缺口-尺寸效應下耦合應變能梯度的結構疲勞壽命評估方法技術

本發明專利技術公開一種缺口

【技術實現步驟摘要】
缺口
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尺寸效應下耦合應變能梯度的結構疲勞壽命評估方法


[0001]本專利技術屬于可靠性分析領域，特別涉及一種特種車輛結構強度評估及可靠性分析技術。

技術介紹

[0002]特種車輛作為聯合作戰的基本要素和重要力量，在過去和未來的戰場中有著不可替代的作用。隨著未來戰場日益復雜多變，對其綜合性能的要求愈加苛刻。然而，提高綜合性能往往需要從根本上解決部件增多、防護力加強、運動敏捷、結構優化等問題。選擇高強、高韌輕便材料以實現有機匹配車輛各項性能參數、合理布置各系統部件、最優化系統綜合效能是最重要和最艱巨的工作。鈦合金材料具有高強度、高韌性等性能，在飛機、潛艇等裝備上都有應用，且鈦合金密度較鋼低，一直被認為是完美的特種車輛材料。用鈦合金作為裝甲材料，能達到增強防護力又減重的良好效果。近年來，隨著新技術、新工藝的使用，鈦合金裝甲的價格大幅下降，制造成本不斷降低，國內外新型特種車輛的結構框架和部分裝甲逐漸使用鈦合金制造，以滿足更加現代化的發展需要。隨著我國兵器裝備集團在大型鈦合金零部件制造、焊接、機加工等方面的高速發展，鈦合金將廣泛應用于特種車輛制造。
[0003]疲勞失效是特種車輛結構/機械部件的主要失效模式之一。尤其對于疲勞斷裂而言，大多數事故都是突然發生，且往往會導致災難性事故并帶來巨大經濟損失。在針對疲勞的研究分析中，缺口
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尺寸效應下的疲勞失效問題一直是研究的熱點。在機械結構設計中，為滿足部件連接和組裝的需要以及其它功能性要求，由幾何不連續引起的缺口效應是不可避免的。由于缺口部位橫截面尺寸的不規則變化，當其受外部載荷作用時，缺口根部會產生顯著應力集中，這直接影響到槽口根部的彈塑性變形。不同應力比和復雜幾何形狀結構的組合在工程實踐中是廣泛存在的。然而，受技術能力、開發周期和開發成本的限制，對特種車輛、航空發動機、潛艇等一些關鍵部件進行疲勞試驗往往不現實。因此，開展不同應力比下不同形狀尺寸的缺口結構壽命預測方法的深入探究，提出一套在工程中切實可行的結構疲勞壽命估算方法和分析流程，具有重要的理論意義和工程價值。
[0004]尺寸效應下缺口結構疲勞壽命預測問題的關鍵是要找到一種合適的方法來描述和分析不同形狀大小的缺口處的應力集中現象，計算其疲勞損傷，然后代入壽命模型預測壽命。迄今為止，在缺口
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尺寸效應的研究上已有較深的積累，建立起了一系列分析模型。按照對疲勞缺口效應的解釋思路及相應的描述參數的差異，可將缺口件疲勞壽命分析方法分為局部應力
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應變法、應力梯度法以及臨界區域法等三大類。其中，臨界距離理論、應力場強法以及高應力體積法又較常用。上述三種方法的共同點就是考慮了有效損傷區域內整體損傷對疲勞演化進程的作用。同時疲勞壽命往往呈現一定分散性，有效量化疲勞壽命分散性的概率模型在工程部件的疲勞失效分析中具有廣泛的應用。

