本发明提供一种腐蚀疲劳性能表征和寿命估算方法，属于金属结构疲劳可靠性
技术领域：
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背景技术：
：实际工程中，材料常会受到交变载荷的作用而产生损伤，出现疲劳裂纹；并在一定的循环应力作用后发生断裂失效，从而对结构的安全性造成威胁。结构在服役过程中受到外部环境影响会不可避免地发生腐蚀，对于暴露在潮湿、盐雾和海水等腐蚀环境下的航空器，随着使用年限的增加，腐蚀引起的损伤常常导致飞机结构疲劳裂纹提前萌生和加速扩展，甚至改变飞机上疲劳失效的位置，严重影响飞行安全，因此，研究材料的腐蚀疲劳行为有重要的实际意义。目前，现有的腐蚀疲劳寿命估算方法均不能考虑载荷谱中载荷顺序影响，导致腐蚀疲劳寿命估算结果存在较大误差，为此，发明了一种简单实用的腐蚀疲劳性能表征与寿命估算方法，该方法考虑应力比和载荷顺序效应，更符合实际情况，能提高估算精度，本发明具有重要学术意义和工程应用价值。技术实现要素：1、目的：本发明目的是提供了一种腐蚀疲劳性能表征和寿命估算方法，该方法考虑了应力比和载荷顺序的影响，具有简单实用、计算参数少、计算精度高等特点，对于腐蚀环境下疲劳性能和谱载寿命评估有重要价值。2、技术方案：一种腐蚀疲劳性能表征和寿命估算方法，该方法具体步骤如下，步骤一、考虑应力比效应的腐蚀疲劳性能曲面表征模型及其参数估计按照《金属材料恒幅轴向疲劳试验方法》(HB5287-96)，通过腐蚀介质盒和溶液循环泵，在腐蚀环境下进行疲劳试验。在单一应力比下，采用成组试验法和升降试验法，选取不同的最大疲劳应力加载，得到相应寿命范围的疲劳失效循环数，记录每组疲劳试验的结果。采用三参数幂函数表达式表征单一应力比下的疲劳性能，并对应力比修正，获得考虑应力比效应的疲劳性能表征模型(Sa-Sm-N曲面模型)：(σtσt-SmSa-S)-m·Q=N---(1)]]>式中，σt为材料拉伸强度；Sa和Sm分别为疲劳应力幅值和应力均值；S是拟合得到的疲劳强度；Q和m为材料常数；N为失效寿命循环数。式(4)中的Q、m和S为待定参数，需要在试验数据[Sa,Sm,N]的基础上，借助线性回归理论拟合得到。对式(1)两边取对数，得到：Y＝c0+c1X(2)式中Y＝lgN，c0＝lgQ，c1＝-m，根据线性回归理论，待定参数c0和c1以及相关因数r的确定方法如下：c0=y‾-c1x‾---(3)]]>c1=L12L11---(4)]]>r=L12L11L22---(5)]]>其中x‾=1nΣi=1nxi---(6)]]>y‾=1nΣi=1nyi---(7)]]>L11=Σi=1n(xi-x‾)2---(8)]]>L22=Σi=1n(yi-y‾)2---(9)]]>L12=Σi=1n(xi-x‾)(yi-y‾)---(10)]]>从式(6)至式(10)可以看出，中间变量L11、L12和L22均与待定常数S有关，也就是说，它们均是S的函数。因此，参数c0和c1也同样是S的函数，从而，首先需要确定参数S的取值。采用相关因数优化方法，所求S值须使相关因数r取得极大值，即相关因数的平方也在S处取得极值dr2(S)dS=0---(11)]]>计算得到待定常数S需满足下式H(S)＝L11L20-L12L10＝0(12)式中L10=Σi=1nxi[σtσt-(Sm)i(Sa)i-S]-1-x‾Σi=1n[σtσt-(Sm)i(Sa)i-S]-1---(13)]]>L20=Σi=1nyi[σtσt-(Sm)i(Sa)i-S]-1-y‾Σi=1n[σtσt-(Sm)i(Sa)i-S]-1---(14)]]>利用式(12)的求解出的S值，根据式(6)和式(7)，可计算参数c0和c1，最后获得Q=10(y‾-c1x‾)---(15)]]>m=-L12L11---(16)]]>步骤二、考虑载荷顺序效应的腐蚀疲劳寿命估算模型载荷交互作用对疲劳行为有显著影响，包括高载后残余压应力引起的高载迟滞效应，以及低载后残余拉应力引起的抵消迟滞效应等，但线性累积损伤Miner理论忽略了载荷历程中的顺序效应和载荷间的交互作用，难以对实测载荷谱加载下的疲劳寿命进行准确评估。