一种新的多轴疲劳寿命预测方法
第４５卷第９期２００９年９月
机械工程学报
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＥＮＧｒＮＥＥＲＩＮＧ
Ｖｏｌ。４５Ｓｅｐ．
ＮＯ．９２００９
ＤｏＩ：１０．３９０１／ＪＭＥ．２００９．０９．２８５
一种新的多轴疲劳寿命预测方法木
李静
孙强李春旺
乔艳江张忠平
（空军工程大学理学院西安７１００５１）
摘要：已有的试验结果表明，非比例加载过程中主应变轴在循环变形中连续旋转，导致多滑移系开动，阻碍了材料内部形成稳定的位错结构，从而产生非比例循环附加强化现象，导致疲劳寿命降低。由此，以薄壁圆管拉扭疲劳试件为研究对象，在分析临界面上的应变变化特性的基础上，基于多轴疲劳临界损伤面原理，应用ｙｏｎ．Ｍｉｓｅｓ准则提出一种能够同时适用于比例与非比例加载的多轴疲劳损伤参量，并进行了平均应力修正。新的损伤参量，在考虑了临界面上最大剪应变范围和正应变范围对多轴疲劳损伤贡献不同的同时，还考虑了非比例加载下产生的附加强化对材料多轴疲劳寿命的影响。该参量不含有材料常数，便于工程应用。经正火４５钢，￥４６０Ｎ钢，１０４５ＨＲ钢，高温Ｈａｙｎｅｓ１８８合金，高温ＧＨ４１６９合金五种材料的多轴疲劳试验验证，预测结果与试验结果吻合较好。
关键词：多轴疲劳临界平面法附加强化寿命预测中图分类号：ＴＨｌｌ４
０３４６．２
比例与非比例加载
ＮｅｗＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎ
ＬＩＪｉｎｇ
ＳＵＮ
ＭｅｔｈｏｄｆｏｒＭｕｌｔｉａｘｉａｌＦａｔｉｇｕｅＬｉｆｅ
ＱＩＡＯＹａｎｊｉａｎｇ
ＺＨＡＮＧＺｈｏｎｇｐｉｎｇ
ＱｉａｎｇＬＩＣｈｕｎｗａｎｇ
（ＴｈｅＳｃｉｅｎｃｅＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＡｉｒＦｏｒｃｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａ１１７１００５１）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｘｉｓｔｉｎｇｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｃｙｃｌｉｃ
ｄｕｒｉｎｇｎｏｎ－ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｃｙｃｌｉｃｌｏａｄｉｎｇ，ｔｈｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｒｏｔａｔｉｏｎｏｆｐｒｉｎｃｉｐａｌｓｔｒａｉｎａｘｉｓｉｎ
ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｌｅａｄｓｔｏａｃｔｕａｔｉｏｎｏｆｍｕｌｔｉ－ｓｌｉｐｓｙｓｔｅｍｓｗｈｉｃｈｈｉｎｄｅｒｔｈｅｆｏｒｍｉｎｇｏｆｓｔａｂｌｅｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｓｕｂｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｉｎｓｉｄｅｔｈｅ
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ｍａｔｅｒｉａｌ．Ａｓｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｓｈｏｗａｄｄｉｔｉｏｎａｌｈａｒｄｅｎｉｎｇｕｐｏｎｎｏｎ－ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｃｙｃｌｉｎｇ．Ｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｄｃｙｃｌｉｃｈａｒｄｅｎｉｎｇｂｙ
ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｔｈｅｓｔａｔｅｏｆｔｈｅｓｗａｉｎ
