一種腐蝕疲勞性能表徵和壽命估算方法與流程
2023-12-03 16:54:51 2
本發明提供一種腐蝕疲勞性能表徵和壽命估算方法，屬於金屬結構疲勞可靠性
技術領域：
。
背景技術：
：實際工程中，材料常會受到交變載荷的作用而產生損傷，出現疲勞裂紋；並在一定的循環應力作用後發生斷裂失效，從而對結構的安全性造成威脅。結構在服役過程中受到外部環境影響會不可避免地發生腐蝕，對於暴露在潮溼、鹽霧和海水等腐蝕環境下的航空器，隨著使用年限的增加，腐蝕引起的損傷常常導致飛機結構疲勞裂紋提前萌生和加速擴展，甚至改變飛機上疲勞失效的位置，嚴重影響飛行安全，因此，研究材料的腐蝕疲勞行為有重要的實際意義。目前，現有的腐蝕疲勞壽命估算方法均不能考慮載荷譜中載荷順序影響，導致腐蝕疲勞壽命估算結果存在較大誤差，為此，發明了一種簡單實用的腐蝕疲勞性能表徵與壽命估算方法，該方法考慮應力比和載荷順序效應，更符合實際情況，能提高估算精度，本發明具有重要學術意義和工程應用價值。技術實現要素：1、目的：本發明目的是提供了一種腐蝕疲勞性能表徵和壽命估算方法，該方法考慮了應力比和載荷順序的影響，具有簡單實用、計算參數少、計算精度高等特點，對於腐蝕環境下疲勞性能和譜載壽命評估有重要價值。2、技術方案：一種腐蝕疲勞性能表徵和壽命估算方法，該方法具體步驟如下，步驟一、考慮應力比效應的腐蝕疲勞性能曲面表徵模型及其參數估計按照《金屬材料恆幅軸向疲勞試驗方法》(HB5287-96)，通過腐蝕介質盒和溶液循環泵，在腐蝕環境下進行疲勞試驗。在單一應力比下，採用成組試驗法和升降試驗法，選取不同的最大疲勞應力加載，得到相應壽命範圍的疲勞失效循環數，記錄每組疲勞試驗的結果。採用三參數冪函數表達式表徵單一應力比下的疲勞性能，並對應力比修正，獲得考慮應力比效應的疲勞性能表徵模型(Sa-Sm-N曲面模型)：(σtσt-SmSa-S)-mQ=N---(1)]]>式中，σt為材料拉伸強度；Sa和Sm分別為疲勞應力幅值和應力均值；S是擬合得到的疲勞強度；Q和m為材料常數；N為失效壽命循環數。式(4)中的Q、m和S為待定參數，需要在試驗數據[Sa,Sm,N]的基礎上，藉助線性回歸理論擬合得到。對式(1)兩邊取對數，得到：Y＝c0+c1X(2)式中Y＝lgN，c0＝lgQ，c1＝-m，根據線性回歸理論，待定參數c0和c1以及相關因數r的確定方法如下：c0=y-c1x---(3)]]>c1=L12L11---(4)]]>r=L12L11L22---(5)]]>其中x=1nΣi=1nxi---(6)]]>y=1nΣi=1nyi---(7)]]>L11=Σi=1n(xi-x)2---(8)]]>L22=Σi=1n(yi-y)2---(9)]]>L12=Σi=1n(xi-x)(yi-y)---(10)]]>從式(6)至式(10)可以看出，中間變量L11、L12和L22均與待定常數S有關，也就是說，它們均是S的函數。因此，參數c0和c1也同樣是S的函數，從而，首先需要確定參數S的取值。採用相關因數優化方法，所求S值須使相關因數r取得極大值，即相關因數的平方也在S處取得極值dr2(S)dS=0---(11)]]>計算得到待定常數S需滿足下式H(S)＝L11L20-L12L10＝0(12)式中L10=Σi=1nxiσtσt-(Sm)i(Sa)i-S-1-xΣi=1nσtσt-(Sm)i(Sa)i-S-1---(13)]]>L20=Σi=1nyiσtσt-(Sm)i(Sa)i-S-1-yΣi=1nσtσt-(Sm)i(Sa)i-S-1---(14)]]>利用式(12)的求解出的S值，根據式(6)和式(7)，可計算參數c0和c1，最後獲得Q=10(y-c1x)---(15)]]>m=-L12L11---(16)]]>步驟二、考慮載荷順序效應的腐蝕疲勞壽命估算模型載荷交互作用對疲勞行為有顯著影響，包括高載後殘餘壓應力引起的高載遲滯效應，以及低載後殘餘拉應力引起的抵消遲滯效應等，但線性累積損傷Miner理論忽略了載荷歷程中的順序效應和載荷間的交互作用，難以對實測載荷譜加載下的疲勞壽命進行準確評估。