金屬材料多軸隨機載荷下疲勞壽命分析

《金屬材料多軸隨機載荷下疲勞壽命分析》是依託南京航空航天大學，由姚衛星擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：金屬材料多軸隨機載荷下疲勞壽命分析
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：姚衛星
• 依託單位：南京航空航天大學

項目摘要

絕大多數機械和結構受到多軸非比例疲勞載荷的作用。輕質長壽命高可靠性結構是交通和航空航天結構的設計要求，因此對於多軸疲勞破壞理論和疲勞壽命評估方法需求十分迫切。.本項目通過多軸疲勞損傷累積機理的試驗和理論研究，探索多軸疲勞損傷累積的規律，提出適用於多軸變路徑、變幅和變頻率隨機載荷譜作用下的疲勞損傷累積理論，進行試驗驗證；針對工程結構的實際載荷譜情況，研究載荷譜的分類方法，提出適用於不同類型載荷譜的疲勞累積損傷理論，進行工程適用性評估和試驗驗證。.本項目對於揭示多軸疲勞破壞的機理具有學術意義，對於工程結構的多軸疲勞設計具有實用參考價值。

結題摘要

本項目完成了多軸疲勞累積損傷理論、載荷譜分類與簡化、缺口件多軸疲勞壽命分析等研究工作。 按照載荷隨機性，將多軸累積損傷理論研究中已有的多軸變幅載荷分為階梯譜、塊譜和隨機譜。然後，按照損傷累積方式和對多軸疲勞損傷方向性的認識，將已有的多軸疲勞累積損傷理論分為四類：(a) 不分方向的線性累積模型；(b) 不分方向的非線性累積模型；(c) 分方向的線性累積模型；(d) 分方向的非線性累積模型。通過統計對比各模型的套用情況，對它們的適用範圍、計算效果進行了初步分析。 使用LY12CZ鋁合金進行了一系列多軸兩級階梯譜試驗。通過分析試驗結果發現，載荷速率的變化與材料臨界面上的多軸應力狀態變化情況有關。本文提出了一種新的累積損傷模型用來描述多軸階梯譜下的疲勞損傷累積規律。新模型的累積損傷計算結果與試驗結果相比，準確率較高。 使用LY12CZ鋁合金進行了一系列多軸塊譜、隨機譜試驗。試驗結果表明，雖然載荷幅值和載荷路徑的變化對損傷累積速率有影響，但是這種影響隨著載荷隨機性的增加而減弱。最終，Miner理論可以較好地描述多軸塊譜和隨機譜下的損傷累積規律。因此，對於工程結構，使用Miner理論計算多軸疲勞累積損傷是合理可行的。 研究了薄壁圓管試件截面剪應力梯度對疲勞壽命的影響。然後，進一步通過考慮多軸疲勞損傷方向性和臨界面上的應力梯度效應，對單軸缺口件疲勞研究中常用的應力場強法進行了改進。之後，本文使用LY12CZ鋁合金進行了一系列多軸缺口件疲勞試驗。試驗結果表明，本文提出的改進模型有較好的壽命預測準確率。 為了對載荷譜進行合理的簡化濃縮，選取了Bhattacharyya距離作為衡量原譜與編制譜相似程度的參量，綜合考慮壽命均值與分散性，得到了載荷譜編制的方法。在捨去低載時考慮的是B距離在一定範圍內，儘可能多地捨去對疲勞損傷影響不大的載荷。在載荷折算時考慮的是在給定折算水平下，相應的B距離最小，求對應的等效譜。試驗結果表明該方法能大幅減小試驗時間，得到有效的試驗譜，進一步縮減了疲勞試驗成本。