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ｈａｒｄｅｎｉｎｇｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ４５，￥４６０Ｎ
ｃｒｉｔｉｃａｌｐｌａｎｅ，ａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅａｄｄｉｔｉｏｎａｌｃｙｃｌｉｃ
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ａｇｒｅｅｍｅｎｔｗｉｔｈｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍｕｌｔｉａｘｉａｌｆａｔｉｇｕｅ
Ｃｒｉｔｉｃａｌｐｌａｎｅａｐｐｒｏａｃｈ
Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌｃｙｃｌｉｃ
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Ｌｉｆｅ
ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ
Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌａｎｄｎｏｎ－ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｌｏａｄｉｎｇ
劳失效。尤其循环分量以不同相位作用时，在一个
０前言
在工程实际中，大多数机械和工程结构承受多轴循环载荷作用，即使在单轴外载荷的作用下，由于机械和工程结构几何形状比较复杂，其局部仍为多轴应力状态，相应地，其失效类型也属于多轴疲
・空军工程大学理学院学位论文创新基金资助项目（２００７Ｓ００１）。２００８１０１５收到初稿，２００９０４３０收到修改稿
循环内由于应变主轴连续旋转，导致多滑移系开动，阻碍了材料内部形成稳定的位错结构，从而产生非比例循环附加强化现象，导致机械和工程结构的寿命缩短【ｌＪ。对于这些问题，目前在多轴疲劳的众多研究方法中，最为普遍接受的方法是临界面法【２｛】。ＫＡＲＯＬＣＺＵＫ等一Ｊ综述了各临界面模型的优缺点，
并指出了进一步研究的重要性。ＢＲＯＷＮ掣２Ｊ从试
验中发现，在多轴交变载荷作用下所形成的典型裂
万方数据
机械工程学报第４５卷第９期
纹有两种，根据裂纹扩展形式的不同，他们将这两种裂纹定义为Ａ型和Ｂ型。ＫＡＮＤＩＬＥ等【３】给出了一个剪应变与法向应变的线性组合作为Ａ型裂纹表达式的简化形式（Ｋａｎｄｉｌｅ．Ｂｒｏｗｎ．Ｍｉｌｌｅｒ准则１。ＷＡＮＧ等ＩｌｏＪ引入了等效相对应变的概念，用相邻两个最大剪应变折返点之间的法向应变变程代替了Ｋａｎｄｉｌｅ．Ｂｒｏｗｎ．Ｍｉｌｌｅｒ准则中的法向应变范围，以反映非比例加载下的附加强化现象。尚德广等…ｌ基于临界面概念，利用ｖｏｒｌ．Ｍｉｓｅｓ准则将临界面上的最大剪应变范围和法向应变变程两参数合成一个等效应变幅，提出了一种与加载路径无关的多轴疲劳损伤参量。但是到目前为止，还没有一个普遍令人接受的多轴疲劳寿命预测模型。其主要原因是损伤参量中含有材料常数，这些材料常数不但物理意义不明确，而且还与材料类型有关【２圳，从而给寿命估算带来困难。
本文针对拉一扭薄壁圆管疲劳试件，首先分析了临界面上的应变状态，并在此基础上提出一个不含有材料常数且可以反映材料非比例循环附加强化现象的多轴疲劳损伤参量，利用五种材料的疲劳试验数据进行了验证，预测结果与试验结果吻合较好，对指导工程设计具有实际意义。
ｌ应变状态分析及临界面的确定
受拉一扭载衙的潭壁圆管试件如图１所不，当圆管的外径与壁厚的比值较大时，沿壁厚方向的应力梯度可以忽略不计，单元体的受力状态可以简化为平面应力状态，应变状态可以表示为
ｆ，崛ｌ／２Ａｙ矽０
１
ｌ１／２Ａｙ，ｒ一‰嵋０
Ｉ
（１）
Ｌ
０
０
一‰△毛／
对于正弦波加载，即
△‘＝Ａ＿Ｚ．ｓｉｎｃｏｔ
（２）
△岛＝竿ｓｉｎ（ｃｏｔ一伊）
（３）
