[发明专利]基于单个缺陷的多轴疲劳寿命预测方法

说明书

本发明公开了一种基于单个缺陷的多轴疲劳寿命预测方法，步骤如下：预测单轴拉伸载荷和纯扭载荷下的疲劳寿命；计算单轴拉伸载荷下的疲劳强度极限和纯扭载荷下的疲劳强度极限；运用单轴拉伸载荷和纯扭载荷下的应力‑寿命数据拟合求解负反斜率；预测单个缺陷的多轴疲劳寿命。本发明将多轴疲劳寿命预测与材料内部缺陷相联系，整个评估过程中无需进行疲劳试验，预测过程相对简单，缩短时间周期，经济性与便捷性普遍提高。

技术领域

本发明属于航空系统技术领域，具体指代一种基于单个缺陷的多轴疲劳寿命预测方法。

背景技术

增材制造技术(Additive Manufacturing,AM)的快速发展改变了工业制造的生产方式。无论是解决传统制造的结构难题，还是航空航天维修的省时省力，又或者是飞行器的轻量化发展，都需要AM技术进入航空航天领域的产业化生产。然而目前增材制造部件还不能代替传统制造部件，究其原因，是增材制造工艺还不够成熟，但更重要的原因是人们对其内部缺陷的材料性能的影响没有完全了解。大量的研究表明，AM金属构件的疲劳性能受许多因素的影响，如打印的构建方向、粉末层厚、热处理、内应力、材料内部缺陷等等。其中缺陷主要是由于制造工艺的不完善引起，使得产品易产生一些肉眼不可见的空腔或杂物，例如气孔、未熔合区域、氧化物夹杂等导致应力集中，从而影响抗疲劳性能。为了能让AM材料在航空航天等领域得到更广泛的应用，必须要对AM材料的特性，特别是在疲劳特性方面进行更加仔细和深入的研究。

AM材料作为近年来热门的研究对象，受到越来越多的研究人员关注，对材料的内部缺陷的尺寸、形状和位置的研究已经取得了许多进展。但是，大多数研究都是针对单轴载荷的，对多轴载荷的疲劳研究则很少，阻碍了对AM材料疲劳性能的理解。目前的工程构件往往承受多轴疲劳载荷，而多轴疲劳的寿命预测一般会需要单轴和纯扭载荷下的应力寿命曲线和疲劳极限，这些参数通常是由单轴和纯扭疲劳实验测得，即对于多轴疲劳的寿命预测首先要进行完整的单轴和纯扭疲劳实验，获得二者的应力-寿命曲线，用以估计相关的疲劳极限和负反斜率，最后与多轴疲劳寿命预测模型相结合。因此，多轴疲劳寿命预测的相关工作量很大，周期长且成本高，这为工程实践带来很大的不便。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于单个缺陷的多轴疲劳寿命预测方法，以解决现有技术中多轴疲劳寿命的预测需要进行完整的单轴和纯扭的疲劳试验，造成工作量大和成本高的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种基于单个缺陷的多轴疲劳寿命预测方法，步骤如下：

(1)预测单轴拉伸载荷和纯扭载荷下的疲劳寿命；

(2)计算单轴拉伸载荷下的疲劳强度极限和纯扭载荷下的疲劳强度极限；

(3)运用单轴拉伸载荷和纯扭载荷下的应力-寿命数据拟合求解负反斜率；

(4)使用修正的曲线方法预测单个缺陷的多轴疲劳寿命。

优选地，上述步骤(1)中单轴拉伸载荷和纯扭载荷下的疲劳寿命预测基于疲劳裂纹扩展模型；包含短裂纹扩展在内的疲劳裂纹扩展阈值ΔK_th随裂纹长度变化的表达式：

ΔK_th＝ΔK_dR+ΔK_cR[1-e^-k(a-d)],a≥d