专利名称：一种变幅载荷下的机械零构件疲劳寿命预测方法
技术领域：
本发明涉及一种疲劳预测方法，特别涉及一种变幅载荷下基于损伤线和应力寿命线的机械零构件疲劳寿命预测方法。
背景技术：
工程中大部分机械零部件承受的载荷是变幅的，一般变幅载荷既包括疲劳极限以上的过载，又包括疲劳极限以下的次载。变幅载荷下疲劳寿命预测的研究一直是疲劳研究中的重要课题。
在工程中常用Miner法则、修正Miner法则、双线性理论以及Corton-Dolan理论等的疲劳寿命预测方法，过多的考虑了载荷的损伤作用，忽略载荷的强化，因此，在预测弱强化载荷谱或原始载荷谱下，现有方法的预测结果和试验结果相比存在较大的差异，预测结果过于安全，不利于零构件的轻量化。
大量的疲劳试验表明，机械材料和结构在服役过程中承受的某些载荷循环不仅产生损伤，还产生强化作用，特别是当载荷处于疲劳极限附近或略小于疲劳极限时，载荷的强化程度和损伤程度比较接近，甚至超过损伤程度。疲劳过程中载荷的强化可分为次载强化 (亦称低载强化、underloads、coaxing effects或understressing)和过载强化(亦称超载效应、overloads或overstressing)。为了揭示变幅载荷下材料与结构的破坏机理、预测复杂服役条件下材料与结构的疲劳寿命预测等都不能回避次载强化和过载强化。发明内容
本发明是针对现在机械零构件疲劳预测方法的预测结果和试验结果相比存在较大的差异的问题，提出了一种变幅载荷下的机械零构件疲劳寿命预测方法，以机械零构件的S-N曲线为基础，引入损伤线。在寿命预测过程中，充分考虑了变幅载荷下的次载强化效应和过载无损伤效应，又考虑到载荷加速损伤过程。预测过程将更接近于试验和实际情况， 明显优于现有的方法。
本发明的技术方案为一种变幅载荷下的机械零构件疲劳寿命预测方法，具体包括如下步骤1)确定机械零构件的应力寿命线，即S-N曲线；2)确定机械零构件的损伤线；3)以原始强度为参照，通过损伤线和S-N曲线把疲劳极限以上载荷(简称过载)的作用分为两大区域，即无损伤区域和损伤区域，无损伤区域为损伤线以下的区域，损伤区域为损伤线与S-N曲线之间的区域；4)根据损伤线和S-N曲线，计算过载的无损伤过程寿命和损伤过程寿命，确定过载的损伤系数；5)变幅载荷下疲劳极限以下载荷(简称次载)的强化和损伤计算，确定变幅载荷下零构件的强化潜能、次载的强化过程寿命和损伤过程寿命；6)变幅载荷下零构件的疲劳寿命预测，变幅载荷下零构件的疲劳寿命是载荷的强化过程寿命、无损伤过程寿命和损伤过程寿命的累积之和，①强化过程寿命依据步骤5)中的方法线性累积不同次载的强化次数；②无损伤过程寿命如果结构经过次载强化后，不计算无损伤过程寿命；否则需要计算过载无损伤过程寿命，载无损伤过程寿命的计算体验可以按照线性累积估算。过载无损伤累积次数之和为1，即下式成立时，过载无损伤过程完成，不同载荷的累积和就是无损伤区域的总寿命，|# = 1，式中ni为每级载荷作用次数，m为变幅载荷的级数，Ndi为第i级载荷无损!-I iNdi伤过程寿命；③损伤过程寿命损伤累积次数之和为1，即下式成立时，载荷的损伤过程完成，即零构件失效，f# = 1,其中Nsi为第i级载荷的损伤过程寿命，m为载荷作用到该级载荷时，零构件 i-l "Nsi失效。
本发明的有益效果在于本发明变幅载荷下的机械零构件疲劳寿命预测方法，以机械零构件的S-N曲线为基础，引入损伤线。在寿命预测过程中，充分考虑了变幅载荷下的次载强化效应和过载无损伤效应，又考虑到载荷加速损伤过程。预测过程将更接近于试验和实际情况，明显优于现有的方法。本方法适用于钢铁类机械零构件高周疲劳破坏下的寿命预测。


图I为本发明变幅载荷下的机械零构件疲劳寿命预测方法中S-N曲线及损伤线图；图2为本发明变幅载荷下的机械零构件疲劳寿命预测方法中过载损伤图；图3为本发明变幅载荷下的机械零构件疲劳寿命预测方法中次载损伤图。