式中，伊为相位差，△占为控制轴向应变范围，Ａ７为控制剪切应变范围。Ｍ。ｆｆ为等效泊松比，
定义为
‰：竺华‰５１并
（４）㈣
式中％、咋分别是弹、塑性泊松比。△巳、△６分别为弹、塑性应变范围，可由式（５）、（６）计算
蝇＝等
（５）
万方数据
嵋＝△最一等
式中Ａｏ是轴向应力范围，Ｅ是弹性模量。
假设最大剪应变平面的法线方向与薄壁圆管试件的轴线方向的夹角为口，如图１所示，根据文献【ｌ】，最大剪应变平面上的剪应变和法向应变可分别‰ｏ）＝０．５Ａ占｛［五ｃｏｓ２ａｃｏｓ缈一（１＋匕ｆｒ）ｓｉｎ２ａ］２＋
（ｚｃｏｓ２口ｓｉｌｌ伊）２ｌｖ２ｓｉｎ（耐＋刁）（７）
气（ｆ）＝ｏ．２５Ａ占｛［２（１＋％）ｃｏｓ２ａ＋２ｓｉｎ２ａｃｏｓ伊二
２％：】２＋（Ａｓｉｎ２口ｓｉｎ缈）２１啦ｓｉｎ（缈ｆ一善）
（８）
ｔａｎＣ＝・——————：＿————————・——————・Ｌ————————————一
７（１＋１２ｅｆｆ）ｃｏｓ２ａ＋（１一％ｆｒ）＋２ｓｉｎ２ａｃｏｓ
ｔａｎ
ｑ＝瓦而忑－２万ｃｏｓ可２ａｔ百——ｉ—————Ｚ■——弋＿－
以ＣＯＳＺ口ＣＯＳ够一Ｉ
ａｎ４ａ＝篱ｌ＋ｙ．牟ｌＳｍＺ口
ｓ瓦ｉｎ弘面’
（９）（１。）【ｌ∽
Ⅲ，
（＋匕ｆｆ）‘一旯２
Ａ＝ＡＴ／Ａｓ
１
（１２）
由式（７）、（８）可知，乞和‰的相位差为（善＋叩），
其范围为【－９０。，９０。】，最大剪应变平面上的最大剪
应变范围△‰和法向应变变程磊分别为
△‰＝△￡｛［兄ｃｏｓ２口ｃ。ｓ缈一（１＋‰）ｓｉｎ２口］２＋
（，ｔｃｏｓ２ｃＺＳｉｎ缈）２｝啦
（１３）《一．ａ，ｅｎ。［１＋ｃｏｓ（孝＋，７）］
（１４）
在一９０。～９０。中，满足式（１１）的口值有四个，其中两个使式（１３）取最小值，另两个使其得到最大值。由于定义临界面为具有较大法向应变幅的最大剪切平面，所以还需用这两个值计算式（８），得到较
大矗的口值即为临界面的位向角。这时临界面上的法向应变范围为
△气＝ｏ．５Ａ占｛［２（Ｉ＋ｖｅｆｆ）ｃｏｓ２ａ＋Ａｓｉｎ２ａｃｏｓ伊一
２‰】２＋（２ｓｉｎ２口ｓｉｎ伊）２ｌ啦
（１５）
表示为
２００９年９月李静等：一种新的多轴疲劳寿命预测方法
２８７
由式（１１）、（１３）和（１５）分别计算出的临界面方位、
△‰和△氏是在假定加载波是正弦波的条件下获
得的，对于三角波加载，文献【１２】的分析表明，以上公式也是适用的，故本文的计算中均采用以上公式确定临界面方位和损伤参量。
２基于临界面法的多轴疲劳损伤模型
自ＢＲＯＷＮ等１２】提出临界平面法以来，临界平面法引起许多研究者的广泛关注。目前对于多轴疲
劳寿命预测多选用临界面法，即定义具有最大法向
应变的最大剪切平面为临界平面，并利用该面上的
ｙ一，氏作为构造损伤参量的两个基本参数瞄弓ｏ。对
于非比例循环加载，由于应变主轴旋转，使材料产生附加强化，从而导致疲劳寿命缩短，因此在多轴损伤参量中应反映附加强化对材料疲劳寿命的影响。
‘
尚德广等【ｌｌ】认为相邻两个最大剪应变折返点
之间的法向应变变程ｅ可以用来反映材料非比例
循环加载下的附加强化现象，并利用ｙｏｎ．Ｍｉｓｅｓ准
则将△‰／２与《合成一个等效应变，作为临界面
上的疲劳损伤控制参量
Ａ占．Ｖ２＝ｌ《２＋（△‰／２）２／３
广
．．－１１／２
（１６）
由图２可见，在相同的等效应变幅下，虽然△氏
随着载荷间相位差的增大而增大，但是△‰／２的
值却随着载荷间相位差的增大而减小。以１０４５ＨＲ钢【４】为例，如图３所示，在相同等效应变下，与比
例加载路径相比，９００非比例圆路径下的△《／２变化不大，因此△《／２并不能很好地反映材料非比例
循环加载下的附加强化现象。
ＯＯＯＯ％，扑．扑
ＯＯＯ
相位差９，（。）
图２
１０４５
ＨＲ钢应变幅随相位差变化特性
由图２、图４可以看出在相同的等效应变下，最大剪应变平面上的法向应变范围和由Ｒａｍｂｅｒｇ—Ｏｓｇｏｏｄ方程确定的虚法向应力范围都具
万方数据
０５
Ｏ４
Ｏ３
口￡掣ｗ司Ｏ２
Ｏ●
０１
试验寿命Ｎｆ／循环数
图３不同加载路径下△《／２与疲劳寿命之间的关系
重
豪
相位差纵。）
图４
１０４５钢虚法向应力幅随相位差变化特性
有随着载荷间相位差的增大而增大的特性。由文献
