一种基于非线性累积损伤理论的结构疲劳寿命计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明提供一种基于非线性累积损伤理论的结构疲劳寿命计算方法，属于疲劳损 伤分析及可靠性评估技术领域。
【背景技术】
[0002] 据统计，工程实际中发生的疲劳断裂破坏，占全部力学破坏的50%_90%，是机械、结 构失效的最常见形式之一。产品在载荷的防腐循环作用下，会产生疲劳损伤，当损伤值达到 一定的阈值时，结构将疲劳失效。
[0003] 目前变幅载荷计算损伤较多采用表明Palmgren-Miner线性法则，但是其计算结 果具有较大的分散率，因此寿命评估精度较低。在最近几年中，发展了一些基于各种断裂 力学理论和实时观测技术的模型，考虑了由裂纹尖端处的材料塑形变形引起的残余应力和 裂纹尖端闭合现象，包括一些基于实验数据的非线性累积损伤理论。这些模型方法虽然比 Miner法则更为准确，在一定程度上得到了应用，但是由于需要大量的实验数据来拟合，工 程适用性不强。
[0004] 基于以上背景和分析，本发明提出了一种基于非线性累积损伤理论的结构疲劳寿 命计算方法，只需要材料的循环应力-应变曲线和常幅应变寿命曲线等少量的材料性能数 据，计算简单，可以应用金属构件的中低周应变疲劳寿命分析中。
【发明内容】
[0005] (1)本发明的目的：针对Palmgren-Miner线性法则计算精度低和以前非线性累积 损伤理论计算方法复杂的特点，提供一种简化型的基于应变参数的非线性累积损伤理论计 算累积损伤，从而计算构件的疲劳寿命。它首先需要确定构件的危险区域，然后确定初始损 伤代入计算，通过仪器或者仿真手段获取应力谱，通过非线性累积损伤理论，计算金属结构 在应力谱下的累积损伤和疲劳寿命。
[0006] (2)技术方案：
[0007] 本发明提出的一种基于非线性累积损伤理论的结构疲劳寿命计算方法，基于如下 假设：
[0008] 假设1疲劳载荷谱已知，由m级大小不同的载荷组成，每级所造成的损伤记为Dm， Dm广生后永久存在；
[0009] 假设2当Dm的累积达到极限值D时，一般D取0. 5-2之间，代表金属结构的疲劳 已经达到极限，结构疲劳破坏。
[0010] 该方法的具体步骤如下：
[0011] 步骤一、通过有限元分析软件或者力学理论计算，对金属结构进行应力分析，确定 金属结构中应力值较大的区域作为危险区域进行分析。
[0012] 针对有限元分析软件，可以利用 NASTRAN、ADINA、ANSYS、ABAQUS、MARC、MAGS0FT、 COSMOS等软件，建立金属结构的有限元模型，并取结构典型的工况进行静力学和动力学分 析，找出在典型工况下，应力值或者应力幅值较大的危险点或危险区域。对于一般的金属结 构来讲，其应力达到其屈服极限的80%以上，属于比较危险，应该列为危险区域。
[0013] 步骤二、根据金属结构的已经服役年限和外表质量检测，确定其初始损伤。
[0014] 按照金属结构的服役年限和其材料应力-循环次数曲线（S-N曲线)，可以初步判 定其是否进入了疲劳。低周疲劳循环次数可定义为IO 3-IO5次数，高周疲劳循环次数大于 IO5次数。当已服役循环次数超过IO3时，初始损伤可以计入损伤。根据外表质量检测其 是否有裂纹存在，可判定初始损伤的具体数值。当裂纹小于0. 2_时，初始损伤可确定为 0. 01-0. 1 之间。
[0015] 步骤三、通过结构应力检测仪器，测量一定周期内危险区域中结构的应变-时间 谱或者应力-时间谱，获得如图1所示的应力谱。同时，可以利用ADAMS软件，进行动力学 仿真，获取其仿真应力谱。
[0016] 通过在金属结构物上，采用应变片贴片形式，测量结构物在各种典型工况下的应 变-时间历程。针对纯金属结构物，可以直接采用应变片测量的数据作为其应变的实际数 据。针对焊接结构，其焊趾处的应力不能直接测量获取，采用多点测量的方式，间接计算获 取焊趾处的应力。板型焊接结构的应力贴片的测点图如图2所示，焊趾处的应力采用公式 1所示。管型焊接结构的应力贴片的测点图如图3所示，焊趾处的应力采用公式2和公式3 所示。
【主权项】