基於塑性區理論，Willenborg-Chang模型成功地表徵了載荷交互作用並對隨機載荷譜下的裂紋擴展壽命進行了預測。將Miner理論與Willenborg-Chang模型相結合，引入有效應力均值Sm,eff以表徵疲勞損傷中的載荷交互效應，得到疲勞損傷增量和譜載下疲勞壽命估算公式：ΔDi=1Qσt(Sa)iσt-(Sm,eff)i-Smσt(Sa)iσt-(Sm,eff)iS0σt(Sa)iσt-(Sm,eff)iTΣi=1kΔDi=1---(18)]]>其中Sm,eff=Sm-Smax,OL-SSmax,OL(rs-1)(Smax,OL1-ΔD′ZOL-Smax)---(19)]]>ZOL=12(SmaxDσt)2---(20)]]>式中，ΔDi是隨機載荷譜中第i個應力循環造成的疲勞損傷增量；k是一個隨機載荷譜塊中的應力循環數；T是譜載疲勞壽命；Smax,OL是先前過載循環的最大疲勞應力；rs是超載截止比；ΔD′是過載後的疲勞損傷增量；ZOL是過載遲滯區尺寸參數。步驟三、腐蝕疲勞壽命估算的累計求和算法藉助式(17)至式(20)，可以估算腐蝕環境下材料譜載疲勞壽命，具體計算方法為：(i)對於隨機載荷譜中的第一個應力循環，可由式(19)和(20)得到對應的有效應力均值(Sm,eff)1，代入式(17)，得到第一個循環造成的疲勞損傷增量ΔD1和當前損傷值D1；(ii)同樣的，在D1基礎上，計算第二個應力循環的有效應力均值(Sm,eff)2，得到第二個循環造成的疲勞損傷增量ΔD2和當前損傷值D2；(iii)通過如此循環接循環的累積，計算載荷譜中每一後續應力循環造成的疲勞損傷增量直至載荷譜結束，此時，對應的累積損傷即為一個隨機載荷譜塊所造成的疲勞損傷；(iv)當累積損傷達到或超過式(18)允許的臨界損傷時，疲勞損傷累積計算停止，此時對應的最終失效循環數即為腐蝕環境下材料譜載疲勞壽命。附圖說明圖1為本發明所述方法的計算流程圖。圖中符號說明如下：圖1中的D為當前疲勞損傷；ΔDi是實測載荷譜中第i個應力循環造成的疲勞損傷增量。具體實施方式圖1為本發明所述方法的流程框圖，本發明分三步實現，具體為：步驟一、考慮應力比效應的腐蝕疲勞性能曲面表徵模型及其參數估計按照《金屬材料恆幅軸向疲勞試驗方法》(HB5287-96)，通過腐蝕介質盒和溶液循環泵，在腐蝕環境下進行疲勞試驗。在單一應力比下，採用成組試驗法和升降試驗法，選取不同的最大疲勞應力加載，得到相應壽命範圍的疲勞失效循環數，記錄每組疲勞試驗的結果。採用三參數冪函數表達式表徵單一應力比下的疲勞性能，並對應力比修正，獲得考慮應力比效應的疲勞性能表徵模型(Sa-Sm-N曲面模型)：(σtσt-SmSa-S)-mQ=N---(1)]]>式中，σt為材料拉伸強度；Sa和Sm分別為疲勞應力幅值和應力均值；S是擬合得到的疲勞強度；Q和m為材料常數；N為失效壽命循環數。式(4)中的Q、m和S為待定參數，需要在試驗數據[Sa,Sm,N]的基礎上，藉助線性回歸理論擬合得到。