具体实施方式
一种变幅载荷下基于损伤线和应力寿命线的机械零构件疲劳寿命预测方法体实施步骤如下(I)确定机械零构件的应力寿命线，即S-N曲线；机械零构件的S-N曲线可以通过传统的疲劳试验得到，也可以通过材料S-N曲线估算。
在双对数坐标下，机械零构件的S-N曲线为一条直线。典型的S-N曲线形式如下 aigS + lgN = C(I)式中α、C-材料常数。
(2)确定机械零构件的损伤线；确定材料或零件的损伤线有两种方法一是试验法，二是估算法。
①试验法疲劳极限不降低的最大过载循环次数的连线为损伤线，即过载不产生损伤的最大次数连线。
②估算法按照损伤线和S-N曲线定义，它们在S-N曲线转折点相交，如图I所示， 大量的试验数据表明损伤线在双对数下也为直线，斜率约为S-N曲线的2/3。
双对数坐标下损伤线的典型的形式为-Ig S+Ig N =C1(2)2式中C’——材料常数，可由下式求得。
C^^lg^ + lgNo(3)式中S_i——材料或零件的疲劳极限，N0——S-N曲线转折点所对应的循环次数，结构钢一般取IO7。
(3)以原始强度为参照，通过损伤线和S-N曲线把疲劳极限以上载荷(简称过载) 的作用分为两大区域，即无损伤区域和损伤区域；通过损伤线和S-N曲线，可以将过载载荷的作用分成两个区域，即损伤线以下的区域为无损伤区域，损伤线与S-N曲线之间·的区域为损伤区域。
(4)根据损伤线和S-N曲线，计算过载的无损伤过程寿命和损伤过程寿命，确定过载的损伤系数；①根据损伤线，可以计算出过载的无损伤区域寿命0- e%IsS λ\Nd=IO 2⑷式中Nd—过载的无损伤区域寿命。
②根据损伤线和S-N曲线方程，可以计算出过载的损伤区域寿命N = (N —KQ=IOc-吨(5)S'Cl式中NS——过载的损伤区域寿命在线性损伤的情况下，不同载荷的损伤系数为1/NS。损伤过程如图2所示中的黑实线。
(5)变幅载荷下疲劳极限以下载荷(简称次载)的强化和损伤计算，确定变幅载荷下零构件的强化潜能、次载的强化过程寿命和损伤过程寿命；如果变幅载荷中含有疲劳极限以下的小载荷，为了更准确的预测寿命，需要首先考虑次载强化以及变幅载荷下次载的损伤。
变幅载荷下次载强化、强化潜能按照现有的低载强化方法处理(参考文献.圆柱齿轮低载强化试验研究.中国机械工程，2005，16(23) : 2109-2111.)，假定达到强化潜能后，零构件新的S-N曲线平行原始S-N曲线。强化过程寿命是不同次载强化过程的线性累积之和。
变幅载荷下次载损伤过程可以根据试验结果确定，也可以简单把损伤系数作为常数处理，例如加速10倍等。
强化结束后机械零构件将在新S-N曲线下进入损伤通道，此时，所有载荷将处于损伤过程，假设在新的损伤通道中原始过载损伤系数不变，如图3所示的延伸线O到-K段。
(6)变幅载荷下零构件的疲劳寿命预测,变幅载荷下零构件的疲劳寿命是载荷的强化过程寿命、无损伤过程寿命和损伤过程寿命的累积之和。
①强化过程寿命依据步骤5中的方法线性累积不同次载的强化次数。
②无损伤过程寿命如果结构经过次载强化后，不计算无损伤过程寿命；否则需要计算过载无损伤过程寿命，载无损伤过程寿命的计算体验可以按照线性累积估算。过载无损伤累积次数之和为1，即式(5)成立时，过载无损伤过程完成，不同载荷的累积和就是无损伤区域的总寿命。
权利要求
