一种金属材料疲劳曲线表征方法
【专利摘要】本发明涉及一种金属材料疲劳性能曲线表征方法，包括步骤一：确定金属材料疲劳寿命的范围、应力集中情况下不同的应力比R及确定金属疲劳材料寿命的S?N曲线；步骤二：根据步骤一中得出S?N曲线，从中选取三组极限应力S和循环次数N的值；步骤三：将步骤二中选取的三组数值带入下式，并求得q、m、c的数值；步骤四：根据步骤三求得的q、m、c的数值确定步骤三中的函数，即为金属材料疲劳性能曲线的表达式。本发明的一种金属材料疲劳性能曲线表征方法能够快速、比较精确地确定各种应力循环情况对应的寿命点数据，缩短结构疲劳分析周期，降低工作繁琐度。
【专利说明】
一种金属材料疲劳曲线表征方法
技术领域
[0001] 本发明属于航空结构疲劳分析和试验技术领域，尤其涉及一种金属材料疲劳曲线 表征方法。
【背景技术】
[0002] 常用的金属结构中疲劳裂纹萌生寿命评估的方法是建立在完整、系统的S-N曲线 试验基础上的，试验子样数量和经济费用巨大。一般情况下，结构设计分析人员首先根据分 析部位的结构特征和受载特点，确定应力集中系数，对金属材料的S-N曲线进行处理，得到 该金属材料同等应力集中情况下的等寿命曲线图谱，然后根据受载状态下的应力循环数 据，查找对应的循环寿命，确定该应力循环导致的损伤，随后进行损伤累计，当总损伤达到 1. 〇时，认为结构疲劳失效，得到在设计使用载荷谱下的结构的疲劳寿命。
[0003] 目前金属材料的S-N曲线确定是在应力集中系数和应力循环比确定的前提下，通 过对大量试样测试数据的统计分析，按照构造的单条S-N数学模型，完成单条S-N曲线的表 征。
[0004] 基于等寿命图谱的疲劳分析方法，需在S-N曲线表征的基础上，按照应力集中分类 情况，绘制各种应力集中情况下的等寿命图，疲劳分析时基于等寿命图，采用线性插值方法 得到对应的应力循环对应的寿命循环数。
[0005] 金属材料S-N曲线是结构疲劳分析的基础，S-N曲线数据依据试验实测，通过数理 统计方法进行处理得到不同应力集中系数、应力比情况下的S-N曲线，在进行结构分析时， 需要将各种情况下的S-N曲线转化为不同应力集中情况下的等寿命曲线图，然后根据具体 的结构特征，对等寿命图中的曲线数据点按照应力集中度进行插值，确定分析需要的标准 数据，该类分析方法对试验测试要求多，分析环节多，工作量大。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种金属材料疲劳曲线表征方法，解决目前的得到等寿命图 方法中工作量大、分析环节多等问题。
[0007]为达到上述目的，本发明采用的技术方案是:一种金属材料疲劳性能曲线表征方 法，包括
[0008] 步骤一:确定金属材料疲劳寿命的范围、应力集中情况下不同的应力比R及确定金 属疲劳材料寿命的S-N曲线；
[0009] 步骤二:根据步骤一中得出S-N曲线，从中选取三组极限应力S和循环次数N的值； [0010]步骤三:将步骤二中选取的三组数值带入下式，并求得q、m、c的数值；
[0011] [(l-R)qSmax]mN=c
[0012] 步骤四：根据步骤三求得的q、m、c的数值确定步骤三中的函数，即为金属材料疲劳 性能曲线的表达式；
[0013] 以上式中：R为应力比，Smax为应力循环最大值，Smin为应力循环最小值，N为循环数， q、m和c为金属材料常数。
[0014]进一步地，所述金属材料疲劳寿命的范围为104至106之间，用于保证双对数图形为 直线。
[0015] 进一步地，步骤一至步骤三中确定q、m、c的数值还可以采用基于给定的应力集中 情况下的试验测试数据，利用最小二乘法计算得到。
[0016] 本发明的一种一种金属材料疲劳性能曲线表征方法通过构造新的S-N曲线表达 式，对现有的S-N曲线进行进一步数据处理，得到每种应力集中系数下一个综合表达式，将 实际结构疲劳分析需要的金属材料输入数据处理量降低80%以上，能够快速、比较精确地 确定各种应力循环情况对应的寿命点数据，缩短结构疲劳分析周期，降低工作繁琐度。
【附图说明】
[0017] 此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施 例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
[0018] 图1为本发明一实施例的某型钛合金L向Kt = l时S-N曲线图。
【具体实施方式】
[0019] 为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中 的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类 似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明 一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例型的，旨在用 于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人 员在没有作出创造型劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下 面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
