基于载荷强化和损伤的疲劳累积损伤理论研究

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3.0 陈辉 2024-11-18 37 4 707.27KB 51 页 15积分

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摘要

疲劳失效一直是工程技术人员十分关注的问题之一，疲劳累积损伤理论主要

是研究疲劳载荷作用下疲劳损伤的累积规律和疲劳破坏准则，它是工程结构和零

件的疲劳寿命合理、准确预测的重要工具。工程结构和零件（特别是汽车零部件）

在实际工作时，大部分载荷是疲劳极限以下的小载荷，但这些小载荷在疲劳累积

损伤理论的作用和地位一直没有得到很好的解决。本文在上海市政府间国际科技

合作项目和上海自然科学基金的支持下对基于载荷强化和损伤的疲劳累积损伤

理论进行了深入的研究。主要内容包括：

1、对现有的疲劳累积损伤模型进行分析，这些模型过多的着重考虑载荷的损

伤，很少考虑疲劳极限以下小载荷的强化作用。结果将导致预测结果远低

于载荷谱中含大量强化小载荷的试验结果。

2、不同的试验对象对低载强化特性的影响进行了深入的研究和分析。结果表

明：实际零件比标准材料试样具有更明显的低载强化特性，存在明显的强

化次数和强化载荷区间。

3、在 L.M.Kachanov 损伤变量的基础上，提出了基于强化的有效应力函数，并

把该函数引入到疲劳累积损伤演变方程中，推导出了基于载荷载强化和损

伤的疲劳累积损伤方程以及预测寿命公式。

4、以国产 40Cr 材料试样的扭转疲劳为对象，对含有强化小载荷的试验进行了

预测，预测结果完全能够满足工程需要。

本文的研究是现有疲劳累积损伤理论的重要补充，把载荷的强化和损伤扩展

到疲劳极限以下，研究成果对提高我们机械结构及零部件的抗疲劳设计和基于强

度特征的轻量化设计提供了理论支持和参考。

关键词：疲劳累积损伤载荷强化载荷损伤有效面积系数

ABSTRACT

Fatigue failure has been one of great concern in engineering. Fatigue cumulative

damage theory is to study accumulation of fatigue damage and fatigue failure criteria

under fatigue loads. It is an important tool for accurate and reasonable prediction of

the fatigue life for engineering structures and components. When engineering

structures and components are in service, most of loads are low amplitude loads

under the fatigue limit. However, researchers are not sure the role of these loads in

the fatigue damage accumulation. This paper studies the fatigue cumulative damage

theory at the support of Shanghai International Cooperation project and Shanghai

Natural Science Foundation.

The contents are as follows:

1, Analyzing the existing fatigue damage accumulation model, these models mainly

focus on load damaging and rarely consider low amplitude loads under the fatigue

limit. It often leads to the predicted results much lower than the results of the fatigue

test whose load spectrums contain a large number of low amplitude loads under the

fatigue limit.

2, Study on the low-loading strengthening features with different samples as the

experiment object. The results indicate that the practical parts have more highlighted

low-loading strengthening characteristics than the standard samples, which has a clear

region for strengthening cycles and strengthening loads.

3, On the basis of the L. M. Kachanov damage variable, a effective stress function is

presented which is invoke in the processing formula for cumulative damage. Then the

fatigue accumulating formula, along with the life predicting formula are obtained.

4, Using the domestic 40Cr samples as the torsion fatigue object, experiments are

accomplished on situations where low amplitude loads under the fatigue limit are

applied. The results meet industrial requirements completely.

The research is an improvement for fatigue cumulating damage. It extended the

load strengthening and damage to the load under the fatigue limit. The research

provides theoretical support and reference for improving the fatigue design of

mechanical structures and components and the lightweight design based on the

strengthening characteristics.