1. 一种非线性累积损伤理论的疲劳寿命计算方法，其特征在于： 它在下列假设条件下进行： 假设1疲劳载荷谱已知，由m级大小不同的载荷组成，每级所造成的损伤记为Dm，Dm产 生后永久存在； 假设2当Dm的累积达到极限值D时，一般D取0. 5-2之间，代表金属结构的疲劳已经 达到极限，结构疲劳破坏； 该方法的具体步骤如下： 步骤一、通过有限元分析软件或者力学理论计算，对金属结构进行应力分析，确定金属 结构中应力值较大的区域作为危险区域进行分析； 针对有限元分析软件,可以利用 NASTRAN、ADI NA、ANSYS、ABAQUS、MARC、MAGSOFT、COSMOS 等软件，建立金属结构的有限元模型，并取结构典型的工况进行静力学和动力学分析，找出 在典型工况下，应力值或者应力幅值较大的危险点或危险区域；对于一般的金属结构来讲， 其应力达到其屈服极限的80%以上，属于比较危险，应该列为危险区域； 步骤二、根据金属结构的已经服役年限和外表质量检测，确定其初始损伤； 按照金属结构的服役年限和其材料应力-循环次数曲线（S-N曲线)，可以初步判定其 是否进入了疲劳；低周疲劳循环次数可定义为IO3-IO5次数，高周疲劳循环次数大于IO 5次 数；当已服役循环次数超过IO3时，初始损伤可以计入损伤；根据外表质量检测其是否有裂 纹存在，可判定初始损伤的具体数值；当裂纹小于0. 2_时，初始损伤可确定为0. 01-0. 1之 间； 步骤三、通过结构应力检测仪器，测量一定周期内危险区域中结构的应变-时间谱或 者应力-时间谱，获得如图1所示的应力谱； 通过在金属结构物上，采用应变片贴片形式，测量结构物在各种典型工况下的应 变-时间历程；针对纯金属结构物，可以直接采用应变片测量的数据作为其应变的实际数 据；针对焊接结构，其焊趾处的应力不能直接测量获取，采用多点测量的方式，间接计算获 取焊趾处的应力；板型焊接结构的应力贴片的测点图如图2所示，焊趾处的应力采用公式1 所示；管型焊接结构的应力贴片的测点图如图3所示，焊趾处的应力采用公式2和公式3所 示；
其中，〇hs是焊趾处热点应力，〇1、〇2分别是距离焊趾处距离为 Χι、χ2的表面应力，可 以通过有限元计算或者应力测试获得； 图 3 中』=0.2^，4=4=0.65^，& =().5^/^ 焊趾处应力计算公式为：
式（1)、（2)中，〇bhs为腹杆焊趾处的热点应力，〇c;hs为弦杆焊趾处的热点应力， I、％、％分别为距离焊趾为a、bl、b3的表面应力，其他参数同图3; 步骤四、通过非线性累积损伤理论，计算金属结构在应力谱下的累积损伤和疲劳寿 命； 假设Dt是所有循环损伤Di的总和，如式（4)所示.
在这个定义中Di是由第i个反向引起的归一化损伤，当Dt为1时发生失效；常幅应 变-寿命公式采用Basquin-Manson-Coffin(BMC)公式，如式（5)所示；
Λ ε/2是应变范围的一半，Λ 为弹性应变，Λ ερ为塑形应变，2乂为疲劳失效时的 反复次数； 如材料为Q345B时，弹性模量E = 200741MPa，疲劳强度指数b = -0. 0943,疲劳延性指 数c = -0. 5395,疲劳强度系数σ f' = 947. IMPa，疲劳延性系数ε f' = 〇. 4644,有循环硬 化特性； 对常幅应变，每次循环下的裂纹扩展可以用双曲线正弦函数表达；对于裂纹尺寸a，裂 纹尖端的扩展速率在循环次数大于2Nk后，可以写为：
2Nf是在给定应变幅值下，直至失效时的循环总次数，P是一个比例因子，用来适当调 整损伤增量的大小，da/dN就与应变幅有了正确的函数关系；P=l?gi2M；：)，2Nf来源于BMC 公式，Y可用1/2￡'{来代替； 田公忒（fi) i+笪榀伤.笛i汝循珏产Φ的榀伤昀一仆,丟汰加下.
NT是为达到累积损伤所需要的循环次数，Dt是由常幅应变范围I循环导致的损伤； 每次循环损伤累积直至失效时总损伤值为1 ; Dt可从式（5)知，是增量损伤Di的和，如式（8)所示；
公式（6)可以解为：
经过上述分析，公式（4)-(9)构成了本质非线性累积损伤理论的基本模型；通过累积 损伤，计算金属结构的疲劳寿命；当每次循环损伤累积直至失效时总损伤值Dt为1，此时的 循环次数i为此构件的疲劳寿命；整个计算的流程如图4所示。
【专利摘要】一种基于非线性累积损伤理论的结构疲劳寿命计算方法，步骤如下：一、通过有限元技术对金属结构进行应力分析，确定应力值较大的区域作为危险区域；二、根据结构的已经服役年限和外表质量检测，确定其初始损伤；三、通过应力检测仪，测量一定周期内结构的应力谱；四、通过非线性累积损伤理论，计算结构在应力谱下的累积损伤；五、通过累积损伤，计算金属结构的疲劳寿命。本方法，考虑了多级载荷加载顺序、载荷大小对累积损伤的影响，精度比线性累积损伤理论计算的疲劳寿命精度要高。本方法只需要材料的循环应力-应变曲线和常幅应变寿命曲线等少量的材料性能数据，计算简单，适合于工程应用。
【IPC分类】G01M99-00
【公开号】CN104833536
【申请号】CN201410049401
【发明人】蔡福海, 王兴权, 潘志毅, 罗建国, 李树清, 丁国林, 张玉林, 李梦然, 商国旭, 何映仁, 姜官斌
【申请人】大连理工大学, 赤峰市特种设备检验所, 大连理工大学（徐州）工程机械研究中心, 常州益利亚重工机械科技有限公司, 大连益利亚咨询有限公司
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2014年2月12日