多轴随机载荷下高周疲劳损伤特性试验研究与寿命预测

Aircraft engines, high-speed locomotives, subway vehicles, automobiles, bridges, precision lathes and other key parts of the structures in service, are subjected to multiaxial random loading. The investigations of high-cycle multiaxial fatigue life prediction method applied to both uniaxial and multiaxial proportional and non-proportional random loading will ensure major equipments for security service, which have extremely important theoretical and practical significance. This project will make quantitative and theoretical analysis and experimental studies for mechanisms of fatigue damage by combining with fatigue mechanics, damage mechanics, micro and meso mechanics for complex mechanical structures in actual engineering service under proportional and non-proportional random multiaxial loading. High-cycle multiaxial fatigue damage characteristics under random multiaxial loading will be studied further. The process of dynamic damage properties during the fatigue crack initiation process will be ivestigated under random multiaxial loading, which grasps the common essential characteristics of the fatigue damage under uniaxial cyclic loading, multiaxial proportional loading, and non-proportional loading.A multiaxial fatigue damage model that can reflect its three dimensional damage characteristics will be proposed. Finally, a high-cycle fatigue damage and life prediction method that can suitable for complex engineering structures under multiaxial proportional and non-proportional random loading will be proposed, which will lay a solid foundation for improving the efficient, safe operation, and life extension technology for major technical equipment.

服役中的飞机发动机，高速机车，地铁，汽车，桥梁，精密车床等结构中的一些关键零部件均在多轴随机载荷下运行。研究同时适用于单轴与多轴比例与非比例随机载荷作用下的高周多轴疲劳寿命预测方法对重大装备的安全服役具有重要的理论和工程实际意义。本项目结合疲劳力学、损伤力学、微细观力学，对工程实际服役中的复杂机械结构在随机单轴与多轴比例非比例交互加载下的宏观与微观疲劳损伤机制进行系统的定量理论分析和试验研究。深入研究随机多轴载荷下的高周疲劳损伤特性。针对随机多轴加载下疲劳裂纹形成过程中的动态损伤特性进行试验研究，抓住单轴循环加载，多轴比例加载，非比例加载下疲劳损伤的共同本质特性，建立能够综合反映其三维损伤特性的多轴疲劳损伤模型，最终给出能够同时适用于单多轴随机加载情况下复杂工程结构的高周疲劳损伤及寿命预测方法，为提高我国重大装备的高效安全运行和延寿技术水平奠定坚实的基础。

实际服役中的重要机械零部件往往都承受着复杂的多轴载荷作用。尤其是随机载荷作用下的高周多轴疲劳问题的研究越来越成为当前关注和研究的热点，完善随机载荷下高周多轴疲劳寿命预测方法将会对实际工程设计带来及其深远的意义。项目主要研究内容及重要结果如下：. （1）以最新的多轴疲劳理论为基础，结合试验结果对高周多轴疲劳问题进行了分析和研究。通过对航空铝合金薄壁管试件进行了恒幅以及随机载荷下的高周多轴疲劳试验，为后续疲劳寿命预测模型以及寿命预测方法的研究提供数据支持。. (2）基于临界面法，提出了一种考虑平均应力影响的高周多轴疲劳破坏准则。该准则是以最大剪应力值所在的平面为临界面，并包含剪应力幅、正应力幅和平均正应力三个损伤参量的非线性组合形式的疲劳破坏准则，考虑了平均剪应力以及平均正应力对疲劳寿命的影响。通过多种材料的在比例及非比例路径下的拉-扭高周多轴疲劳寿命试验数据，并与McDiarmid 准则、Matake 准则和Papadopoulos 准则进行了对比，验证了所提准则的准确度。. (3) 基于所提出的准则转换得到高周多轴疲劳寿命预测模型，通过几种材料的恒幅疲劳试验数据的验证表明，所提的模型具有较好的预测效果，几种材料的寿命预测结果大部分位于在三倍误差带之内，并且说明了相位差对疲劳寿命的影响。. (4) 运用所提出的高周多轴疲劳寿命预测模型，基于主辅通道循环计数法实现了对随机载荷下的高周多轴疲劳寿命预测，取得了令人满意的预测效果。. (5) 提出了用于确定临界平面的加权函数方法。临界平面被假定为与平均最大绝对剪切应力平面重合，该平均最大绝对剪切应力平面通过平均试样轴线和最大绝对剪切应力平面的法线之间的瞬时角度来计算。所提出的确定临界平面的方法通过疲劳数据来验证，并且多轴疲劳寿命也被预测以验证所确定的临界平面。.（6）提出了一种基于应变参数的加权函数方法。临界平面定义为加权平均最大绝对剪切应变平面。基于最大剪应变提出了权重函数, 然后由多轴疲劳损伤模型计算疲劳寿命,并经恒幅和变幅拉扭载荷下的疲劳实验数据通过验证。在随机加载下，采用Wang-Brown的方法作为循环计数方法。结果表明，提出的确定临界平面的方法适用变幅载荷下高周多轴疲劳寿命预测。