含缺口构件疲劳寿命预测方法.docx

(西安建筑科技大学冶金工程学院,陕西西安710055)摘要:概述了含缺口构件疲劳寿命预测方法,重点介绍了名义应力法、局部应力2应变法和应力场强法,总结了这些方法预测含缺口构件疲劳寿命的原理、应用方法、适用范围、优缺点,并介绍了近几年来这些预测方法在国内外的研究现状和进展。关键词:含缺口构件;名义应力法;局部应力2应变法;应力场强法中图分类号:TH114文献标志码:ASa=σa零件在交变应力作用下的损坏叫做疲劳破坏。它是金属构件损伤失效的重要形式之一,疲劳破坏一般具有以下特点:第1,断口上没有明显的宏观塑性变形,断裂前没有明显的预兆,表现为突然的破坏。第2,引起疲劳断裂的应力很低,常常低于静载时的屈服强度。第3,疲劳破坏能清楚地显示出裂纹的发生、扩展和最后断裂3个组成部分。据统计,机械零件的破坏,80%为疲劳破坏[1],特别是大型机械零件,结构复杂的机械零件,使用环境在高温、高速运动下机械零件,加上随机因素的增加,疲劳破坏更是层出不穷。因此,关于疲劳破坏问题的研究得到了极大的关注,而其中疲劳寿命的预测是重点研究的内容之一。疲劳寿命是指某种材料或某种构件疲劳失效时所承受的应力应变循环的次数N。疲劳寿命涉及机械零件使用时的可靠性和机械零件的使用寿命,因此,也是设计人员和工程技术人员十分关注的课题。以下主要就对含缺口机械零件(或部件)进行疲劳寿命预测方法的研究进行回顾,并对研究现状和进展作以叙述。εβCL(1)kf式中σa是材料S2N曲线的应力,如果外载荷的平均应力Sm≠0,还要做平均应力修正。最后通过疲劳累计损伤理论估算该构件的疲劳寿命。[2]该方法认为,对任一构件(或结构细节或元件),只要应力集中系数kt相同,载荷谱相同,它们的寿命就相同。此法中名义应力为控制参数。S2N曲线是描述材料疲劳行为的基本数据,对于名义应力法来说,S2N曲线的获得是至关重要的。因此,为了获得这一曲线,很多研究人员从理论、试验以及理论与试验相结合等不同手段与角度提出了众多的S2N曲线模型。等人[3]J.Liu利用名义应力法预测了2A12-T4飞机用铝合金含缺口件的疲劳寿命,并集合内插法得了某种kt下的S2N曲线,最后建立了该Hao[4]材料的疲劳寿命预测模型。HuQuao和Xu提出了一种两参数的名义应力法,并通过试验证明了用该方法对构件进行疲劳寿命预测,其结果更为精确。TanakaK等学者[5]通过扭转弯曲试验得到了JISSUJ2轴承钢的S2N曲线,并且通过此曲线获得了该材料表面和内部裂纹传播的规律。A.Fatemi等人[6]还利用S2N曲线对铸造和调质条件下的含缺口微合金钢构件疲劳行为和寿命进行了预测,并证明了对于有较长寿命的构件,利用S2N法对其疲劳行为和寿命进行预测,其结果明显好于下面叙述的应变法。RevueltaD等人[7]以承受周期载荷下复合材料的残余强度变化为模型,来获得S2N曲线,该模型不但较好地描述了复合材料疲劳行为的S2N曲线,而且在一定程度上反映了该材料的疲劳机理。名义应力法操作简单,适用于工业生产。但是这种方法也存在一些不足,首先由于该方法是在弹性范围内研究疲劳问题,不能考虑塑性变形的问题,同时由于没有考虑缺口根部的局部塑性变形,计算名义应力法1所谓名义应力,就是指缺口试样或要计算的结构元件所受载荷被试样的净面积所除得到的应力值S,也就是该面积上平均分布的应力值。名义应力法是一个传统的安全疲劳寿命估算法,即采用S2N曲线来确定缺口试样的疲劳寿命。对于该方法来说,危险部位应力值S的确定是至关重要的。由于构件的几何形状千变万化,因此要获得危险部位的S,必须将材料的S2N曲线修改成构件的S2N曲线。这通常需要根据实际情况来修改参数,如:疲劳缺口系数kf、尺寸系数ε、表面质量系数β、加载方式CL等。这样,构件的应力值Sa就可通过式(1)确定。《新技术新工艺》·数字技术与机械加工工艺装备2008年第8期·31·人[14]通过试验比较了Neuber法和ESED(equiva2lentstrainenergydensity)法,得出与ESED法相比,Neuber法更加适合于平面应力载荷条件的寿命预测,并且其在拉伸条件下的预测结果好于在弯曲条件下的预测结果。A.Varvani2farahani等学者[15]利用Neuber法计算了4340钢,高强度钢,2024-T3和7075-T6铝合金缺口根部的应力应变值,并结合基于能量的临界面疲劳损伤法预测了这些材料的疲劳寿命,其预测结果与试验测得的疲劳寿命非常吻合。RolandMücke等人[16]还利用Neuber法建立了预测各向异性材料疲劳寿命的模型,并且通过范例证明了该模型的适用性。在寿命估算中由于计算出的局部应力应变过大,因此使用疲劳缺口系数kf来代替理论应力集中系数kσ,从而得到了公式(4)。误差较大