基于塑性金属材料的单轴疲劳寿命预测多轴疲劳寿命方法与流程

本发明涉及塑性金属材料承受多轴疲劳载荷时疲劳寿命的预测问题，具体涉及一种基于塑性金属材料的单轴疲劳寿命预测多轴疲劳寿命的方法，适用于大型起重机中广泛使用的各种塑性金属材料结构。

背景技术：

1、起重机作为一种大型工业设备，在其工作时由于工件的摇晃、转动等常常会受到多轴疲劳载荷的作用，而我国的起重机设计规范在计算疲劳强度时仅仅考虑了单轴加载的情况，这将导致起重机的实际寿命与设计寿命有较大误差。为了提高设备安全性，降低经济损失，对起重机主梁材料进行多轴疲劳寿命分析具有重要意义。一方面起重机主梁是起重机的主要承载部件，主梁的疲劳寿命代表着整机的疲劳寿命，因此掌握主梁疲劳失效原理，提出合适的疲劳寿命准则对其寿命进行准确预测能有效避免工程事故，具有重大工程意义。另一方面，对起重机主梁进行寿命评估能指导工程师在合适的时候进行检测、维修或替换，既能避免过早行动造成的浪费，又能避免过晚行动导致的安全事故以及相应的经济损失，具有实际经济意义。

2、关于多轴疲劳失效的寿命预测方法，目前主要通过疲劳失效准则转换成寿命预测公式来计算寿命。多轴疲劳失效准则主要有细观积分准则、应力不变量准则、等效应力准则和临界面准则这四种。等效应力准则根据试验数据拟合公式，计算方便，工程应用较广，但是没有相应的物理背景作支撑；应力不变量准则考虑了部分物理参量，但同样为以数据为基础的经验公式，另外当加载路径中存在相位差时会有较大误差；临界面准则以裂纹萌生和扩展机理为基础，物理意义明确，认为裂纹在疲劳载荷下产生于某特定平面，然后在此平面的切应力与正应力的共同作用下萌生与扩展。这几年来，利用临界面准则进行寿命评估已成为实际工程应用的主要选择。因此，本发明基于临界面准则提出了一种新的多轴疲劳寿命预测方法。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题为：考虑相位差、应力幅比以及平均应力对多轴疲劳失效的影响，通过材料的单轴疲劳试验数据，基于多轴疲劳寿命预测中临界面法准则，建立塑性金属材料的多轴疲劳失效预测模型，用以预测塑性金属材料在承受多轴疲劳载荷时的寿命，并最终提出一种基于临界面法的塑性金属材料多轴疲劳寿命预测方法。

2、本发明是通过如下技术方案实现的：

3、一种基于塑性金属材料的单轴疲劳寿命预测多轴疲劳寿命方法，包括如下步骤：

4、步骤a，首先确定结构材料是否为塑性金属材料，若是塑性金属材料，则进行步骤b，若不是塑性金属材料，则不适用该基于临界面法的塑性金属材料多轴疲劳寿命预测方法，直接进入步骤e；

5、步骤b，通过试验分别得到结构材料的单轴拉压和纯扭转的s-n曲线，根据扭转疲劳的s-n曲线τ＝τ'f(n)c得到参数τ'f和c；然后分别计算出给定无限寿命对应的拉压疲劳极限f-1和扭转疲劳极限t-1；

6、步骤c，计算危险点处最大正应力σmax，最大切应力幅值τn,a,max以及最大切应力幅值所在平面的正应力σn；

7、步骤d，将上述最大正应力σmax、最大切应力幅值τn,a,max以及最大剪应力幅值所在平面的正应力σn代入多轴疲劳寿命预测模型，预测结构的多轴疲劳寿命nf，该寿命预测模型为：

8、

9、其中τn,a,max为加载过程中最大切应力幅值，σmax为加载过程中最大正应力，σn为最大切应力幅值所在平面的正应力，t-1和f-1为扭转疲劳极限和拉压疲劳极限，通过试验来确定，τ'f和c为材料常数，通过拟合材料的扭转疲劳s-n曲线获得，nf为预测的疲劳寿命。

10、步骤e，结束。

11、本发明与现有技术相比的优点在于：

12、(1)本发明基于塑性金属材料的单轴疲劳寿命预测多轴疲劳寿命的方法，分别考虑了应力幅比、相位差以及平均应力对多轴疲劳寿命的影响，相较于一般的寿命预测模型考虑了更多加载参量；

13、(2)本发明基于塑性金属材料的单轴疲劳寿命预测多轴疲劳寿命的方法，针对塑性金属材料的中高周多轴疲劳寿命均适用(nf≥10^4)；

14、(3)本发明基于塑性金属材料的单轴疲劳寿命预测多轴疲劳寿命的方法，与现有的多轴疲劳预测模型相比，基于能够揭示物理机理的临界面法准则，预测结果分散性小，准确度高。

技术特征：

1.一种基于塑性金属材料的单轴疲劳寿命预测多轴疲劳寿命方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结本发明涉及一种基于塑性金属材料的单轴疲劳寿命预测多轴疲劳寿命方法，包括如下步骤：确定结构材料是否为塑性金属材料；通过试验得到单轴疲劳数据；确定结构危险点应力状态；带入寿命预测模型；得到寿命预测结果。本发明分别考虑了应力幅比、相位差以及平均应力对多轴疲劳寿命的影响，相较于一般的寿命预测模型考虑了更多加载参量；本发明针对塑性金属材料的中高周多轴疲劳寿命均适用；本发明基于能够揭示物理机理的临界面法准则，预测结果分散性小，准确度高。技术研发人员：李飞,邵东亮,陈亚斌,罗振坤,刘浩,俞波受保护的技术使用者：江苏省特种设备安全监督检验研究院技术研发日：技术公布日：2024/8/1