［４，１２－１５］的试验数据，可以发现多轴疲劳寿命往往随着载荷间相位差的增大而减小。因此将最大剪应变平面上的法向应变范围和虚法向应力范围作为多轴损伤参数是合理的，因为它可以反映多轴疲劳寿命随载荷间相位差增大而减小的事实，符合真实情况。
从微观角度来看，疲劳裂纹通常萌生于滑移带的局部塑性区，疲劳裂纹生长是沿着裂纹尖端剪切带的聚合过程，裂纹面上的法向应变和法向应力使这种聚合加速，对疲劳裂纹生长都有贡献【４ｌ，因此构造临界平面上的损伤参量时，应当同时考虑法向应变和法向应力对疲劳损伤累积的影响。已有的试验结果表明ｐ卅，多轴循环加载下，初期的疲劳裂纹基本上沿着最大剪应变平面的方向形成，随后近似地沿着该平面的法向应变方向扩展。因此定义具有最大法向应变的最大剪切平面为临界面是合理的。基于临界平面法，定义具有较大法向应变幅的最大剪切平面为临界平面，利用ｖｏｎ．Ｍｉｓｅｓ准则将△‰。
和△毛合成一个等效应变，并引入应力相关因子
（１＋△吒／２０ｒｏ：）来考虑临界面上最大剪应变范围和
法向应变范围对多轴疲劳损伤贡献的不同，同时该因子也反映了非比例循环加载下，由于应变主轴旋转使材料产生附加强化，导致疲劳寿命缩短的现象，
２８８
机械工程学报第４５卷第９期
从而提出一种新的多轴疲劳损伤参量
式中Ｏ＇ｏ．２为屈服强度，△‰为临界面上的最大剪应
变范围，△毛，△ｃｒｎ分别为临界面上的法向应变范围和虚法向应力范围，由式（１３）、（１５）可以分别计
争＝睁（・＋射△《『（∽
等：等＋Ａｃｒｎ似
（・８）
式中叫为疲劳强度系数，群为疲劳延性系数，ｂ为疲劳强度指数，ｃ为疲劳延性指数，Ｍ为疲劳寿命。
由式（１９）可知，该模型中，只要知道了单轴疲
劳的试验结果，就可以预测多轴应变疲劳寿命。甚至，如果没有单轴疲劳试验结果，利用文献［１６１的
公式可以理论估算疲劳常数一，群，ｂ和ｃ，利用
文献【１７］理论估算疲劳常数Ｋ’和１／’，进而可以理论估算材料的多轴疲劳寿命，便于工程应用。
算出△％。、△气的值。△ｃｒｎ可以由Ｒａｍｂｅｒｇ—Ｏｓｇｏｏｄ
方程求出
３试验验证
选用５种材料来验证本文提出的多轴疲劳损伤参量的正确性。这５种材料分别为正火４５钢，￥４６０Ｎ钢，１０４５ＨＲ钢，ＧＨ４１６９合金和Ｈａｙｎｅｓ１８８合金，其各自的试验数据分别取自文献【４，１２．１５】。试样均为薄壁圆管试件，前三种材料均在室温介质条件下进行试验，后两种材料分别在６５０℃和７６０℃高温下试验。所有试验均为拉扭比例与非比例复合加载，各种材料的机械性能常数及单轴疲劳常数分别见表１和表２。
式中Ｋ’是循环强度系数，ｎ’是循环应燹硬化指数。将所提临界面准则（式（１７））与Ｍａｎｓｏｎ—Ｃｏｆｆｉｎ方程相联系，提出一个新的疲劳寿命预测模型
４３Ｅ
、
—［１＋—（１—＋Ａ—口ｒｎ百／２０—＇ｏ．：—）０一．５３６［（２Ⅳｆ）ｃ＋
岳（２Ⅳｆ）２６＋警（２Ⅳｆ）６”
（１９）
表１材料的力学性能常数
材料
疲劳强度系数口例Ｐａ
疲劳延性系数￡’疲劳强度指数ｂ疲劳延性指数Ｃ循环强度系数Ｋ＇／ＭＰａ循环应变硬化指数ｎ
注：’为６５０℃高温下材料常数，。为７６０℃高温下材料常数。
３．１正火４５钢
试验数据取自文献［１３】。共有１６种加载路径，其中非比例加载路径１３种，选取所有的比例和非比例加载试验结果来验证本文提出的损伤参量。试验结果发现【ｌ３１，其应力响应基本上不存在平均应力，因而在寿命估算中可以忽略平均应力的影响。试验结果与式（１７）得出的预测值的比较见图５，其误差分散带基本在两个因子之内。３．２Ｓ４６０Ｎ钢
试验数据取自文献【１４】，加载路径为比例、４５。
和９０。非比例路径，加载波形为正弦波。预测值与试验结果的比较见图６，其大部分预测结果分布在两个因子之内。３．３１０４５ＨＲ钢
试验结果取自文献［４】，加载路径为比例和９０。非比例路径，加载波形为正弦波。预测值与试验值比较见图７，其误差分散带在两个因子之内。
３．４
Ｈａｙｎｅｓ
１８８合金（７６０℃高温下试验）
３０。
试验数据取自文献［１５】，加载路径为比例、
、６０。和９０。非比例路径，加载波形为三角波
万方数据
２００９年９月李静等：一种新的多轴疲劳寿命预测方法
２８９
瓤
蓬
≥
纂
嚣氍