基于塑性区理论，Willenborg-Chang模型成功地表征了载荷交互作用并对随机载荷谱下的裂纹扩展寿命进行了预测。将Miner理论与Willenborg-Chang模型相结合，引入有效应力均值Sm,eff以表征疲劳损伤中的载荷交互效应，得到疲劳损伤增量和谱载下疲劳寿命估算公式：ΔDi=1Q·[σt·(Sa)iσt-(Sm,eff)i-S]mσt·(Sa)iσt-(Sm,eff)i≥S0σt·(Sa)iσt-(Sm,eff)i<S---(17)]]>T·Σi=1kΔDi=1---(18)]]>其中Sm,eff=Sm-Smax,OL-SSmax,OL(rs-1)(Smax,OL1-ΔD′ZOL-Smax)---(19)]]>ZOL=12(SmaxDσt)2---(20)]]>式中，ΔDi是随机载荷谱中第i个应力循环造成的疲劳损伤增量；k是一个随机载荷谱块中的应力循环数；T是谱载疲劳寿命；Smax,OL是先前过载循环的最大疲劳应力；rs是超载截止比；ΔD′是过载后的疲劳损伤增量；ZOL是过载迟滞区尺寸参数。步骤三、腐蚀疲劳寿命估算的累计求和算法借助式(17)至式(20)，可以估算腐蚀环境下材料谱载疲劳寿命，具体计算方法为：(i)对于随机载荷谱中的第一个应力循环，可由式(19)和(20)得到对应的有效应力均值(Sm,eff)1，代入式(17)，得到第一个循环造成的疲劳损伤增量ΔD1和当前损伤值D1；(ii)同样的，在D1基础上，计算第二个应力循环的有效应力均值(Sm,eff)2，得到第二个循环造成的疲劳损伤增量ΔD2和当前损伤值D2；(iii)通过如此循环接循环的累积，计算载荷谱中每一后续应力循环造成的疲劳损伤增量直至载荷谱结束，此时，对应的累积损伤即为一个随机载荷谱块所造成的疲劳损伤；(iv)当累积损伤达到或超过式(18)允许的临界损伤时，疲劳损伤累积计算停止，此时对应的最终失效循环数即为腐蚀环境下材料谱载疲劳寿命。附图说明图1为本发明所述方法的计算流程图。图中符号说明如下：图1中的D为当前疲劳损伤；ΔDi是实测载荷谱中第i个应力循环造成的疲劳损伤增量。具体实施方式图1为本发明所述方法的流程框图，本发明分三步实现，具体为：步骤一、考虑应力比效应的腐蚀疲劳性能曲面表征模型及其参数估计按照《金属材料恒幅轴向疲劳试验方法》(HB5287-96)，通过腐蚀介质盒和溶液循环泵，在腐蚀环境下进行疲劳试验。在单一应力比下，采用成组试验法和升降试验法，选取不同的最大疲劳应力加载，得到相应寿命范围的疲劳失效循环数，记录每组疲劳试验的结果。采用三参数幂函数表达式表征单一应力比下的疲劳性能，并对应力比修正，获得考虑应力比效应的疲劳性能表征模型(Sa-Sm-N曲面模型)：(σtσt-SmSa-S)-m·Q=N---(1)]]>式中，σt为材料拉伸强度；Sa和Sm分别为疲劳应力幅值和应力均值；S是拟合得到的疲劳强度；Q和m为材料常数；N为失效寿命循环数。式(4)中的Q、m和S为待定参数，需要在试验数据[Sa,Sm,N]的基础上，借助线性回归理论拟合得到。