一种基于线性损伤累积的变幅多轴热机械疲劳寿命预测方法与流程

本发明涉及疲劳强度领域，特指一种基于线性损伤累积的变幅多轴热机械疲劳寿命预测方法。

背景技术：

很多工程构件，例如航空发动机涡轮盘、燃气轮机等在服役时不仅受到多轴载荷，而且往往是在变幅、变温环境下，从而产生不可逆的热机械疲劳损伤。而这些热疲劳损伤往往使关键部位零件失效，大大降低设备的可靠性和使用寿命。因此，系统的研究在变幅多轴热机情况下的疲劳寿命预测方法，解决这种情况下的疲劳寿命预测问题，就可以真正的解决实际工程所遇到的问题，有效提高设备的使用寿命，增强其可靠性进而预防事故的发生。

目前关于热机械载荷下的疲劳寿命预测研究多是在特定载荷情况下，例如单轴热机械载荷下的寿命预测，多轴恒幅热机械载荷情况下的寿命预测等。由于在变幅多轴热机械载荷下的疲劳损伤机理过于复杂，在这种情况下的疲劳试验也很难做，其最终的寿命预测仍然是一个难点。因此，综合考虑变幅多轴热机械疲劳损伤机理和热机计数的结果，把复杂的热机械疲劳损伤分解成多种损伤并用线性损伤累计原则将各种损伤进行累加，进而得出总的疲劳损伤。并最终应用于在复杂热机载荷下的疲劳寿命预测。因此，研究一种基于线性损伤累积的变幅多轴热机械疲劳寿命预测方法具有重要意义。

技术实现要素：

本发明目的在于针对变幅多轴热机械疲劳的发展要求，提出了一种基于线性损伤累积的多轴热机械疲劳寿命预测方法。

本发明所采用的技术方案为一种基于线性损伤累积的变幅多轴热机械疲劳寿命预测方法，该方法的实现步骤如下：

步骤1)：对变幅多轴热机载荷谱进行多轴热机计数；

步骤2)：热机计数出多个反复，将每个反复上的热机械疲劳损伤划分为纯机械疲劳损伤，蠕变损伤以及蠕变-疲劳交互作用损伤；

步骤3)：根据多轴热机计数的结果对每个反复上的热机损伤进行单独计算。

步骤4)：对于一个反复，找到具有最大法向应变幅的最大剪切应变平面作为纯机械疲劳损伤临界面，并确定临界面上两个最大剪切应变幅折返点之间的法向应变幅度值；

步骤5)：确定材料在室温所对应的单轴疲劳参数或者材料不产生蠕变时的某一温度所对应的单轴等温疲劳参数；

步骤6)：应用拉伸型统一多轴疲劳损伤模型计算得到一个反复上的纯疲劳损伤；

步骤7)：将一个反复上的轴向应力-时间历程和温度-时间历程分割成适当的份数，取每个区间上的最大温度和最大机械载荷作为该区间的最终载荷。当轴向应力为正时，取米赛斯等效应力值作为蠕变持久应力方程的应力值，当轴向应力为负时，取等效应力值为0；

步骤8)：结合蠕变持久方程计算得到各载荷下对应的蠕变持久时间，进而得到各区间上蠕变损伤，累加得到一个反复上的蠕变损伤；

步骤9)：确定一个反复上高温部分即大于500℃的最低温和最高温，取高温部分的最低温和最高温的平均值作为这个反复的等效温度。

步骤10)：用高温单轴疲劳数据拟合得到特定温度所对应的蠕变-疲劳交互作用系数，再用拟合得到的多个温度所对应的蠕变-疲劳交互作用系数拟合得到任意温度的蠕变-疲劳交互作用系数；

