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疲劳寿命预测的应力梯度效应研究 口 吴 波 口 谭建松 口 王建平 口 庞 铭 口 胡定云 中国北方发动机研究所 动力工程中心 河北廊坊 065000 摘 要：分析不同形式缺 口试件根部的非均匀应力场分布，重点研究材料危险点周围应力梯度对构件缺 口敏感性与 尺寸效应的影响。通过FE—Fatigue疲劳分析软件，基于应力梯度修正方法对两组具有不同缺 口形式试件的拉压疲劳寿命 进行了预测分析。数值计算结果与试验数据的比较，说明采用应力梯度修正方法预测疲劳裂纹的形成寿命，其精度要高于 传统的局部应力应变法，并能在一定程度上反映疲劳寿命预测中的尺寸效应。 关键词 ：应力梯度 FE—Fatigue 疲劳寿命 尺寸效应 中图分类号：TG115；TP39 文献标识码 ：A 文章编号：1000—4998(2009)l1—0056—04 应 力集 中对构件 疲劳 强度 的影 响显著 ，目前对 构 高循 环 还 是低 循 环 疲 、 件疲 劳 强度 设计及 疲 劳模 拟 试 验 ，所 控制 的都 是 危 险 劳破 坏 ，在 低 于材 料 点 的最 大应 力 。例 如 预测 缺 口疲 劳裂 纹形 成 寿命 的局 宏 观屈 服 极 限 的循 环 部 应 力 应 变 法 ，常 用 的是 Neuber法 与 Peterson法 ，均 载 荷 作 用 下 ，构 件 内 ● 没有 考虑危 险 点周 围材料 应力场状 况对 构件 真实疲劳 部 材料 都会 或 多或少 ＼ ＼M ／ 强度 的影 响 。预测缺 口试件 的疲劳寿命往往发生预测 地存在某种程度 的微 ． P． 结 果 与试 验结 果偏 差 比较 大 的 问题 一I。另外 ，在 构件 观 塑 性 变 形 ，这 些 微 的疲 劳模 拟试 验 中 ，通 常采 用 的是 几 何相似 的缩 比模 观 塑性 变形 主要 发生 ▲图1 宏观非均匀应力场中 型 。在很 多情况 下 ，虽然模 型 与实 际构件 的危 险点应力 在 构件 材料 内部 的一 微观塑性区分布 值相 同，但 其应 力梯 度分 布并不相 同 。这 使模 拟试 验结 些缺 陷 、夹 杂 、空洞 或 晶界等 应力集 中部位 。由于微观 果 很难 代 表真 实 构件 的疲 劳性 能 ，是 造 成处 于 非 均匀 应力 集 中 的范 围相对 很小 ，微 观 塑性 区 (M．P．z)的发 应力场 的试 验件 疲劳 强度 尺寸 效应 的重要 原 因 1。 展 受 到周 围材料 的弹性 约束 ，在 时 间和空 间上 都 不 容 基 于 上述 情 况 ，通 过分 析 不 同形 式缺 口试 件 根 部 自由进行 。而 弹性 约束 作 用 的强 弱 又 与微 观 塑性 区周 的非 均 匀应 力场 分 布 ，在疲 劳寿 命 预测 中采用 应 力梯 围应力场 的分 布 和时 间历程 密切 相关 。 度修正 的方法 ，对两种具有不 同缺 口形式 的试验件进 图1给 出 了宏 观非 均 匀应力场 中微 观塑 性 区 的分 行 了单轴拉压疲劳试验 ，得到其寿命预估分析 ，研 究 了 布 示 意 图，从 图 中可 以看 出在应 力梯 度 较 小 的 A区 ， 对 缺 口疲 劳裂纹 形 成 寿命 中的应 力梯 度效应 ；并对 几 微 观 塑 性 区分 布范 围较 大 。在 应 力梯度 较 大 的 区 ， 组 具有 不 同尺寸 的几何 形状 相似 试验 件 的疲劳寿命 预 由于应 力梯 度较 大 ，应力水平 急剧下 降 ，微观 塑性 区分 测 中的尺寸效应进 行数 值计算 分析 。 布 范 围较 小 。同时 ，随着 应 力水平 的 降低 ，微 观 塑性 区 变 得 越 来越