[0020] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"前"、"后"、 "左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"等指示的方位或位置关系为基于附图所 示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装 置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护 范围的限制。
[0021] 本发明的金属材料疲劳性能曲线表征方法包括
[0022] 步骤一：以某型钛合金L向Kt = l试样的室温高周疲劳性能试验结果为例，选取了2 种应力比:R = 〇.l和-0.5。修正的幂函数S-N曲线表达式为：
[0023] R = 0.1，lgN=24.733-6.9041g(S-144.7);
[0024] R = -〇 · 5，lgN=32 · 32-9 · 5631 lg(S-5 · 873);
[0025] 步骤二:从步骤一的S-N曲线表达式中计算不同应力比下三组数据：
[0026] R = 〇 · 1，N= 1 X 105次，S = 866 · IMPa，
[0027] N=5X105 次，S = 716.1MPa，
[0028] ~=1父106次，5 = 661.510^;
[0029] R = -〇 · 5，N= 1 X 105次，S = 725 · IMPa，
[0030] N=5X105 次，S = 613.7MPAa，
[0031] ~=1父106次，5 = 571.210^;
[0032] 步骤三:将上面的各组数据代入下面新的S-N曲线表达式中[(l-R)qS max]mN=c，进 行方程组求解，得到q、m、c的数值如下：
[0033] R = 〇 .1时，q = 〇. 2037, lgc = 31.858，m = 9.1765;
[0034] 1? = -0.5时4 = 0.2037，18。= 31.858，111 = 9.2659。
[0035] 由此可以看出，除m值外，q和c值均一致，m随R不同而不同，因此需建立m和R的关 系。
[0036] 之后，建立m与R关系式
[0037] 通过线性插值，得到R = 0时的m值为9.1914,则令mQ = 9.1914,得到m与R的关系式 为：m = 9.1914-0.149R
[0038] 步骤四：建立新的S-N曲线表达式
[0039] lgN=31.858-(9.1914-0.149R)[0.20371g(l-R)+lgS]
[0040] 新建立的S-N曲线表达式与修正的幂函数表达式误差对比见表1所示。
[0041 ] 表1两种S-N曲线表达式误差对比
[0042]
[0043] 从表1对比可以看出，新建立的S-N曲线表达式计算出的寿命误差均在10%以内， 能够满足工程需要。
[0044]同样以1中的材料试验数据为例，试验数据如表2所示
[0045]表2某型钛合金高周疲劳性能试验数据
[0047] 最后，采用最小二乘法拟合出S-N曲线，如图1所示。
[0048] 通过拟合出的曲线，直接读取几组S和N数据，采用1中的步骤三至步骤五，同样可 得到所要求得S-N曲线表达式。
[0049] 本发明的金属材料疲劳性能曲线表征方法通过构造新的S-N曲线表达式，对现有 的S-N曲线进行进一步数据处理，得到每种应力集中系数下一个综合表达式，将实际结构疲 劳分析需要的金属材料输入数据处理量降低80%以上，能够快速、比较精确地确定各种应 力循环情况对应的寿命点数据，缩短结构疲劳分析周期，降低工作繁琐度。
[0050] 以上所述，仅为本发明的最优【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范 围为准。
【主权项】
1. 一种金属材料疲劳性能曲线表征方法，其特征在于，包括 步骤一:确定金属材料疲劳寿命的范围、应力集中情况下不同的应力比R及确定金属疲 劳材料寿命的S-N曲线； 步骤二:根据步骤一中得出的S-N曲线，从中选取三组极限应力S和循环次数N的值； 步骤三:将步骤二中选取的三组数值带入下式，并求得q、m、c的数值[(1 -R) qSmax ] mN= c; 步骤四：根据步骤三求得的q、m、c的数值确定步骤三中的函数，即为金属材料疲劳性能 曲线的表达式； 以上式中：R为应力比，Smax为应力循环最大值，Smin为应力循环最小值，N为循环数，q、m 和c为金属材料常数。2. 根据权利要求1所述的金属材料疲劳性能曲线表征方法，其特征在于，所述金属材料 疲劳寿命的范围为1〇4至1〇 6之间，用于保证双对数图形为直线。3. 根据权利要求1所述的金属材料疲劳性能曲线表征方法，其特征在于，步骤一至步骤 三中确定q、m、c的数值还能够采用基于给定的应力集中情况下的试验测试数据，利用最小 二乘法计算得到。
【文档编号】G01N3/32GK106092787SQ201610708100
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月23日
【发明人】王新波, 秦剑波, 王亚芳, 宁宇, 严红
【申请人】中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所