Key Words：Fatigue Cumulating Damage, load Strengthening, Load

Damaging, Coefficient of Effective Area

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论................................................................................................................................... 1

§1.1 课题概况 ............................................................................................................1

§1.1.1 研究背景..................................................................................................... 1

§1.1.2 研究的意义................................................................................................. 2

§1.1.3 课题来源..................................................................................................... 2

§1.2 国内外研究现状 ................................................................................................2

§1.2.1 疲劳累积损伤理论..................................................................................... 3

§1.2.2 载荷的强化................................................................................................. 5

§1.2.3 载荷的损伤................................................................................................. 9

§1.3 研究的主要内容 ..............................................................................................12

第二章低载强化特征及其特点............................................................................................ 12

§2.1 引言 ..................................................................................................................13

§2.2 材料与试验方法 ..............................................................................................14

§2.3 结果分析 ..........................................................................................................14

§2.4 分析讨论 ..........................................................................................................17

§2.5 小结 ..................................................................................................................18

第三章损伤变量的确定........................................................................................... 20

§3.1 概述 ..................................................................................................................20

§3.1.1 力学本构理论基础................................................................................... 20

§3.1.2 弹性本构方程........................................................................................... 21

§3.2 乘客流动模型 ..................................................................................................22

§3.3 有效面积 ..........................................................................................................24

§3.3.1 引言........................................................................................................... 24

§3.3.2 有效面积变量........................................................................................... 25

§3.4 损伤变量 ..........................................................................................................28

§3.4.1 有效应力................................................................................................... 29

§3.5 小结 ..................................................................................................................29

第四章基于强化和损伤的疲劳累积损伤模型.................................................................30

§4.1 概述 ..................................................................................................................30

§4.2 疲劳累积损伤模型建立 ..................................................................................30

§4.2.1 公式推导................................................................................................... 30

§4.2.2 分析变量................................................................................................... 33

§4.3 本章小结 ..........................................................................................................36

第五章实例验证与分析.......................................................................................................... 37

§5.1 预测步骤 ..........................................................................................................37

§5.2 实例预测 ..........................................................................................................39

§5.2.1 验证结果与分析....................................................................................... 40

§5.3 本章小结...................................................................................................... 41

第六章结论与展望................................................................................................................... 42

§6.1 研究结论 ..........................................................................................................42

§6.2 前景展望 ..........................................................................................................42

参考文献........................................................................................................................................ 48

在读期间公开发表论文及参与的课题研究........................................................................44

致谢.............................................................................................................................................49

