文摘

许多飞机结构和材料的失败是由于疲劳损伤的累积变幅循环载荷作用下,材料的损伤演化是复杂的。因此,研究变幅循环荷载作用下的累积疲劳损伤材料,提出了一种新的非线性疲劳损伤累积模型基于生态质量损耗的材料通过考虑负载交互和序列的影响。拟议的新模型验证测试数据获得的多级疲劳载荷作用下三种材料。与矿工模型和Kwofie模型相比,该模型可以更有效地分析累积损伤和预测变幅循环荷载作用下不同材料的疲劳寿命。准确预测疲劳寿命的研究提供了一个基础,确定飞机结构的合理维修周期。

1。介绍

疲劳损伤是一种工程结构的主要失效模式和材料(1]。可靠的累积损伤模型是非常重要的评估飞机结构和材料的完整性和安全性2),其中很多是受变幅交变载荷。变幅循环加载条件下材料的损伤演化行为是复杂的。因此,研究变幅循环加载条件下材料的累积疲劳损伤分析疲劳寿命具有重要意义,并确定合理的维护周期。

疲劳损伤累积理论可以概括为线性损伤累积理论(简称矿工模型)和非线性损伤累积理论(3]。矿工模型简单易用(4),但它并不考虑负载交互和序列的影响。大量实验研究表明,两种加载顺序和相互作用极大地影响材料的疲劳的生活(5- - - - - -7]。因此,有时预测的矿工生活模型与实验获得的有很大不同。为了解决这个问题,提出了几种非线性疲劳损伤累积模型的最典型的是Carten-Dolan模型(表示为 )(8]。材料参数Carten-Dolan模型不仅是相关的材料类型,还与试样形状,加载应力水平和载荷谱,所以很难确定参数 。反映载荷相互作用的非线性效应,刘et al。9)修改通过引入应力比的幂函数两个负载水平,提出了一种改进的Carten-Dolan模型。Chaboche和Lesne10)提出了一种基于连续损伤力学的非线性损伤累积模型。Chaboche模型的基础上,Dattoma et al。11)考虑加载顺序的影响,推导出多级循环荷载作用下材料的损伤累积模型。高et al。12)修改Chaboche模型预测压缩机叶片多轴载荷下的疲劳寿命,结合高、低循环加载。虽然Chaboche模型考虑平均应力的影响和负载序列,可以准确地描述了累积损伤,许多材料参数必须确定。基于 - - - - - - 曲线,Kwofie和拉赫巴尔13)建立了一个非线性疲劳损伤累积模型通过引入疲劳驾驶压力的概念。在损伤积累,材料的物理性质与数量的增加逐渐降低负载周期。然而,上述模型无法解释的机制与累积疲劳损伤材料性能降低。基于toughness-exhaustion模型,彭et al。14]介绍了负载独立互动因素和提出改善疲劳损伤累积模型。进行比较研究的基础上对五非线性疲劳损伤累积模型,朱et al。15)提出了一个新的非线性疲劳损伤累积模型通过考虑负载交互和序列的影响。夏et al。16)提出了疲劳损伤累积模型考虑到静态的疲劳韧性基于isodamage曲线。玻姆et al。17)提出了一个基于内存的材料疲劳损伤累积模型类比的艾宾浩斯遗忘曲线(18]。彭et al。19)提出了一个现象学疲劳损伤累积模型相结合,其余材料记忆概念 - - - - - - 曲线,但该模型没有考虑平均应力的影响和负载材料相互作用。在模型的基础上提出的彭et al .,周et al。20.)提出了一种新的材料记忆degradation-based损伤模型通过引入负载互动因素和使用Smith-Watson-Topper (SWT)平均应力修正标准(21]。SWT标准没有考虑材料类型的影响平均应力修正。因此,一些材料的修正非特异性(22]。艾宾浩斯的遗忘曲线表明,遗忘的速度是先快,然后缓慢,这是不一致的与材料物理特性的观察降解缓慢,然后快(23,24在疲劳损伤积累)。

我们画一个类比与凋落物分解在一个生态系统有机质分解缓慢,然后迅速,认为材料性能退化的生态质量损耗材料。在此基础上,一个非线性疲劳损伤累积模型是由考虑材料类型的影响,负载交互和负荷序列。通过测试数据的验证,该模型可用于研究疲劳损伤积累和预测疲劳寿命的有效和准确。

