非线性高低周复合疲劳寿命预测方法、装置及存储介质

1.本发明涉及航空技术领域中的金属材料疲劳寿命预测，尤其是涉及一种非线性高低周复合疲劳寿命预测方法。


背景技术：

2.疲劳破坏是机械零件和工程构件的主要失效形式之一，疲劳破坏问题中的寿命预测被重点关注，寿命预测是结构设计过程中不可缺少的内容。疲劳寿命的影响因素很多，针对此类问题，比较常用的方法有名义应力法和局部应力应变法。然而，因方法本身的局限性，此类方法对高低周复合循环疲劳寿命的预测估算精度不高，预测寿命结果也不稳定。其主要原因，是涡轮叶片高低周复合循环中，在低周循环的基础上加入了高周循环，低周循环应力大小以及频率都会对机构寿命产生影响，同时引入的高周循环应力大小以及频率也对机构寿命产生了影响，两者叠加后的复合循环的寿命预测也就更加的复杂，这对寿命的准确预测造成了一定的难度。
3.专利cn109885920b公开了一种航空发动机涡轮叶片的高低周复合疲劳寿命预测方法，基于miner线性模型，引入高周应力幅值、低周应力幅值、高周载荷频率和低周载荷频率四个特征量，对高低周符合寿命进行预测。但是此方法由于基于的是miner线性模型，该模型由于线性叠加假设和应力之间互不影响假设，导致了试验与理论有一定误差，理论预测寿命结果比试验寿命结果偏危险。而现有trufyakov-kovalchuk非线性模型高低周复合疲劳寿命的预测方法引入的系数不够全面，得到的寿命预测方法计算的结果误差大，疲劳寿命预测的危险系数高，不利于航空技术领域中金属材料疲劳寿命预测使用。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了提供一种非线性高低周复合疲劳寿命预测方法，提高复合寿命预测准确性，降低预测危险性。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种非线性高低周复合疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：
7.获取基于疲劳试验得到的不同载荷条件下的试验循环次数，并对其进行函数拟合，得到金属材料的低周疲劳寿命s-n曲线，其中，低周疲劳寿命s-n曲线的横坐标为疲劳寿命，纵坐标为最大应力；
8.根据低周疲劳寿命s-n曲线确定复合循环中低周循环应力对应的纯低周疲劳寿命；
9.计算高低周复合循环中高周循环和低周循环的频率比与应力幅值比；
10.基于纯低周疲劳寿命、频率比和应力幅值比建立trufyakov-kovalchuk非线性模型；
11.基于频率比、应力幅值比与安全系数修正trufyakov-kovalchuk非线性模型得到修正非线性模型，并利用所述修正非线性模型进行寿命预测，其中，所述安全系数基于频率
比确定。
12.所述函数拟合采用最小二乘法。
13.所述低周疲劳寿命s-n曲线为：
14.σmn＝c
15.其中，m,c为材料常数，σ为最大应力，n为疲劳寿命。
16.所述根据低周疲劳寿命s-n曲线确定纯低周疲劳寿命n
lcf
为：
17.mlgσm+lgn
lcf
＝lgc
18.其中，m,c为材料常数，σm为低周疲劳的平均应力。
19.所述基于纯低周疲劳寿命、频率比和应力幅值比建立trufyakov-kovalchuk非线性模型为：
[0020][0021]
其中，n
ccf
为高低周复合疲劳寿命，n为频率比，f
l
为低周循环频率，fh为高周循环频率，α为应力幅值比，δσ
l
为低周疲劳应力范围，δσh为高周疲劳应力范围，γ为材料常数，n
lcf
为纯低周疲劳寿命。
[0022]
所述材料常数γ根据参数文献determination of life under two-frequency loading对于不同材料推荐的取值范围为1.3-1.7。
[0023]
所述基于频率比、应力幅值比与安全系数修正trufyakov-kovalchuk非线性模型为：
[0024][0025]
其中，为安全系数。
[0026]
所述高周循环和低周循环的频率比与应力幅值比确定方法为：基于高低周复合循环比确定高周循环和低周循环的频率比，基于高低周复合循环载荷谱确定高周疲劳载荷的应力范围与低周疲劳载荷的应力范围的比值，所述比值即为高周循环和低周循环的应力幅值比，其中，所述高低周复合疲劳载荷由低周疲劳载荷与叠加在低周疲劳载荷峰值上的高周正弦载荷构成，所述高低周复合循环比为一个低周载荷循环叠加的高周循环载荷个数。
[0027]
一种非线性高低周复合疲劳寿命预测装置，包括存储器、处理器，以及存储于所述存储器中的程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的方法。
[0028]
一种存储介质，其上存储有程序，所述程序被执行时实现如上述所述的方法。
[0029]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0030]
(1)本发明基于trufyakov-kovalchuk非线性模型引入频率比和应力幅值比这两个影响因素，克服了原模型引入系数不够全面的问题，提高了寿命预测结果的准确性。
[0031]
(2)本发明在模型基础上引入安全系数，降低了疲劳寿命预测的危险性，提高了金属材料疲劳寿命预测的可靠性。
[0032]
(3)本发明通过纯低周循环疲劳寿命，计算出高低周复合循环疲劳寿命，无需对高