对式(1)两边取对数，得到：Y＝c0+c1X(2)式中Y＝lgN，c0＝lgQ，c1＝-m，根据线性回归理论，待定参数c0和c1以及相关因数r的确定方法如下：c0=y‾-c1x‾---(3)]]>c1=L12L11---(4)]]>r=L12L11L22---(5)]]>其中x‾=1nΣi=1nxi---(6)]]>y‾=1nΣi=1nyi---(7)]]>L11=Σi=1n(xi-x‾)2---(8)]]>L22=Σi=1n(yi-y‾)2---(9)]]>L12=Σi=1n(xi-x‾)(yi-y‾)---(10)]]>从式(6)至式(10)可以看出，中间变量L11、L12和L22均与待定常数S有关，也就是说，它们均是S的函数。因此，参数c0和c1也同样是S的函数，从而，首先需要确定参数S的取值。采用相关因数优化方法，所求S值须使相关因数r取得极大值，即相关因数的平方也在S处取得极值dr2(S)dS=0---(11)]]>计算得到待定常数S需满足下式H(S)＝L11L20-L12L10＝0(12)式中L10=Σi=1nxi[σtσt-(Sm)i(Sa)i-S]-1-x‾Σi=1n[σtσt-(Sm)i(Sa)i-S]-1---(13)]]>L20=Σi=1nyi[σtσt-(Sm)i(Sa)i-S]-1-y‾Σi=1n[σtσt-(Sm)i(Sa)i-S]-1---(14)]]>利用式(12)的求解出的S值，根据式(6)和式(7)，可计算参数c0和c1，最后获得Q=10(y‾-c1x‾)---(15)]]>m=-L12L11---(16)]]>步骤二、考虑载荷顺序效应的腐蚀疲劳寿命估算模型载荷交互作用对疲劳行为有显著影响，包括高载后残余压应力引起的高载迟滞效应，以及低载后残余拉应力引起的抵消迟滞效应等，但线性累积损伤Miner理论忽略了载荷历程中的顺序效应和载荷间的交互作用，难以对实测载荷谱加载下的疲劳寿命进行准确评估。基于塑性区理论，Willenborg-Chang模型成功地表征了载荷交互作用并对随机载荷谱下的裂纹扩展寿命进行了预测。将Miner理论与Willenborg-Chang模型相结合，引入有效应力均值Sm,eff以表征疲劳损伤中的载荷交互效应，得到疲劳损伤增量和谱载下疲劳寿命估算公式：ΔDi=1Q·[σt·(Sa)iσt-(Sm,eff)i-S]mσt·(Sa)iσt-(Sm,eff)i≥S0σt·(Sa)iσt-(Sm,eff)i<S---(17)]]>T·Σi=1kΔDi=1---(18)]]>其中Sm,eff=Sm-Smax,OL-SSmax,OL(rs-1)(Smax,OL1-ΔD′ZOL-Smax)---(19)]]>ZOL=12(SmaxDσt)2---(20)]]>式中，ΔDi是随机载荷谱中第i个应力循环造成的疲劳损伤增量；k是一个随机载荷谱块中的应力循环数；T是谱载疲劳寿命；Smax,OL是先前过载循环的最大疲劳应力；rs是超载截止比；ΔD′是过载后的疲劳损伤增量；ZOL是过载迟滞区尺寸参数。步骤三、腐蚀疲劳寿命估算的累计求和算法借助式(17)至式(20)，可以估算腐蚀环境下材料谱载疲劳寿命，具体计算方法为：(i)对于随机载荷谱中的第一个应力循环，可由式(19)和(20)得到对应的有效应力均值(Sm,eff)1，代入式(17)，得到第一个循环造成的疲劳损伤增量ΔD1和当前损伤值D1；(ii)同样的，在D1基础上，计算第二个应力循环的有效应力均值(Sm,eff)2，得到第二个循环造成的疲劳损伤增量ΔD2和当前损伤值D2；(iii)通过如此循环接循环的累积，计算载荷谱中每一后续应力循环造成的疲劳损伤增量直至载荷谱结束，此时，对应的累积损伤即为一个随机载荷谱块所造成的疲劳损伤；(iv)当累积损伤达到或超过式(18)允许的临界损伤时，疲劳损伤累积计算停止，此时对应的最终失效循环数即为腐蚀环境下材料谱载疲劳寿命。当前第1页1 2 3