多轴变幅加载下疲劳小裂纹特性实验研究与全寿命预测方法

Most structural engineering components in nuclear power, automotive, aircraft, and pressure vessels in service are subjected to complex multiaxial loading, therefore, the study on multiaxial fatigue small crack problem can further understand the physical nature of the various stages from fatigue crack initiation to growth in the micro aspect. Study on the mechanism Low-cycle multiaxial fatigue small crack and total life prediction method applied to the actual design has an important scientific value and practical significance for the structural strength design of major engineering equipment and its safe service. In the project, multiaxial fatigue theory, fracture mechanics, strength theory of material are combined to investigate the total life prediction method based on the small crack growth behavior under variable amplitude multiaxial loading, which will provide new technology and methods for predicting accurately the fatigue life of the structure under actual complex multiaxial loading. The main contents of the study include: (1) experimental investigateion on the mechanism of multiaxial fatigue crack initiation and the crack propagation characteristics; (2) study on growth the law of fatigue small crack growth under variable amplitude multiaxial loading; (3) the model of multiaxial fatigue small crack growth rate; (4) The method of total fatigue life prediction based on the characteristics of small crack growth.

工程实际中服役中的核电、汽车、飞机、和压力容器等结构零部件大多在复杂多轴载荷下工作，研究多轴疲劳小裂纹问题，有利于进一步从微观层次去认识疲劳裂纹从萌生到扩展各个阶段的物理本质。研究低周多轴疲劳小裂纹扩展机理与全寿命预测方法并应用到实际设计中对重大装备结构强度设计及安全服役具有重要的科学研究价值和工程实际意义。 本项目结合多轴疲劳理论、断裂力学，材料强度学等对多轴载荷下小裂纹特性进行系统的实验和理论分析，研究出变幅多轴加载下基于小裂纹扩展特性的全寿命预测方法，为实际复杂多轴加载下的结构疲劳寿命精确预测提供新的技术方法。核心研究内容包括：（1）多轴疲劳损伤机制与裂纹萌生与扩展特性实验研究；（2）变幅多轴加载下疲劳小裂纹扩展规律研究；（3）多轴载荷下小裂纹扩展速率模型的建立；（4）基于小裂纹特性的全疲劳寿命预测方法研究。

工程实际中服役中的飞机、汽车等结构零部件大多在复杂多轴载荷下工作。研究多轴疲劳小裂纹问题，有利于进一步从微观层次去认识疲劳裂纹从萌生到扩展各个阶段的物理本质。研究低周多轴疲劳小裂纹扩展机理与全寿命预测方法并应用到实际设计中对重大装备结构强度设计及安全服役具有重要的科学研究价值和工程实际意义。 本项目结合多轴疲劳强度理论、断裂力学等对多轴恒幅与变幅载荷下小裂纹特性进行系统的实验研究和理论分析，提出了变幅多轴加载下基于小裂纹扩展特性的全寿命预测方法，为实际复杂多轴加载下的结构疲劳寿命精确预测提供新的技术方法。主要研究内容包括：（1）多轴疲劳损伤机制与裂纹萌生与扩展特性实验研究；（2）变幅多轴加载下疲劳小裂纹扩展规律研究；（3）多轴载荷下小裂纹扩展速率模型的建立；（4）基于小裂纹特性的全疲劳寿命预测方法研究。所获得的重要结果为：发现了多轴疲劳小裂纹扩展中的异常现象及裂纹扩展方向特征。基于权临界面法，提出了基于断裂力学的方法来描述多轴疲劳短裂纹扩展行为。将临界面上最大剪应力范围和法向应力范围作为短裂纹扩展的驱动力参数，建立了适用于多轴恒幅和变幅加载，分别建立了基于应变、应力、有效J积分的多轴疲劳短裂纹扩展驱动力模型，并根据Newman裂纹闭合模型考虑了裂纹闭合效应。针对多轴变幅加载，提出了基于Wang-Brown多轴循环计数的权临界面疲劳寿命预测方法。所提出的多轴加载下基于短裂纹扩展的全寿命预测研究方法既适用于多轴恒幅加载，又适用于多轴变幅加载。根据所确定的初始和临界裂纹尺寸，采用循环累加的方法来计算短裂纹的扩展长度，使用所提出方法对7075-T651铝合金在多轴恒幅和变幅加载下的疲劳寿命进行了预测，误差因子在3个以内，取得了较好的寿命预测结果。