多軸隨機載荷下高周疲勞損傷特性試驗研究與壽命預測

《多軸隨機載荷下高周疲勞損傷特性試驗研究與壽命預測》是依託北京工業大學，由尚德廣擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：多軸隨機載荷下高周疲勞損傷特性試驗研究與壽命預測
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：尚德廣
• 依託單位：北京工業大學

項目摘要

服役中的飛機發動機，高速機車，捷運，汽車，橋樑，精密車床等結構中的一些關鍵零部件均在多軸隨機載荷下運行。研究同時適用於單軸與多軸比例與非比例隨機載荷作用下的高周多軸疲勞壽命預測方法對重大裝備的安全服役具有重要的理論和工程實際意義。本項目結合疲勞力學、損傷力學、微細觀力學，對工程實際服役中的複雜機械結構在隨機單軸與多軸比例非比例互動載入下的巨觀與微觀疲勞損傷機制進行系統的定量理論分析和試驗研究。深入研究隨機多軸載荷下的高周疲勞損傷特性。針對隨機多軸載入下疲勞裂紋形成過程中的動態損傷特性進行試驗研究，抓住單軸循環載入，多軸比例載入，非比例載入下疲勞損傷的共同本質特性，建立能夠綜合反映其三維損傷特性的多軸疲勞損傷模型，最終給出能夠同時適用於單多軸隨機載入情況下複雜工程結構的高周疲勞損傷及壽命預測方法，為提高我國重大裝備的高效安全運行和延壽技術水平奠定堅實的基礎。

結題摘要

實際服役中的重要機械零部件往往都承受著複雜的多軸載荷作用。尤其是隨機載荷作用下的高周多軸疲勞問題的研究越來越成為當前關注和研究的熱點，完善隨機載荷下高周多軸疲勞壽命預測方法將會對實際工程設計帶來及其深遠的意義。項目主要研究內容及重要結果如下： （1）以最新的多軸疲勞理論為基礎，結合試驗結果對高周多軸疲勞問題進行了分析和研究。通過對航空鋁合金薄壁管試件進行了恆幅以及隨機載荷下的高周多軸疲勞試驗，為後續疲勞壽命預測模型以及壽命預測方法的研究提供數據支持。 (2)基於臨界面法，提出了一種考慮平均應力影響的高周多軸疲勞破壞準則。該準則是以最大剪應力值所在的平面為臨界面，並包含剪應力幅、正應力幅和平均正應力三個損傷參量的非線性組合形式的疲勞破壞準則，考慮了平均剪應力以及平均正應力對疲勞壽命的影響。通過多種材料的在比例及非比例路徑下的拉-扭高周多軸疲勞壽命試驗數據，並與McDiarmid 準則、Matake 準則和Papadopoulos 準則進行了對比，驗證了所提準則的準確度。(3) 基於所提出的準則轉換得到高周多軸疲勞壽命預測模型，通過幾種材料的恆幅疲勞試驗數據的驗證表明，所提的模型具有較好的預測效果，幾種材料的壽命預測結果大部分位於在三倍誤差帶之內，並且說明了相位差對疲勞壽命的影響。 (4) 運用所提出的高周多軸疲勞壽命預測模型，基於主輔通道循環計數法實現了對隨機載荷下的高周多軸疲勞壽命預測，取得了令人滿意的預測效果。 (5) 提出了用於確定臨界平面的加權函式方法。臨界平面被假定為與平均最大絕對剪下應力平面重合，該平均最大絕對剪下應力平面通過平均試樣軸線和最大絕對剪下應力平面的法線之間的瞬時角度來計算。所提出的確定臨界平面的方法通過疲勞數據來驗證，並且多軸疲勞壽命也被預測以驗證所確定的臨界平面。 （6）提出了一種基於應變參數的加權函式方法。臨界平面定義為加權平均最大絕對剪下應變平面。基於最大剪應變提出了權重函式, 然後由多軸疲勞損傷模型計算疲勞壽命,並經恆幅和變幅拉扭載荷下的疲勞實驗數據通過驗證。在隨機載入下，採用Wang-Brown的方法作為循環計數方法。結果表明，提出的確定臨界平面的方法適用變幅載荷下高周多軸疲勞壽命預測。