對式(1)兩邊取對數，得到：Y＝c0+c1X(2)式中Y＝lgN，c0＝lgQ，c1＝-m，根據線性回歸理論，待定參數c0和c1以及相關因數r的確定方法如下：c0=y-c1x---(3)]]>c1=L12L11---(4)]]>r=L12L11L22---(5)]]>其中x=1nΣi=1nxi---(6)]]>y=1nΣi=1nyi---(7)]]>L11=Σi=1n(xi-x)2---(8)]]>L22=Σi=1n(yi-y)2---(9)]]>L12=Σi=1n(xi-x)(yi-y)---(10)]]>從式(6)至式(10)可以看出，中間變量L11、L12和L22均與待定常數S有關，也就是說，它們均是S的函數。因此，參數c0和c1也同樣是S的函數，從而，首先需要確定參數S的取值。採用相關因數優化方法，所求S值須使相關因數r取得極大值，即相關因數的平方也在S處取得極值dr2(S)dS=0---(11)]]>計算得到待定常數S需滿足下式H(S)＝L11L20-L12L10＝0(12)式中L10=Σi=1nxiσtσt-(Sm)i(Sa)i-S-1-xΣi=1nσtσt-(Sm)i(Sa)i-S-1---(13)]]>L20=Σi=1nyiσtσt-(Sm)i(Sa)i-S-1-yΣi=1nσtσt-(Sm)i(Sa)i-S-1---(14)]]>利用式(12)的求解出的S值，根據式(6)和式(7)，可計算參數c0和c1，最後獲得Q=10(y-c1x)---(15)]]>m=-L12L11---(16)]]>步驟二、考慮載荷順序效應的腐蝕疲勞壽命估算模型載荷交互作用對疲勞行為有顯著影響，包括高載後殘餘壓應力引起的高載遲滯效應，以及低載後殘餘拉應力引起的抵消遲滯效應等，但線性累積損傷Miner理論忽略了載荷歷程中的順序效應和載荷間的交互作用，難以對實測載荷譜加載下的疲勞壽命進行準確評估。基於塑性區理論，Willenborg-Chang模型成功地表徵了載荷交互作用並對隨機載荷譜下的裂紋擴展壽命進行了預測。將Miner理論與Willenborg-Chang模型相結合，引入有效應力均值Sm,eff以表徵疲勞損傷中的載荷交互效應，得到疲勞損傷增量和譜載下疲勞壽命估算公式：ΔDi=1Qσt(Sa)iσt-(Sm,eff)i-Smσt(Sa)iσt-(Sm,eff)iS0σt(Sa)iσt-(Sm,eff)iTΣi=1kΔDi=1---(18)]]>其中Sm,eff=Sm-Smax,OL-SSmax,OL(rs-1)(Smax,OL1-ΔD′ZOL-Smax)---(19)]]>ZOL=12(SmaxDσt)2---(20)]]>式中，ΔDi是隨機載荷譜中第i個應力循環造成的疲勞損傷增量；k是一個隨機載荷譜塊中的應力循環數；T是譜載疲勞壽命；Smax,OL是先前過載循環的最大疲勞應力；rs是超載截止比；ΔD′是過載後的疲勞損傷增量；ZOL是過載遲滯區尺寸參數。步驟三、腐蝕疲勞壽命估算的累計求和算法藉助式(17)至式(20)，可以估算腐蝕環境下材料譜載疲勞壽命，具體計算方法為：(i)對於隨機載荷譜中的第一個應力循環，可由式(19)和(20)得到對應的有效應力均值(Sm,eff)1，代入式(17)，得到第一個循環造成的疲勞損傷增量ΔD1和當前損傷值D1；(ii)同樣的，在D1基礎上，計算第二個應力循環的有效應力均值(Sm,eff)2，得到第二個循環造成的疲勞損傷增量ΔD2和當前損傷值D2；(iii)通過如此循環接循環的累積，計算載荷譜中每一後續應力循環造成的疲勞損傷增量直至載荷譜結束，此時，對應的累積損傷即為一個隨機載荷譜塊所造成的疲勞損傷；(iv)當累積損傷達到或超過式(18)允許的臨界損傷時，疲勞損傷累積計算停止，此時對應的最終失效循環數即為腐蝕環境下材料譜載疲勞壽命。當前第1頁1 2 3