周循环疲劳寿命进行复杂计算，降低了疲劳寿命预测的试验难度，减少了疲劳寿命预测的计算量，预测效率高。
[0033]
(4)本发明基于的s-n曲线、纯低周循环疲劳寿命、频率比和应力幅值比确认方法简单，对绝大部分金属材料结构均可适用，适用范围广。
附图说明
[0034]
图1为本发明的方法流程图；
[0035]
图2为高低周复合循环载荷谱示意图；
[0036]
图3为45钢的纯低周疲劳试验结果及s-n曲线图；
[0037]
图4为45钢预测寿命与试验结果对比图；
[0038]
图5为ly12-cz铝合金的纯低周疲劳试验结果及s-n曲线图；
[0039]
图6为ly12-cz铝合金预测寿命与试验结果对比图。
具体实施方式
[0040]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0041]
实施例1
[0042]
本实施例提供一种非线性高低周复合疲劳寿命预测方法，如图1所示，所预测材料为45钢，包括以下步骤：
[0043]
获取基于疲劳试验得到的不同载荷条件下的试验循环次数，采用最小二乘法拟合，得到45钢的低周疲劳寿命s-n曲线，如图3所示。
[0044]
所述低周疲劳寿命s-n曲线为：
[0045]
σmn＝c
[0046]
其中，m,c为材料常数，σ为最大应力，n为疲劳寿命。
[0047]
根据低周疲劳寿命s-n曲线确定复合循环中低周循环应力对应的纯低周疲劳寿命n
lcf
：
[0048]
mlgσm+lgn
lcf
＝lgc
[0049]
其中，m,c为材料常数，σm为低周疲劳的平均应力。
[0050]
计算高低周复合循环中高周循环和低周循环的频率比与应力幅值比，其中，频率比的确定方法为：基于高低周复合循环比确定高周循环和低周循环的频率比；应力幅值比确定方法为：基于高低周复合循环载荷谱确定高周疲劳载荷的应力范围与低周疲劳载荷的应力范围的比值，所述比值即为高周循环和低周循环的应力幅值比。其中，所述高低周复合疲劳载荷由低周疲劳载荷与叠加在低周疲劳载荷峰值上的高周正弦载荷构成，所述高低周复合循环比为一个低周载荷循环叠加的高周循环载荷个数。高低周复合循环载荷谱示意图如图2所示。
[0051]
基于纯低周疲劳寿命、频率比和应力幅值比建立trufyakov-kovalchuk非线性模型：
[0052][0053]
其中，n
ccf
为高低周复合疲劳寿命，n为频率比，f
l
为低周循环频率，fh为高周循环频率，α为应力幅值比，δσ
l
为低周疲劳应力范围，δσh为高周疲劳应力范围，γ为材料常数，n
lcf
为纯低周疲劳寿命。
[0054]
基于频率比、应力幅值比与安全系数修正trufyakov-kovalchuk非线性模型得到修正非线性模型：
[0055][0056]
其中，为安全系数。
[0057]
由于低碳钢材料常数γ取值为1.3，高碳钢材料常数γ取值为1.7，45钢属于中碳钢，所以其材料常数γ取值范围为1.3-1.7。在本实施例中，γ分别取1.3和1.7代入修正非线性模型进行寿命预测，得到寿命预测结果如图4所示。
[0058]
实施例2
[0059]
本实施例提供一种非线性高低周复合疲劳寿命预测方法，如图1所示，所预测材料为ly12-cz铝合金，包括以下步骤：
[0060]
获取基于疲劳试验得到的不同载荷条件下的试验循环次数，采用最小二乘法拟合，得到ly12-cz铝合金的低周疲劳寿命s-n曲线，如图5所示。
[0061]
所述低周疲劳寿命s-n曲线为：
[0062]
σmn＝c
[0063]
其中，m,c为材料常数，σ为最大应力，n为疲劳寿命。
[0064]
根据低周疲劳寿命s-n曲线确定复合循环中低周循环应力对应的纯低周疲劳寿命n
lcf
：
[0065]
mlgσm+lgn
lcf
＝lgc
[0066]
其中，m,c为材料常数，σm为低周疲劳的平均应力。
[0067]
计算高低周复合循环中高周循环和低周循环的频率比与应力幅值比，其中，频率比的确定方法为：基于高低周复合循环比确定高周循环和低周循环的频率比；应力幅值比确定方法为：基于高低周复合循环载荷谱确定高周疲劳载荷的应力范围与低周疲劳载荷的应力范围的比值，所述比值即为高周循环和低周循环的应力幅值比。其中，所述高低周复合疲劳载荷由低周疲劳载荷与叠加在低周疲劳载荷峰值上的高周正弦载荷构成，所述高低周复合循环比为一个低周载荷循环叠加的高周循环载荷个数。高低周复合循环载荷谱示意图如图2所示。
[0068]
基于纯低周疲劳寿命、频率比和应力幅值比建立trufyakov-kovalchuk非线性模型为：
[0069]
[0070]
其中，n
ccf
为高低周复合疲劳寿命，n为频率比，f
l
为低周循环频率，fh为高周循环频率，α为应力幅值比，δσ
l
为低周疲劳应力范围，δσh为高周疲劳应力范围，γ为材料常数，n
lcf
为纯低周疲劳寿命。
[0071]
基于频率比、应力幅值比与安全系数修正trufyakov-kovalchuk非线性模型得到修正非线性模型：
[0072][0073]
其中，为安全系数。
[0074]
在本实施例中，ly12-cz铝合金材料常数γ取值为1.3，代入修正非线性模型进行寿命预测，得到寿命预测结果如图6所示。
[0075]
上述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。