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疲劳寿命预测若干方法的研究

雷冬  
【摘要】:疲劳寿命的预测是结构疲劳设计的重要基础。提高疲劳寿命预测精度,发展疲劳寿命预测方法具有非常重要的意义。 本文引入疲劳过程区的概念,提出以疲劳过程区应变幅的平均值作为疲劳寿命预测的Manson-Coffin公式中的总应变幅。采用平均应变法预测了带中心孔的LY12CZ板条的疲劳寿命,与实际结果比较接近,其预测精度要高于传统的Neuber方法。 根据疲劳过程中能量的耗散和累积的观点,定义了表征构件抗疲劳特性的耗散能密度和材料的临界耗散能密度。试验测定了A3钢、铝合金LY12CZ室温以及镍基合金GH4169试样在室温和高温的耗散能密度与应力幅的关系曲线和材料的临界耗散能密度。在此基础上提出了临界耗散能密度判据以及基于耗散能密度预测疲劳裂纹萌生寿命的方法,并应用于A3钢、铝合金LY12CZ室温以及镍基合金GH4169试样在室温和高温下的疲劳裂纹萌生寿命的预测,试验表明该方法能得到较好的预测结果。 通过对A3钢试样在疲劳过程中残余应变的试验研究,发现在恒应力幅的作用下,其残余应变随循环周次的增加基本上是线性增加的,并且存在一个临界的残余应变。采用临界残余应变判据预测了A3钢构件的疲劳寿命,预测结果是可以接受的。因为残余应变的可测量性,该判据在工程上有很好的应用前景。同样的方法研究硬铝合金LY12CZ试样在疲劳过程中的残余应变,结果发现其残余应变的变化规律与A3钢很不相同,临界残余应变判据对于硬铝合金LY12CZ材料不适用。 裂纹尖端材料的破坏是能量耗散的结果,以能量作为参数来描述疲劳裂纹扩展更具有物理意义。本文提出了以耗散能密度作为参数来描述疲劳裂纹扩展。以GH4169材料作为分析对象,建立了试验和计算方法相结合确定基于耗散能密度的裂纹扩展速率公式的方法。试验表明,疲劳裂纹扩展速率与裂纹尖端耗散能密度具有一定的相关性,总体趋势与所提出的公式一致。并应用该公式预测了GH4169缺口试样的裂纹扩展寿命,预测结果是可以接受的。


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