试验寿命Ⅳｆ／循环数
图５４５钢试验寿命与预测值的比较１０２１０３１０４１０５１０６
试验寿命Ｎｆ，循环数
图６￥４６０Ｎ钢试验寿命与预测值的比较
ｌ
赫
萎ｔ
乏
羹，
艇
１０３
１０４
１０５
试验寿命Ｎｆ／循环数
图７１０４５ＨＲ钢试验寿命与预测值的比较
ＧＨ４１６９合金（６５０℃高温下试验）
试验结果取自文献［１２】，试验条件为６５０℃高
２１，为了考虑等－ｌ争＋（Ｈ警ｏ－ｏ
２
Ｉ
３
Ｌ
．２
Ｈ’ｃｚｏ，
一Ｊ
８
Ｉ
、’
万方数据
赫
莲
≥
器
嚣躐
图８
Ｈａｙｎｅｓ
１８８合金试验寿命与预测值的比较
籁簧
娶
孝
器
嚣聪
试验寿命Ｎｆ，循环数
图９
ＧＩ－１４１６９合金试验寿命与预测值的比较
（１）在非比例循环加载条件下，最大剪应变平（２）提出了新的多轴疲劳损伤参量，可同时用参考文献
【１】ＫＡＮＡＺＡＷＡｋＭＩＬＬＥＲ
Ｋ
Ｊ，ＢＲＯＷＮＭＷ．Ｌｏｗ
式中《为临界面上的法向应力平均值。预测值（由
式（２０）得出）与试验结果的比较见图９，其误差分散在两个因子以内。
４结论
面上的法向应变范围△氏随相位差的增大而增大，但是最大剪应变范围△‰。，却随相位差的增大而减
小。分析表明，用△‰。。和《合成的损伤参量并不
能很好地反映材料非比例循环加载下的附加强化现象。
于比例与非比例加载，损伤参量本身不含有材料常数，可利用材料的单轴试验结果估算多轴疲劳寿命，甚至在缺少单轴试验结果的情况下仍可以结合文献【１６．１７］中的公式对材料的多轴疲劳寿命进行估算。经由５种材料的多轴比例与非比例加载试验验证，预测结果与试验结果吻合较好。
和正弦波。预测值与试验结果的比较见图８，其大部分预测结果分布在两个因子之内。
３．５
温，空气介质下应变控制拉扭复合加载，加载波形为三角波。由于存在较大的平均应力【ｌ多轴平均应力的影响，将式（１６）进行修正如下
机械工程学报
第４５卷第９期
ｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅｕｎｄｅｒｏｕｔ－ｏｆ－ｐｈａｓｅ
ｌｏａｄｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｊ．
．
Ｅｎｇ．Ｍａｔｅｒ．Ｔｅｃｈｎ０１．，１９７７，９９：２２２－２２８．
【２】２
ＢＲＯＷＮＭＷ，ＭＩＬＬＥＲＫＪ．Ａｔｈｅｏｒｙｆｏｒｆａｔｉｇｕｅ
ｆａｉｌｕｒｅ
ｕｎｄｅｒｍｕｌｔｉａｘｉａｌｓ缸＇ｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｐｒｏｃ．Ｉｎｓｔ．
Ｍｅｃｈ．Ｅｎｇ．１９７３，１８７（６５）：７４５－７５５．［３】ＫＡＮＤＩＬＥ
Ｆ
Ａ，ＢＲＯＷＮＭＷ：ＭＩＬＬＥＲＫＪ．Ｂｉａｘｉａｌ
ｌｏｗｃｙｃｌｅ
ｆａｔｉｇｕｅｆｒａｃｔｕｒｅｏｆ３１６
ｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌ
ａｔ
ｅｌｅｖａｔｅｄ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ［Ｍ］．Ｌｏｎｄｏｎ：ＴｈｅＭｅｔａｌＳｏｃｉｅｔｙＰｒｅｓｓ，１９８２．
【４】４
ＦＡＴＥＭＩＡ，ＳＯＣＩＥＤＦ．Ａｃｒｉｔｉｃａｌａｐｐｒｏａｃｈｔｏｍｕｌｔｉａｘｉａｌｆａｔｉｇｕｅｄａｍａｇｅｉｎｃｌｕｄｉｎｇｏｕｔ－ｏｆ－ｐｈａｓｅｌｏａｄｉｎｇ［Ｊ］．ＦａｔｉｇｕｅＦｒａｃｔ．Ｅｎｇ．Ｍａｔｅｒ．Ｓｗａｃｔ，１９８８，１ｌ（３）：１４９－１６５．［５】ＺＨＡＮＧ
Ｇ
Ｑ，ＰＵＧＱ，ＷＡＮＧ
Ｃ
Ｔ．Ｆａｔｉｇｕｅ
ｌｉｆｅ
ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆ
ｃｒａｎｋｓｈａｆｔｍａｄｅｏｆｍａｔｅｒｉａｌ４８ＭｎＶｂａｓｅｄ
Ｏｎ
ｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔｓ，ｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＦＥＡ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．２００６，１９（２）：３０７・３１１．
