[发明专利]一种包含平均应力影响的金属材料多轴高周疲劳失效预测方法

权利要求书

1.一种包含平均应力影响的金属材料多轴高周疲劳失效预测方法，其特征在于包括以下几个步骤：

步骤A，对金属材料制成的结构的危险部位进行理论计算或者有限元分析，得到危险部位的轴向应力幅σ_x,a、轴向平均应力σ_x,m，剪切应力幅τ_xy,a、剪切平均应力τ_xy,m，及轴向应力σ_x与剪切应力τ_xy之间的相位差δ；

步骤B，若由步骤A得到的轴向应力幅σ_x,a和轴向平均应力σ_x,m之和没有超过拉伸屈服强度，以及剪切应力幅τ_xy,a和剪切平均应力τ_xy,m之和也没有超过剪切屈服强度时，即没有塑性应变时，则适用于多轴高周疲劳失效预测模型；否则为低周疲劳，不适用于多轴高周疲劳失效预测模型；

步骤C，对于存在轴向平均应力和剪切平均应力的情况，依据单轴疲劳试验得到的轴向平均应力为σ_x,m、轴向应力幅为σ_x,a和疲劳寿命为N_f确定轴向平均应力和剪切平均应力影响系数α；

步骤D，以危险部位平面上剪应力幅τ_a和法向应力幅σ_n,a的非线性组合在疲劳加载过程中达到最大值时作为临界面，然后利用单轴疲劳和纯扭转疲劳作为边界条件，并且包含轴向平均应力和剪切平均应力的影响，最终建立金属材料多轴高周疲劳失效预测模型，将步骤A中得到的轴向应力幅σ_x,a、轴向平均应力σ_x,m、剪切应力幅τ_xy,a、剪切平均应力τ_xy,m及轴向应力σ_x与剪切应力τ_xy之间的相位差δ和步骤C中得到的轴向平均应力和剪切平均应力影响系数α代入多轴高周疲劳寿命预测模型，计算得到预测寿命N_f和疲劳裂纹方向φ；

所述步骤D中多轴高周疲劳寿命预测模型为：

${\mathrm{\τ}}_f^{`}{\left(2N\right)}^{b_{\mathrm{\γ}}}=\sqrt{\left(2{\mathrm{\τ}}_f^{`}{\left(2N\right)}^{b_{\mathrm{\γ}}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\τ}}_f^{`}{\left(2N\right)}^{b_{\mathrm{\γ}}}}{{\mathrm{\σ}}_f^{`}{\left(2N\right)}^b}-{\left(\frac{{\mathrm{\τ}}_f^{`}{\left(2N\right)}^{b_{\mathrm{\γ}}}}{{\mathrm{\σ}}_f^{`}{\left(2N\right)}^b}\right)}^2}\right){\mathrm{\τ}}_a+(\frac{2{\left({\mathrm{\τ}}_f^{`}{\left(2N\right)}^{b_{\mathrm{\γ}}}\right)}^2}{{\mathrm{\σ}}_f^{`}{\left(2N\right)}^b}-{\mathrm{\τ}}_f^{`}{\left(2N\right)}^{b_{\mathrm{\γ}}})({\mathrm{\σ}}_{n,a}+{\mathrm{\α\σ}}_{n,m})}$

其中N为循环数，σ`<sub>f</sub>、b分别为拉伸疲劳强度系数和指数，τ`_f、b_γ分别为扭转疲劳强度系数和指数，τ_a、σ_n,a、σ_n,m分别为临界面上的剪应力幅值、法向应力幅值、法向平均应力值，其表达式分别为：

式中，σ_x,a、τ_xy,a分别为加载过程中轴向应力幅值、剪切应力幅值，为临界面方向，δ为加载过程中轴向应力σ_x与剪切应力τ_xy之间的相位差；

上述多轴高周疲劳寿命预测模型式子中的未知量是疲劳循环数N和临界面方向疲劳预测寿命N_f考察范围为10⁴～10⁶，因此当循环数N从10⁴增大到10⁶，内循环从-90度增大到90度时，如果满足等式左边等于右边，且右边式子数值达到最大值的条件时，程序输出此时的N和即预测寿命N_f＝N，预测的疲劳裂纹方向

2.根据权利要求1所述的一种包含平均应力影响的金属材料多轴高周疲劳失效预测方法，其特征在于：所述步骤C中轴向平均应力和剪切平均应力影响系数α计算式如下：

α＝(σ_x,ae-σ_x,a)/σ_x,m

式中，σ_x,ae为单轴疲劳时的等效对称应力幅，σ_x,a、σ_x,m分别为单轴疲劳加载过程中轴向应力幅、轴向平均应力；

当无法获得存在轴向平均应力下的单轴疲劳数据时，影响系数α的计算式又可用下式进行估算：

α＝σ_-1/σ_y

式中，σ_-1为单轴对称疲劳极限，σ_y为拉伸屈服强度。