考虑平均应变的低周疲劳寿命本征损伤耗散预测方法

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.026

工程设计学报

2023, Vol. 30

Issue (2): 136-143 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.026

设计基础理论与方法

考虑平均应变的低周疲劳寿命本征损伤耗散预测方法

王嘉栋¹(

),胡明¹(

),严伟²,李浩然¹(

)

^1.浙江理工大学机械工程学院，浙江杭州 310018
^2.浙江正远智能装备科技有限公司，浙江湖州 313000

Prediction method of intrinsic damage dissipation for low cycle fatigue life considering average strain

Jiadong WANG¹(

),Ming HU¹(

),Wei YAN²,Haoran LI¹(

)

^1.College of Mechanical Engineering, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China
^2.Zhejiang Zhengyuan Intelligent Equipment Technology Co. , Ltd. , Huzhou 313000, China

全文: PDF(2595 KB) HTML

摘要：

金属构件疲劳破坏是工业中常见的破坏形式。为了提高构件疲劳寿命的预测精度，针对低周疲劳载荷下平均应变对疲劳寿命的影响，基于连续介质损伤力学及其不可逆热力学框架，并引入Ramberg-Osgood循环本构模型，以等本征损伤耗散功作为等寿命条件，建立了一种考虑平均应变的低周疲劳寿命预测模型。为对比验证新建模型的有效性和先进性，采用新建模型、修正的Ohji模型、Sandor模型和Wei-Wong模型分别对叠加平均应变的45钢和2124-T851铝合金的低周疲劳寿命进行了预测，并与对应的试验结果进行对比。结果表明：新建模型的预测结果与试验结果吻合较好，其预测效果优于现有模型。基于本征损伤耗散理论的疲劳寿命预测方法为金属材料疲劳寿命的预测提供了新思路。

关键词： 低周疲劳; 损伤力学; 平均应变; 本征损伤耗散功; 寿命预测

Abstract:

Fatigue failure of metal components is a common form of failure in industry. In order to improve the prediction accuracy of fatigue life of components, aiming at the influence of average strain on fatigue life under low cycle fatigue load, a low cycle fatigue life prediction model considering average strain was established based on the continuum damage mechanics and its irreversible thermodynamic framework, by introducing the Ramberg-Osgood cyclic constitutive model and using equivalent intrinsic damage dissipation work as an equal life condition. In order to compare and verify the effectiveness and progressiveness of the new model, the new model, modified Ohji model, Sandor model and Wei-Wong model were used to predict the low cycle fatigue life of 45 steel and 2124-T851 aluminum alloy with superimposed average strain, and compared with the corresponding test results. The results showed that the prediction results of the new model were in good agreement with the experimental results, and its prediction effect was better than the existing models. The fatigue life prediction method based on the intrinsic damage dissipation theory provides a new idea for the fatigue life prediction of metal materials.

Key words: low cycle fatigue damage mechanics average strain intrinsic damage dissipation work life prediction

收稿日期: 2022-09-05 出版日期: 2023-05-06

CLC:

O 346.2

基金资助: 国家自然科学基金资助项目(51375458)

通讯作者: 李浩然 E-mail: jiadongwang1997@163.com;huming@zstu.edu.cn;lihaoranysu@163.com

作者简介: 王嘉栋（1997—），男，江苏无锡人，硕士生，从事构件疲劳寿命预测研究，E-mail: jiadongwang1997@163.com，https://orcid.org/0000-0002-0388-5794|胡明（1976—），女，辽宁凌海人，教授，博士，从事空间折展机构可靠性研究，E-mail: huming@zstu.edu.cn

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引用本文:

王嘉栋,胡明,严伟,李浩然. 考虑平均应变的低周疲劳寿命本征损伤耗散预测方法[J]. 工程设计学报, 2023, 30(2): 136-143.

Jiadong WANG,Ming HU,Wei YAN,Haoran LI. Prediction method of intrinsic damage dissipation for low cycle fatigue life considering average strain[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2023, 30(2): 136-143.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.026 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2023/V30/I2/136

图1 原子键滑移机制示意

图2 电液伺服动静万能试验机

表1 45钢的化学成分

图3 45钢光滑试样几何尺寸

编号	应变比r	应变幅 $ε a$ /%	塑性应变幅 $ε a p$ /%	疲劳寿命 $N f$ /次
1	-1	0.60	0.394	3 417
2	-1	0.80	0.559	1 691
3	-1	1.00	0.753	1 026
4	-1	1.20	0.932	789
5	0.05	0.60	0.390	3 405
6	0.05	0.80	0.570	1 692
7	0.05	1.00	0.745	1 307
8	0.05	1.20	0.937	714
9	0.5	0.60	0.386	3 111
10	0.5	0.80	0.566	1 788
11	0.5	1.00	0.746	942
12	0.5	1.20	0.919	706

表2 45钢的低周疲劳试验数据

材料	弹性模量 $E / G P a$	疲劳延性系数 $ε f'$	循环应变硬化指数 $n'$	材料参数
材料	弹性模量 $E / G P a$	疲劳延性系数 $ε f'$	循环应变硬化指数 $n'$	$α$	$S 1$
2124-T851铝合金	73.5	0.15	0.068 3	1.766 0	-0.292 8
45钢	198.4	0.43	0.243 0	0.251 2	1.481 5

表3 2种材料的疲劳性能参数

图4 2种材料的低周疲劳寿命预测结果误差分散图

材料	平均误差指标 $I ˉ$ /%
材料	修正的Ohji模型	Sandor模型	Wei-Wong模型	新建模型
2124-T851铝合金	60.8	85.2	78.4	53.1
45钢	7.8	13.4	15.7	6.7

表4 4种低周疲劳寿命预测模型的平均误差指标

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