金属材料多轴随机载荷下疲劳寿命分析

Nearly all of machines and engineering structures work under nonproportional multiaxial stochastic loading. Light weight, long life and high reliability are becoming general and key design requirements of transport vehicle and aerospace structures, to meet the pressure of energy, environment and market. Therefore it is obviously urgent at the present time to discuss and study the mechanism and life estimation approaches of structures under multiaxial stochastic loading..This project focuses on the investigation of fatigue damage cumulative rule. Based on the experimental investigation and theoretical analysis of fatigue damage mechanism, it is required to bring forward a fatigue damage cumulative rule under multiaxial nonproportional stochastic loading with different frequencies for each loading sources, and then to verify the proposed rule. The another focus of this project is to research the classification method of the loading spectrums based on the fatigue life estimation accuracy, and to deal with the loading spectrums of practical engineering structures recorded during their services. Then the fatigue damage cumulative rules adapted for different kinds of loading spectrums will emerge by simplifying or modifying the proposed fatigue damage cumulative rule above. After that these rules are to be verified by experiments and application..This project is necessary and also of great importance to understand the mechanism of multiaxial fatigue failure, and is important to develop the design approach of structures under the multiaxial loading.

绝大多数机械和结构受到多轴非比例疲劳载荷的作用。轻质长寿命高可靠性结构是交通和航空航天结构的设计要求，因此对于多轴疲劳破坏理论和疲劳寿命评估方法需求十分迫切。.本项目通过多轴疲劳损伤累积机理的试验和理论研究，探索多轴疲劳损伤累积的规律，提出适用于多轴变路径、变幅和变频率随机载荷谱作用下的疲劳损伤累积理论，进行试验验证；针对工程结构的实际载荷谱情况，研究载荷谱的分类方法，提出适用于不同类型载荷谱的疲劳累积损伤理论，进行工程适用性评估和试验验证。.本项目对于揭示多轴疲劳破坏的机理具有学术意义，对于工程结构的多轴疲劳设计具有实用参考价值。

本项目完成了多轴疲劳累积损伤理论、载荷谱分类与简化、缺口件多轴疲劳寿命分析等研究工作。.按照载荷随机性，将多轴累积损伤理论研究中已有的多轴变幅载荷分为阶梯谱、块谱和随机谱。然后，按照损伤累积方式和对多轴疲劳损伤方向性的认识，将已有的多轴疲劳累积损伤理论分为四类：(a) 不分方向的线性累积模型；(b) 不分方向的非线性累积模型；(c) 分方向的线性累积模型；(d) 分方向的非线性累积模型。通过统计对比各模型的应用情况，对它们的适用范围、计算效果进行了初步分析。.使用LY12CZ铝合金进行了一系列多轴两级阶梯谱试验。通过分析试验结果发现，载荷速率的变化与材料临界面上的多轴应力状态变化情况有关。本文提出了一种新的累积损伤模型用来描述多轴阶梯谱下的疲劳损伤累积规律。新模型的累积损伤计算结果与试验结果相比，准确率较高。.使用LY12CZ铝合金进行了一系列多轴块谱、随机谱试验。试验结果表明，虽然载荷幅值和载荷路径的变化对损伤累积速率有影响，但是这种影响随着载荷随机性的增加而减弱。最终，Miner理论可以较好地描述多轴块谱和随机谱下的损伤累积规律。因此，对于工程结构，使用Miner理论计算多轴疲劳累积损伤是合理可行的。.研究了薄壁圆管试件截面剪应力梯度对疲劳寿命的影响。然后，进一步通过考虑多轴疲劳损伤方向性和临界面上的应力梯度效应，对单轴缺口件疲劳研究中常用的应力场强法进行了改进。之后，本文使用LY12CZ铝合金进行了一系列多轴缺口件疲劳试验。试验结果表明，本文提出的改进模型有较好的寿命预测准确率。.为了对载荷谱进行合理的简化浓缩，选取了Bhattacharyya距离作为衡量原谱与编制谱相似程度的参量，综合考虑寿命均值与分散性，得到了载荷谱编制的方法。在舍去低载时考虑的是B距离在一定范围内，尽可能多地舍去对疲劳损伤影响不大的载荷。在载荷折算时考虑的是在给定折算水平下，相应的B距离最小，求对应的等效谱。试验结果表明该方法能大幅减小试验时间，得到有效的试验谱，进一步缩减了疲劳试验成本。