【６】ＷＡＮＧ
Ｌ，ＷＡＮＧ
Ｄ
Ｊ．“ｆｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎａｐｐｒｏａｃｈｆｏｒ
ｒａｎｄｏｍ
ｍｕｌｔｉａｘｉａｌ
ｆａｔｉｇｕｅ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ
Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆ
ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００５，１８（１）：１４５－１４８．
【７】何国求，陈成澍，高庆，等．不锈钢多轴非比例加载低
周疲劳的研究明．机械工程学报，１９９９，３５（１）：４７．５０．
ＨＥ
Ｇｕｏｑｉｕ，ＣＨＥＮＣｈｅｎｇｓｈｕ，ＧＡＯＱｉｎｇ．ｅｔａ１．Ｓｔｕｄｙ
ｏｎ
ｍｕｌｔｉａｘｉａｌ
ｌｏｗ
ｃｙｃｌｅ
ｆａｔｉｇｕｅ
ｕｎｄｅｒ
ｎｏｎｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ
ｌｏａｄｉｎｇ
ｏｆ３１６Ｌ
ｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆ
ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９９，３５（１）：４７－５０．
【８】ＬＩＪ，ＺＨＡＮＧＺＰ，ＳＵＮ
Ｑ，ｅｔａ１．Ａ扯ｗｍｕｌｔｉａｘｉａｌｆａｔｉｇｕｅ
ｄａｍａｇｅ
ｍｏｄｅｌｆｏｒｖａｒｉｏｕｓｍｅｔａｌｌｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓｕｎｄｅｒｔｈｅ
ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｔｅｎｓｉｏｎａｎｄｔｏｒｓｉｏｎｌｏａｄｉｎｇｓ川．Ｉｎ：．Ｊ．
Ｆａｔｉｇｕｅ，２００９，３１：７７６－７８１．【９】ＫＡＲＯＬＣＺＵＫ凡ＭＡＣＨＡ
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【１７】李静．金属多轴疲劳寿命预测模型研究【Ｄ】．西安：空军
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ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００８．
作者简介：李静，男，１９８５年出生，博士研究生。主要研究方向为航空金属材料的疲劳与断裂。
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一种新的多轴疲劳寿命预测方法
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
李静， 孙强， 李春旺， 乔艳江， 张忠平， LI Jing， SUN Qiang， LI Chunwang，QIAO Yanjiang， ZHANG Zhongping空军工程大学理学院,西安,710051机械工程学报
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING2009，45(9)0次
参考文献(17条)
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17.李静 金属多轴疲劳寿命预测模型研究 2008
相似文献(10条)
1.期刊论文 张凯 多轴疲劳测试方法的数值仿真 -计量与测试技术2010,37(4)
利用有限元法和临界平面法,提出一种适用于复杂循环载荷下工程构件疲劳测试手段的仿真方法.用此方法仿真了拉扭循环载荷下SAE1045钢缺口试件的多轴疲劳测试,并与实验结果进行了比较.结果表明,此方法可用于工程实际.