技術實現思路

[0005]為解決上述技術問題，本專利技術提出一種缺口
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尺寸效應下耦合應變能梯度的結構
疲勞壽命評估方法，綜合考慮不同應力比和缺口
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尺寸效應共同作用下的機械結構疲勞強度設計的要求，得到的疲勞壽命預測模型，能夠綜合表征隨機因素影響下不同應力比和缺口
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尺寸效應的共同作用，壽命預測準確率高。
[0006]本專利技術采用的技術方案為：缺口
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尺寸效應下耦合應變能梯度的結構疲勞壽命評估方法，包括：
[0007]S1、對試樣進行彈塑性有限元建模分析，建立對稱加載下總應變能密度和壽命之間的聯系；
[0008]S2、計算等效應變能密度；
[0009]S3、將等效應變能密度作為損傷參量，得到不同應力比下考慮尺寸效應的缺口件疲勞壽命預測模型。
[0010]步驟S1具體為：
[0011]S11、對試樣進行彈塑性有限元建模分析，提取邊界單元在穩定循環內沿加載方向的應力
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應變響應；
[0012]S12、繪制邊界單元在穩定循環內的遲滯曲線，計算總應變能密度，進而擬合對稱加載下總應變能密度與壽命的關系式。
[0013]步驟S12所述的總應變能密度和壽命之間的表達式為：
[0014]W
t
*(K
t
)
β
＝a(N
f
)
b
[0015]其中，W
t
為總應變能，K
t
為理論應力集中系數，N
f
為疲勞壽命，a、b和β為參數，a、b和β通過最小二乘法擬合得到。
[0016]步驟S2包括以下分步驟：
[0017]S21、對缺口結構進行不同應力比下的彈塑性有限元分析，根據等效應力云圖確定應力集中區域；
[0018]S22、提取應力集中區域所有表面節點在穩定循環內的最大/最小應力應變，計算總應變能密度；
[0019]S23、尋找具有最大總應變能密度的危險點O；
[0020]S24、以步驟S23中的危險點O為原點，確定損傷區域的邊界長度和體積；
[0021]S25、計算邊界長度上等效應變能密度。
[0022]步驟S25所述邊界長度上等效應變能密度的計算式為：
[0023][0024]其中，D
eff
為損傷區域的邊界長度，W
t
為損傷區域內上任意點的總應變能密度，為權函數，x為損傷區域內任一點到最大應變能密度點的距離。
[0025]總應變能密度W
t
的計算式為：
[0026][0027]式中，Δσ為應力范圍，Δε
e
為彈性應變范圍，Δε
p
為塑性應變范圍，n
′
循環應變硬化指數，ΔW
e
為彈性應變能密度，ΔW
p
為塑性應變能密度。
[0028]權函數的表達式為：
[0029][0030]其中，χ
W
(x)為總應變能梯度。
[0031]總應變能梯度χ
W
(x)的計算公式為：
[0032][0033]其中，W
a，max
表示最大總應變能密度。
[0034]本專利技術的有益效果：本專利技術提出了一種以等效應變能密度為損傷參量的疲勞壽命預測模型：具體地，本專利技術通過計算總應變能密度有效地解決不同應力比下的平均應力效應，耦合應變能梯度的概念來定義損傷區域的邊界長度和體積，引入權函數量化缺口
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尺寸效應的作用，然后通過耦合總應變能密度、權函數和應變能梯度得到等效應變能密度W
t，eff
作為損傷參量，并考慮整個損傷區域建立概率疲勞壽命評估方程。最后經過試驗驗證，本專利技術的疲勞壽命預測模型及概率評估方程能夠綜合表征隨機因素影響下不同應力比和缺口
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尺寸效應的共同作用，壽命預測準確率高，并能較好的量化疲勞壽命的分散性。本專利技術的方法具備以下優本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.缺口
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尺寸效應下耦合應變能梯度的結構疲勞壽命評估方法，其特征在于，包括：S1、對試樣進行彈塑性有限元建模分析，建立對稱加載下總應變能密度和壽命之間的聯系；S2、計算等效應變能密度；S3、將等效應變能密度作為損傷參量，得到不同應力比下考慮尺寸效應的缺口件疲勞壽命預測模型。2.根據權利要求1所述的缺口
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尺寸效應下耦合應變能梯度的結構疲勞壽命評估方法，其特征在于，步驟S1具體為：S11、對試樣進行彈塑性有限元建模分析，提取邊界單元在穩定循環內沿加載方向的應力一應變響應；S12、繪制邊界單元在穩定循環內的遲滯曲線，計算總應變能密度，進而擬合對稱加載下總應變能密度與壽命的關系式。3.根據權利要求2所述的缺口
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尺寸效應下耦合應變能梯度的結構疲勞壽命評估方法，其特征在于，步驟S12所述的對稱加載下總應變能密度和壽命之間的表達式為：W
t
*(K
t
)
β
＝a(N
f
)
b
其中，W
t
為總應變能，K
t
為理論應力集中系數，N
f
為疲勞壽命，a、b和β為參數，a、b和β通過最小二乘法擬合得到。4.根據權利要求3所述的缺口
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尺寸效應下耦合應變能梯度的結構疲勞壽命評估方法，其特征在于，步驟S2包括以下分步驟：S21、對缺口結構進行不同應力比下的彈塑性有限元分析，根據等效應力云圖確定應力集中區域；S22、提取應力集中區域所有表面節點在穩定循環內的...

【專利技術屬性】
技術研發人員：朱順鵬，李雪康，菅敏，王喆，伊梟劍，廖鼎，何金超，
申請(專利權)人：內蒙古第一機械集團有限公司北京理工大學，
類型：發明
國別省市：