2。配方的非线性疲劳损伤累积模型

在疲劳损伤积累,材料的物理性质继续破坏随着载荷的循环次数。窝在一个生态系统分解随着时间的推移,材料物理性质类似地降解生态质量损耗的材料。

垃圾在一个生态系统的分解通常表示为指数函数的时间,和一个广泛使用的表达式25)是 在哪里是垃圾的数量在一个给定的时刻,是时间,是瞬时分解率。

p·罗维拉和r·罗维拉26)所取代在方程(1)与时间的函数( )然后综合得到的方程获得一个更一般的表达式描述分解垃圾。 在哪里垃圾的时间吗和是初始数量的垃圾。

如果分解率( )遵循一个指数法和假设 ,我们可以获得

由于双指数函数变化速度比单指数相同的基础,可以获得另一个表达式表明垃圾中的有机物分解缓慢,然后快。 在哪里和相关参数。为代表的曲线方程(4)是描绘在图1。

根据测试数据在文献[23),材料性能的退化曲线与加载的循环次数的增加是描绘在图2。

通过比较曲线由方程(4)和基于测试数据图获得的曲线2,发现材料性能的退化过程有很多相似之处的窝的分解过程的生态系统。的变量在方程(4)被规范化载荷的循环次数 ,和生态质量函数获得的材料: 在哪里负载周期和数量吗疲劳寿命。

材料的生态质量循环荷载下逐渐消散。材料的损耗程度的生态质量表示为

当初始状态是0,耗散程度的生态质量的材料是0。当是在故障状态下,损耗程度的生态材料的质量是1。

疲劳损伤(27)考虑负荷交互和负荷序列被定义为 在哪里是循环加载和专门的函数表示为 在哪里平均应力时的等效应力幅值等于0,和材料参数。多级循环荷载作用下被取消了。在文献[27),根据测试数据的30 nicrmov12合金钢两级循环荷载下,的价值获得-5.78。通过其他材料的测试数据,验证的价值-5.78也适用于其他材料。

考虑材料类型的影响平均应力修正和沃克平均应力修正标准(28,29日),方程(8)的变化 在哪里和应力幅值和最大应力的循环荷载,分别和材料参数。在文献[30.),根据不同材料的疲劳性能测试数据在不同条件下,可以由以下方程: 在哪里极限强度和吗是屈服强度。

然后,考虑平均应力和载荷交互,交互因子表示为负载

用为 在方程(7),损伤模型基于生态质量损耗的材料

在两级加载,根据等效损伤的原理,造成的损害第一阶段加载下周期( )等于造成的吗周期阶段的加载下( ),例如: 在哪里和相对应的疲劳的生活吗和 ,分别。

根据方程(13),我们可以获得

然后,剩下的生命获得的分数阶段的负载 在哪里是周期的数量后下疲劳破坏阶段的负载第一阶段的负荷条件下的周期。

在三级负荷,根据等效损伤的原则,其余的生活获得的分数在三级负荷

通过合理延伸,剩下的生活一部分^th阶段的负载( )是

的流程图说明寿命预测的程序使用该模型如图3。

3所示。结果与讨论

获得的测试数据是引用(11,31日- - - - - -33]30 nicrmov12合金钢和Ti-6Al-4V两级循环加载条件下钛合金和多级循环荷载作用下6082 - t6铝合金和被用来验证提出的新模型的适用性和预测精度。此外,使用提出的新获得的预测模型相比,那些获得使用矿工模型和Kwofie模型。

3.1。两级循环荷载

疲劳试验(11)进行调质30 nicrmov12合金钢在高低和低两级加载。标本的几何图所示4。合金钢的机械性能强度极限 ,的屈服强度 ,和疲劳极限 。的应力比−1。测试数据(11)和相应的理论剩余生命值预测的矿工,Kwofie,提出新的模型列在下表中1。

疲劳试验(31日]在Ti-6Al-4V钛合金进行了二级(高低和低)加载下通过一个电动振动系统。标本的几何图所示5。钛合金的力学性能极限强度 ,的屈服强度 ,和杨氏模量 。的应力比是1。获得的实验数据31日)和相应的理论剩余生命值预测的矿工,Kwofie,提出新的模型列在下表中2。