2.学位论文 刘光熠 多轴载荷下发动机中介机匣强度与寿命研究 2005
中介机匣是涡轮风扇发动机的重要承力部件.它结构复杂,承受着多种不同方向不同相位的随机载荷,是典型的承受多轴载荷的构件.本文针对某发动机铸造钛合金机匣开展其多轴载荷下的强度与寿命研究.详细分析了中介机匣的结构特点和载荷特点,用有限元法分别计算了38种气动载荷状态、141种机动载荷状态以及气动与机动组合载荷状态下中介机匣的应力、应变状态.分析表明:各载荷状态下机匣整体的应力水平不高,大部分处于弹性范围.在气动载荷状态下应力集中点位置不变,在机动载荷状态下应力集中点随载荷状态的改变而改变.在组合载荷下机匣局部出现塑性,在1.5倍组合载荷作用下机匣可能发生破坏.运用单轴疲劳理论对中介机匣的气动循环寿命与标准循环寿命进行了预测,结果表明:中介机匣在气动载荷与组合标准载荷下都能满足低循环疲劳寿命要求.详细阐述了基于临界平面法的多轴疲劳理论,结合权函数法使之可以应用于随机载荷.基于单轴雨流计数法提出了一种多轴载荷计数方法,并编写了相应的计算机程序.最后,运用多轴疲劳理论对中介机匣的气动循环寿命与标准循环寿命进行了预测,结果同样表明:中介机匣在气动载荷与组合标准载荷下都能满足低循环疲劳寿命要求.与单轴疲劳理论预测寿命比较,多轴疲劳理论预测的寿命较小.
3.期刊论文 钱文学.尹晓伟.何雪浤.谢里阳.QIAN Wen-xue.YIN Xiao-wei.HE Xue-hong.XIE Li-yang 压气机盘疲劳可靠性数字仿真分析 -东北大学学报（自然科学版）2006,27(9)
以多轴疲劳的临界平面法为基础,应用随机有限元法确定了压气机盘榫槽部位应力的分布参数,通过标准试样的应变控制低循环疲劳试验确定了材料参数的分布,采用数字仿真分析技术,得到了压气机盘寿命的分布形式和分布参数,建立了压气机盘疲劳可靠性模型.由仿真分析结果可知此方法是可行的,它可以有效降低压气机盘的试验费用,缩短试验周期,具有较高的精度.
4.期刊论文 戚东涛.程光旭.段权.魏生桂 基于临界平面法的复合材料多轴疲劳损伤参量研究 -西安交通大学学报2003,37(11)
基于临界平面方法,提出一种用于纤维增强复合材料的多轴疲劳损伤参量,研究了复合材料多轴疲劳损伤特征.同时设计出一种缠绕复合材料管状试样,进行了拉扭双轴疲劳实验研究.根据双轴载荷条件下管状试样的应力-应变分析及双轴疲劳实验结果,绘制出了基于临界平面的多轴损伤参量与疲劳寿命关系图,可对不同缠绕角的复合材料疲劳寿命进行预测.结果表明:与传统的应力-寿命预测曲线相比较,新的疲劳损伤参量更适合于复合材料的多轴疲劳研究,计算结果与实验结果吻合较好.
5.学位论文 杨艳红 发动机构件多轴疲劳寿命分析与试验载荷谱编制方法研究 2004
针对承受多轴载荷作用下的发动机构件,开展多轴载荷谱的统计分析、多轴载荷下构件应力应变响应计算、多轴疲劳寿命计算及多轴试验载荷谱编制方法研究.首先,对实测的某航空发动机表征气体力的转速谱和表征外部作用力的过载系数谱的进行了统计分析,结果表明两参数之间有相位差以及变化频次不相等,从而说明了发动机构件承受的气体力与外部作用力是多轴非比例的.然后,以某发动机燃烧室机匣为例进行了多轴比例载荷和非比例载荷下的有限元应力分析,得到该构件的应力分布情况以及在各载荷状态下应力集中点的位置变化情况,由分析可知:比例加载过程中应力危险点的位置不变,而非比例载荷下应力危险点的位置会发生变化,从而构件有产生多点破坏的可能.然后,阐述了基于临界平面法的低周多轴疲劳和高周多轴疲劳寿命方法,进行了有关分析和改进,并利用有限元应力计算结果,进行了多轴疲劳寿命计算,并与单轴疲劳寿命计算结果进行了比较,两者的预测结果存在比较大的差别.最后,以承受拉扭双向载荷的薄壁圆管为对象,运用多轴疲劳理论,提出了多轴疲劳试验谱的编制初步方法,并按损伤等效原则编制了多轴疲劳试验谱,其中包括一级载荷谱、三级载荷谱和九级载荷.
