试验相结合的方法,围绕应力梯度和非比例附加强化对疲劳寿命的影响,开展缺口件裂纹萌生位向数值模拟、疲劳损伤参量表征方法及疲劳寿命预估等相关研究,最后借助缺口件多轴疲劳试验验证本文模型的正确性。主要的研究内容有以下几个方面:(1)提出基于最大剪应变准则的缺口件临界面计算方法。该方法利用有限元软件分析构件的应力分布状态并确定疲劳危险点位置;借助坐标变换原理将不同工况下危险点处的应力和应变分量转化为任意平面上的应力和应变分量;采用数值分析软件搜寻最大剪应变所在平面。(2)建立考虑应力梯度效应的多轴疲劳损伤参量。利用有限元软件分析构件危险点附近的应力应变场并提取临界面上指定路径的等效应力值;借助数值分析软件对提取的等效应力值进行函数拟合并对相对应力梯度函数求极小值得到有效距离;基于应力场强法建立考虑应力梯度效应的多轴疲劳损伤参量。研究结果表明:该多轴疲劳损伤参量可以较好的表征应力梯度效应,且能够定量描述疲劳损伤区域的大小。(3)定义一个新的非比例附加强化因子。该因子基于FS模型,采用临界面上的最大正应力来表征非比例附加强化效应,并引入相位差来体现非比例附加强化效应的强弱。研究结果表明:该因子可以较好的表征非比例附加强化效应,且适用于比例和非比例加载的情况。(4)建立考虑应力梯度和非比例附加强化效应的缺口件多轴疲劳寿命预测模型。该模型基于损伤力学理论,以有效应力场强来构建多轴疲劳损伤参量,以附加强化因子来表征非比例附加强化效应。借助缺口件疲劳试验对该模型进行验证和评估,结果表明:本文模型预估结果与试验结果吻合程度高,并具有较好的预测精度,且预测结果偏安全,更有利于工程应用。