自行车的比率之间的关系30 nicrmov12合金钢和Ti-6Al-4V两级循环加载条件下钛合金数据所示6和7,分别。根据文献[15),加载序列影响疲劳寿命的变化由于载荷谱的重新排序。数据6和7显示加载序列损伤积累的影响。在低载荷下,低振幅循环荷载增强了材料的疲劳性能。后来,高振幅循环荷载应用时,累积疲劳损伤没有显著恶化。预测低载荷作用下疲劳寿命更长时间比预测等幅载荷作用下,和损失之和大于1。上下移动载荷作用下,材料损坏,伤害高振幅循环荷载作用下开始积累。之后,运用低烈度循环荷载时,累积疲劳损伤进一步恶化。预测高低载荷作用下疲劳寿命短比预测等幅载荷作用下,和损失之和小于1。提出的非线性疲劳损伤累积模型更准确地描述变幅循环荷载作用下损伤累积。测试数据与预测的值有很好的一致性提出了新的模型。更大的最大值之间的差异两个加载压力,越明显的凹面和凸面曲线对应于拟议的新模型。 This indicates that the greater the change in the rate of damage accumulation under variable-amplitude loading, the greater the impact of the load sequence on the fatigue life. Under high-low loading, when 很小,两个加载水平之间的差异越大,变化率越大 。当 很大,两个加载水平之间的差异越大,变化率越小 。在低载荷下,当 很小,两个加载水平之间的差异越大,变化率越小 。当 很大,两个加载水平之间的差异越大,变化率越大 。

进一步分析提出的新模型的预测精度,获得的实验和理论上预测剩余的生命值30 nicrmov12合金钢和Ti-6Al-4V钛合金进行比较,如图8和9。

图8清楚地表明,30 nicrmov12合金钢,72.2,77.8,和88.9%的剩余生命值预测的矿工,Kwofie,并提出新的模式属于分散的2,分别。只有两个剩余生命值预测的新模型不分散频带内的2。图9清楚地表明,Ti-6Al-4V钛合金,55.0,65.0,和85.0%的剩余生命值预测的矿工,Kwofie,并提出新的模式属于分散的2,分别。其余的生命值预测的矿工和Kwofie模型更广泛分布比预测的新模型。因此,拟议的新模型能更准确的预测并显示更广泛的适用性。

3.2。多级循环荷载

疲劳试验(32,33)进行了多级循环荷载作用下6082 - t6铝合金。标本的几何图所示10。铝合金的机械性能强度极限 ,的屈服强度 ,和杨氏模量 。的应力比是0。获得的实验数据32,33)和相应的理论剩余生命值预测的矿工,Kwofie,提出新的模型列在下表中3,在那里代表其余的生命值预测的最后阶段的循环荷载作用下的理论模型。所有剩余的生命值预测的新模型属于分散带2和矿工比预测更准确的模型和Kwofie模型。因为矿工模型没有考虑负荷序列,其余的生命值预测它表现出高度的错误。甚至在一些多级载荷,是不可能准确地预测剩下的最后一个阶段循环荷载作用下疲劳寿命。

加载历史的多级循环荷载作用下6082 - t6铝合金和相应的累积疲劳损伤中描述的数据11- - - - - -13,这清楚地表明之间的明显偏差累积疲劳损伤实验和理论上预测的矿工模型和Kwofie模型。多级循环荷载的变化的损伤累积利率预测的矿工模型是不连续的,特别是在交变载荷高和低。我们相信在拟议的新模型,初始阶段的损伤积累非常缓慢的疲劳。在疲劳、损伤积累快,其余的生命值提出了预测的新模型更接近实验获得的。因此,提出的新模型更适合研究多级循环荷载作用下工程材料的累积疲劳损伤,并预测了该新模型更准确比矿工获得的模型和Kwofie模型。

4所示。结论

摘要材料性能degradation-based非线性疲劳损伤累积模型提出了通过引入材料的生态质量损耗的概念。测试数据获得三个多级循环加载条件下材料用于模型验证和比较。得出如下结论:(1)材料的降解性能与越来越多的负载循环类似于垃圾的分解。通过这个比喻,一个非线性疲劳损伤累积模型提出了基于生态质量损耗的材料。该模型考虑负载交互和序列的影响(2)通过使用测试数据为30 nicrmov12合金钢和两级循环加载条件下Ti-6Al-4V钛合金6082 - t6铝合金多级循环载荷作用下,进行模型验证和比较。实验结果表明,提出的新模型预测的疲劳寿命是高度准确的。该模型提供了一个理论依据飞机结构的损伤分析和寿命预测

数据可用性

测试数据得到从引用11,31日- - - - - -33]30 nicrmov12合金钢和Ti-6Al-4V两级循环加载条件下钛合金和多级循环荷载作用下6082 - t6铝合金和被用来验证提出的新模型的适用性和预测精度。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。