大型結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命預(yù)測方法研究.pdf

1、裝備結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命是決定設(shè)備安全可靠服役的基本能力，因此它是裝備設(shè)計與制造中必須科學(xué)分析的重要問題。現(xiàn)代裝備服役功能日趨強大，結(jié)構(gòu)日趨大型化和復(fù)雜化，對構(gòu)件的性能指標(biāo)—特別是可靠性要求更為突出，要求疲勞壽命的計算更為科學(xué)真實，而疲勞壽命計算是建立在充分的試驗基礎(chǔ)上，構(gòu)件的超大型化使構(gòu)件原型疲勞壽命試驗十分困難，以致大型件的壽命設(shè)計成為當(dāng)今裝備設(shè)計的一大難題，本文擬在已有疲勞計算理論基礎(chǔ)上，結(jié)合大型構(gòu)件特點探索一種有限試驗與計算分析結(jié)合

2、的疲勞壽命預(yù)測方法。由于拉伸疲勞分析是其它疲勞分析的基礎(chǔ)，本論文主要對拉伸作用下大型結(jié)構(gòu)件疲勞壽命的幾個主要因素的影響規(guī)律進(jìn)行研究，并在此基礎(chǔ)上形成大型結(jié)構(gòu)件疲勞壽命的預(yù)測方法。
　　1.針對構(gòu)件內(nèi)部缺陷隨尺寸的增大而增加，發(fā)生疲勞失效的概率也增大，特別是位于高應(yīng)力區(qū)域中（如應(yīng)力集中）的缺陷更容易萌生裂紋;以及常規(guī)的拉伸疲勞試驗中光滑試樣尺寸效應(yīng)不顯著，用于修正大型結(jié)構(gòu)件的疲勞強度將產(chǎn)生較大的誤差，甚至可能得到錯誤的結(jié)果，基于帶缺

3、口試樣裂紋萌生和擴(kuò)展規(guī)律與大尺寸結(jié)構(gòu)因內(nèi)部缺陷而萌生裂紋并發(fā)展斷裂機制相似，本文提出缺口試樣尺寸系數(shù)，用它代替光滑試樣尺寸系數(shù)進(jìn)行疲勞壽命分析。通過有限元法和TheCritical Distance(TCD)理論對幾何相似試樣進(jìn)行缺口試樣尺寸系數(shù)分析（厚度未作考慮），得到了基于梯度效應(yīng)的缺口試樣尺寸系數(shù)簡易計算式。利用此式對一實例進(jìn)行尺寸系數(shù)計算，結(jié)果表明引入缺口試樣尺寸系數(shù)是合理有效的，反映了拉伸作用下的缺口試樣尺寸效應(yīng)。
　　

4、2.由于疲勞失效的局部特性和裂紋常萌生于表面，當(dāng)構(gòu)件三維方向結(jié)構(gòu)變化大時，本文建立了高應(yīng)力區(qū)局部結(jié)構(gòu)尺寸對疲勞強度影響程度的量化式子。假設(shè)缺口板試樣的壽命以裂紋形成壽命為主，通過對兩種材料(45#，Q235)的幾何相似試樣進(jìn)行拉-拉疲勞壽命測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn):除了應(yīng)力梯度的影響外，缺口局部高應(yīng)力方向的尺寸對疲勞壽命也產(chǎn)生一定的影響（文中稱厚度效應(yīng)），同時考慮這兩方面的影響才能更全面地反映缺口試樣的尺寸效應(yīng)。利用疲勞極限的外推法獲得了與局部特

5、征參量L/(G)相關(guān)的缺口試樣疲勞強度經(jīng)驗公式，并根據(jù)此式和趨勢外推法得到缺口試樣尺寸系數(shù)表達(dá)式?；谄谀M實驗和相似性準(zhǔn)則，可建立巨型鍛壓機機架的模擬縮比模型（屬于光滑缺口試樣），利用尺寸系數(shù)表達(dá)式便可計算出機架的尺寸系數(shù)。
　　3.在零件的尺寸系數(shù)計算過程中，同時考慮應(yīng)力集中、尺寸和表面加工狀態(tài)的綜合影響，對大型結(jié)構(gòu)件的疲勞強度修正過程進(jìn)行演繹推導(dǎo)，得出了新的疲勞綜合修正系數(shù)模型。通過該模型對理論應(yīng)力集中系數(shù)、表面加工系數(shù)和

6、缺口試樣尺寸系數(shù)的敏度分析，并與未考慮組合影響的綜合修正系數(shù)表達(dá)式的敏度分析對比，結(jié)果表明了新表達(dá)式的合理性。
　　4.利用新的疲勞綜合修正系數(shù)對試樣疲勞壽命進(jìn)行分析，計算結(jié)果與試驗結(jié)果基本相符，與傳統(tǒng)修正系數(shù)計算的結(jié)果對比，結(jié)果表明:用本文的疲勞綜合修正系數(shù)進(jìn)行修正具有更好的效果，更符合實驗情況。把它應(yīng)用于大型結(jié)構(gòu)件上，基于名義應(yīng)力法可實現(xiàn)利用小試樣試驗得到大型結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命預(yù)測，由此形成疲勞壽命預(yù)測的試驗分析方法，為大型結(jié)構(gòu)

7、件的疲勞壽命評估提供參考。
　　5.由于疲勞試驗結(jié)果的分散性，假定疲勞強度和對數(shù)疲勞壽命服從正態(tài)分布，本文考慮綜合修正系數(shù)中的三個關(guān)鍵因素的分散性，利用隨機變量組合方法得到了疲勞綜合系數(shù)的分布。根據(jù)材料疲勞極限的分布，運用綜合修正系數(shù)的分布得到零件疲勞極限的分布。在材料的中值S-N（可靠度為50％）曲線基礎(chǔ)上，作出可靠度為99.9％的大型結(jié)構(gòu)件S-N曲線，從而估算出其高可靠性壽命，使計算結(jié)果更加合理。
　　6.在名義應(yīng)力法基

8、礎(chǔ)上，應(yīng)用本文的綜合修正系數(shù)修正材料的S-N曲線后實現(xiàn)了巨型鍛壓機機架的疲勞壽命預(yù)測，預(yù)測結(jié)果是可以接受的，解決了其試驗難的問題。該方法為拉伸載荷下的大型結(jié)構(gòu)件疲勞壽命評估提供了一種新的途徑。
　　7.大型結(jié)構(gòu)件通常是長時間、高可靠服役。當(dāng)其尺寸和形狀基本確定后，運用本文提出的疲勞壽命分析方法進(jìn)行構(gòu)件局部結(jié)構(gòu)精細(xì)設(shè)計，以進(jìn)一步提高其使用壽命。本文從結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計規(guī)律方面進(jìn)行了探索，以減少局部應(yīng)力集中為目標(biāo)，提出了幾種簡單、經(jīng)濟(jì)的巨型