6.期刊论文 李静.孙强.乔艳江.李春旺.张忠平.Jing Li.Qiang Sun.Yanjiang Qiao.Chunwang Li.ZhongpingZhang 基于临界平面法的拉扭双轴疲劳寿命估算模型 -固体力学学报2010,31(1)
基于临界平面法,分析了WB模型的缺陷.研究发现:WB模型中的法向应变变程不能很好地反映材料非比例循环加载下的附加强化现象,且模型中的经验常数是一个与寿命相关的参数,该参数不能简单的利用拉伸和扭转疲劳极限来确定.为克服WB模型的缺陷,提出了一个新的有效循环变量,引入了一个新的应力相关因子,建立了新的寿命估算模型.新的有效循环变量不含经验常数,应力相关因子能够反映材料非比例循环加载下的附加强化现象,所建模型能够精确估算材料的多轴疲劳寿命,便于工程应用.
7.学位论文 刘克格 多轴加载下缺口件应力应变分析与寿命预测的研究 2003
该文针对多轴比例恒幅加载情况下的缺口件进行了应力应变分析和寿命预测研究.第一,在多轴疲劳寿命预测的问题上临界平面法是一种比较好的方法,而影响临界平面法预测结果精确度的主要因素是所进行的应力应变分析.第二,针对多轴比例加载的情况,对缺口件采用了多种己有的方法进行了弹塑性应力应变的计算,并提出了一个新的计算公式.通过对同一构件进行计算,结果表明新方法是可行的.第三,采用有限元法对受弯扭情况下的缺口件进行了应力应变分析.如果单元选择和网格划分合适,其计算结果比较准确.随着计算机技术的发展,有限元法将受到广泛应用.第四,通过对多轴疲劳损伤临界面上的应力应变及损伤参量进行分析,提出了两个新的计算多轴缺口件的寿命估算方法.由于该方法考虑了临界损伤平面上的两个控制疲劳损伤的主要参数,因而其本身具有一定的物理意义.利用该文提出的寿命预测模型,对缺口件的寿命进行了计算并和实际寿命进行了比较,结果表明该模型是合适的.
8.会议论文 王雷.王德俊 多轴疲劳研究的新进展 2002
介绍了多轴疲劳的研究进展,阐述了多轴疲劳研究中的几个重要问题:(1)非比例载荷引起的附加强化作用;(2)基于临界平面概念的多轴疲劳寿命估算模型;(3)变幅或随机多轴疲劳断裂平面的确定及多轴循环计数方法.对国内外学者的研究方向、方法进行了综述.认为临界平面法是考虑非比例附回强化作用的较好方法.对于韧性材料的低周疲劳,最大剪应变平面作为临界平面最为合理.随机多轴疲劳断裂平面的确定及多轴循环计数方法需要进一步的研究与验证.
9.期刊论文 崔海涛.汪震.温卫东.徐颖.CUI Hai-tao.WANG Zhen.WEN Wei-dong.XU Ying 微动疲劳寿命可靠性分析方法 -航空动力学报2009,24(6)
针对结构的微动疲劳问题,发展了一种寿命可靠性分析方法.在微动条件下,接触区域处于多轴应力状态,采用基于临界平面法的多轴疲劳参数对结构的微动疲劳寿命进行预测.在确定性寿命计算的基础上,考虑弹性模量、摩擦系数以及寿命预测模型中材料常数的随机性,利用响应面方法,结合Monte-Carlo模拟技术获得结构微动疲劳寿命可靠性模型.最后将此方法用于燕尾榫结构的微动疲劳寿命可靠性分析,验证了所提出方法的可行性和有效性.
10.期刊论文 王雷.王德俊 多轴疲劳寿命预测及验证 -东北大学学报(自然科学版)2002,23(2)
以薄壁管试件为研究对象,分析了拉扭联合加载作用下的多轴疲劳应变变化特性.根据多轴疲劳临界平面法原理,以临界平面上最大剪应变幅、正应变幅以及表征材料总体损伤水平的非比例度为参数建立多轴疲劳损伤参量,结合Manson-Coffin方程建立了多轴疲劳寿命预测模型.该模型考虑了材料总体损伤程度.模型中表征材料总体损伤的非比例度是加载参数的函数,与多轴疲劳应变变化特性密切相关.试验验证,预测寿命误差因子小于1.5.
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下载时间：2010年10月12日