步骤11)：利用蠕变-疲劳交互作用系数，结合纯机械疲劳损伤和蠕变-疲劳损伤，计算得到蠕变-疲劳一个反复的交互作用损伤；

步骤12)：通过累加纯机械疲劳损伤、蠕变损伤以及蠕变-疲劳交互作用损伤，得到每个反复的热机械疲劳损伤。最后根据线性损伤累积法则累加得到一个载荷谱的热机疲劳损伤，进而得到热机疲劳寿命。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提出一种基于线性损伤累积的变幅多轴热机械疲劳寿命预测方法。该方法通过多轴热机计数将实际遇到的复杂载荷谱计数，根据计数结果对每个反复上的热机损伤进行单独计算，分别求出各个反复的热机损伤，并利用线性损伤累积准则将各部分损伤叠加得到材料热机疲劳损伤，进而进行寿命预测。该方法使用方便，不包含任何经验常数，适用范围广，不受加载条件等限制。通过验证，采用该方法进行变幅多轴热机械疲劳寿命估算取得较好的预测效果。

附图说明

图1为变幅多轴热机械疲劳寿命寿命预测的方法流程图。

图2-8为七中典型多轴热机械疲劳试验循环加载示意图。

图9为本发明所提出的多轴热机械疲劳寿命预测方法预测结果与试验结果比较。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体实施方式。

本发明通过七种多轴热机加载试验进行说明，试验的加载波形为三角波形，控制方式为应变控制，材料为gh4169镍基高温合金，试验加载示意图具体情况参考附图2-8。

一种基于线性损伤累积的变幅多轴热机械疲劳寿命预测方法，具体实施方式如下：

步骤1)：对变幅多轴热机载荷谱进行多轴热机计数；

步骤2)：热机计数出多个反复，将每个反复上的热机械疲劳损伤划分为纯机械疲劳损伤蠕变损伤以及蠕变-疲劳交互作用损伤

步骤3)：根据多轴热机计数的结果对每个反复上的热机损伤进行单独计算。

步骤4)：对于一个反复，找到具有最大法向应变幅δγmax/2的最大剪切应变平面作为纯机械疲劳损伤临界面，并确定临界面上两个最大剪切应变幅折返点之间的法向应变幅度值

步骤5)：确定材料在室温所对应的单轴疲劳参数或者材料不产生蠕变时的某一温度所对应的单轴等温疲劳参数；

步骤6)：应用拉伸型统一多轴疲劳损伤模型计算得到一个反复上的纯疲劳损伤；

拉伸型统一多轴疲劳损伤模型公式为：

其中，σ′f、ε′f、b、c为不产生蠕变时的材料疲劳常数，e为该温度下弹性模量。

步骤7)：将一个反复上的轴向应力-时间历程和温度-时间历程分割成适当的份数，取每个区间上的最大温度和最大机械载荷作为该区间的最终载荷。当轴向应力为正时，取米赛斯等效应力值作为蠕变持久应力方程的应力值，当轴向应力为负时，取等效应力值为0；区间i上蠕变计算等效应力参量σe糘i如下式：

其中，σmaxi、τmaxi为区间i上的最大轴向应力和剪切应力。

步骤8)：结合蠕变持久方程计算得到各载荷下对应的蠕变持久时间，进而得到各区间上蠕变损伤δti/tci，累加得到一个反复上的蠕变损伤∑δti/tci；

步骤9)：确定一个反复上高温部分即大于500℃的最低温和最高温，取高温部分的最低温和最高温的平均值作为这个反复的等效温度。

步骤10)：用高温单轴疲劳数据拟合得到特定温度所对应的蠕变-疲劳交互作用系数bt，再用拟合得到的多个温度所对应的蠕变-疲劳交互作用系数拟合得到任意温度的蠕变-疲劳交互作用系数bti；用来拟合特定温度下的蠕变-疲劳交互作用系数bt的方程为：

用来拟合任意温度下的蠕变-疲劳交互作用系数bti的方程为：

步骤11)：利用蠕变-疲劳交互作用系数，结合纯机械疲劳损伤和蠕变-疲劳损伤，计算得到蠕变-疲劳一个反复的交互作用损伤；第i个反复上的损伤为：

步骤12)：通过累加纯机械疲劳损伤、蠕变损伤以及蠕变-疲劳交互作用损伤，得到每个反复的热机械疲劳损伤。最后根据线性损伤累积法则累加得到一个载荷谱的热机疲劳损伤，进而得到热机疲劳寿命，其计算公式为：