第一章绪论

§1.1课题概况

§1.1.1 研究背景

本文通过对强化和损伤的疲劳累积损伤模型研究旨在建立可以考虑强化的疲

劳累积损伤模型，为汽车零件设计、汽车零件的回收评价等工程中的应用提供新

的手段和方法。

汽车工业作为发达国家的支柱产业，受到各国政府的重视与支持。我国巨大

的汽车市场和落后的汽车设计技术之间的矛盾，加上国际汽车巨头的夹击，使我

国的汽车工业面临新的机遇与挑战。在政府“自主知识创新、提升竞争力”政策的鼓

励和推动下，我国的汽车设计技术，加快了追赶国际先进水平的步伐，成了振兴

汽车工业的突破口。

自20世纪70年代以来，在汽车载荷、载荷谱、基于载荷谱的快速评估、结构

抗疲劳设计等方面进行了大量深入细致研究。疲劳损伤累积理论和断裂力学的发

展为这些研究提供了坚实的理论基础，使发达国家的汽车设计从传统的经验设计

过渡到抗疲劳设计到可靠性设计。

我国在汽车设计与制造技术方面与国际先进水平相比，至今还存在较大差距，

往往偏重于经验设计，较少考虑抗疲劳设计和可靠性设计。如果采用简单的跟踪

国外技术，采用新材料的方法实现汽车轻量化，势必大大增加制造成本，不符合

我国国情。因此采用基于疲劳损伤累积理论的耐久性设计，是发展我国汽车设计

与制造的必由之路。

为了使国产汽车赶超国际先进水平，为了能够设计出既安全又经济，适应市

场需要的汽车，必须探索并掌握新的轻量化设计技术。充分考虑疲劳极限以下小

载荷对结构件的强化作用，能够在不提高成本的前提下，使材料和结构的潜力能

充分发挥，避免设计时因强度过剩而造成的浪费。因此，进一步研究疲劳极限以

下小载荷的强化和损伤作用，对汽车结构件的设计和零件剩余强度的评价尤为重

要。

基于载荷强化和损伤的疲劳累积损伤理论研究

§1.1.2 研究的意义

汽车使用中遇到的随机载荷，80%是疲劳极限以下小载荷，结构萌生裂纹前，

有可能对结构已经产生了强化。传统的线性和非线性疲劳损伤理论仅以 S-N 曲线

或应变-寿命曲线为基础，很少或几乎不考虑使用过程中的疲劳极限以下小载荷对

结构造成的强度强化，只考虑大载荷对结构造成的损伤，据此进行的结构强度评

估和寿命预测往往是过度偏于安全的，不利于对汽车结构的强度和寿命的评价。

如果能够掌握疲劳极限以下小载荷的强化和损伤的规律，就可以在汽车结构

设计时，综合考虑小载荷强化的因素，有目的的将结构的最佳强化应力与该结构

的主要使用载荷相对应，随着使用时间和过程的推移，结构的疲劳强度不断得到

强化和提高，延缓疲劳强度的衰减，延长使用寿命，从而在保证可靠性的前提下，

减小零件结构尺寸或在不增加制造成本的前提下提高零件的疲劳强度，实现真正

意义上的结构轻量化设计。

同时，如果能充分考虑低于疲劳极限小载荷的强化和损伤，将疲劳极限以下

小载荷的强化与疲劳累积损伤理论相结合，在评价报废汽车零件剩余强度以及到

更加准确地评估使用寿命的其中重点的作用。

总之，疲劳极限以下小载荷的强化和损伤作用的研究对于汽车零件设计和准

确评估使用寿命都有重要的理论和实际意义。

§1.1.3 课题来源

1、上海市政府间国际科技合作项目，基于强度特征的汽车结构轻量化设计理论和

方法研究（10520711500）。

2、上海市自然科学基金，考虑小载荷强化的疲劳累积损伤研究（09ZR1422000）。

§1.2国内外研究现状

我国在汽车设计与制造技术方面与国际先进水平相比至今还存在较大差距。

我们只有经验设计，没有经历抗疲劳设计和可靠性设计阶段，更谈不上轻量化设

计。而发达国家的汽车设计显然已经步入了轻量化设计阶段。尽管半个多世纪以

来，国内外研究人员不断发现低载强化现象的存在，至今仍未见到有应用低载强

化进行汽车结构轻量化设计的具体报导。欧美的汽车企业主要采用基于传统的疲

劳分析理论的流行分析软件如 nSoft、MSC/Fatigue、FEMFAT 等进行结构设计，而

日本的汽车企业用之较少。日本的汽车总体上比欧美的汽车质量更轻。鉴于日本

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摘要：

摘要疲劳失效一直是工程技术人员十分关注的问题之一，疲劳累积损伤理论主要是研究疲劳载荷作用下疲劳损伤的累积规律和疲劳破坏准则，它是工程结构和零件的疲劳寿命合理、准确预测的重要工具。工程结构和零件（特别是汽车零部件）在实际工作时，大部分载荷是疲劳极限以下的小载荷，但这些小载荷在疲劳累积损伤理论的作用和地位一直没有得到很好的解决。本文在上海市政府间国际科技合作项目和上海自然科学基金的支持下对基于载荷强化和损伤的疲劳累积损伤理论进行了深入的研究。主要内容包括：1、对现有的疲劳累积损伤模型进行分析，这些模型过多的着重考虑载荷的损伤，很少考虑疲劳极限以下小载荷的强化作用。结果将导致预测结果远低于载荷谱中含...

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