1.一种变幅载荷下的机械零构件疲劳寿命预测方法，其特征在于，具体包括如下步骤1)确定机械零构件的应力寿命线，即S-N曲线；2)确定机械零构件的损伤线；3)以原始强度为参照，通过损伤线和S-N曲线把疲劳极限以上载荷(简称过载)的作用分为两大区域，即无损伤区域和损伤区域，无损伤区域为损伤线以下的区域，损伤区域为损伤线与S-N曲线之间的区域；4)根据损伤线和S-N曲线，计算过载的无损伤过程寿命和损伤过程寿命，确定过载的损伤系数；5)变幅载荷下疲劳极限以下载荷(简称次载)的强化和损伤计算，确定变幅载荷下零构件的强化潜能、次载的强化过程寿命和损伤过程寿命；6)变幅载荷下零构件的疲劳寿命预测，变幅载荷下零构件的疲劳寿命是载荷的强化过程寿命、无损伤过程寿命和损伤过程寿命的累积之和，①强化过程寿命依据步骤5)中的方法线性累积不同次载的强化次数；②无损伤过程寿命如果结构经过次载强化后，不计算无损伤过程寿命；否则需要计算过载无损伤过程寿命，载无损伤过程寿命的计算体验可以按照线性累积估算；过载无损伤累积次数之和为1，即下式成立时，过载无损伤过程完成，不同载荷的累积和就是无损伤区域的总寿命，= l，式中ni为每级载荷作用次数，m为变幅载荷的级数，Ndi为第i级载荷无损2-i ^di伤过程寿命；③损伤过程寿命损伤累积次数之和为1，即下式成立时，载荷的损伤过程完成，即零构件失效，其中Nsi为第i级载荷的损伤过程寿命，m为载荷作用到该级载荷时，零构件2-1 丄失效。
2.根据权利要求I所述变幅载荷下的机械零构件疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤I)中的S-N曲线可以通过传统的疲劳试验得到，也可以通过材料S-N曲线估算。
3.根据权利要求I所述变幅载荷下的机械零构件疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤I)中S-N曲线在双对数坐标下，为一条直线，方程式如下oigS + lgN= C，其中a、C为材料常数。
4.根据权利要求I所述变幅载荷下的机械零构件疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤2)中损伤线用实验法得到疲劳极限不降低的最大过载循环次数的连线为损伤线， 即过载不产生损伤的最大次数连线。
5.根据权利要求I所述变幅载荷下的机械零构件疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤2)中损伤线用估算法得到损伤线在双对数下也为直线，方程式如下—IgS+lgN=+IgN0 ,其中S_i为材料或零件的疲劳极限，Ntl为S-N曲线转折2点所对应的循环次数，α为材料常数。
6.根据权利要求5所述变幅载荷下的机械零构件疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤4)中过载的无损伤过程寿命根据损伤线计算 Nd为过载的无损伤区域寿命，，其中S_i为材料或零件的疲劳极限，Ntl为S-N曲线转折点所对应的循环次数，α为材料常数。
7.根据权利要求I所述变幅载荷下的机械零构件疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤4)中过载的损伤区域寿命根据损伤线和S-N曲线方程计算
8.根据权利要求7所述变幅载荷下的机械零构件疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤5)中变幅载荷下次载损伤过程可以根据试验结果确定，也可以把损伤系数作为常数处理；强化结束后机械零构件将在新S-N曲线下进入损伤通道，此时，所有载荷将处于损伤过程，假设在新的损伤通道中原始过载损伤系数不变。
全文摘要
本发明涉及一种变幅载荷下的机械零构件疲劳寿命预测方法，为了揭示变幅载荷下材料与结构的破坏机理、预测复杂服役条件下材料与结构的疲劳寿命预测等都不能回避次载强化和过载强化。本发明以机械零构件的S-N曲线为基础，引入损伤线，预测各个过程中寿命，最终得到变幅载荷下零构件的疲劳寿命为载荷的强化过程寿命、无损伤过程寿命和损伤过程寿命的累积之和，在寿命预测过程中，充分考虑了变幅载荷下的次载强化效应和过载无损伤效应，又考虑到载荷加速损伤过程。预测过程将更接近于试验和实际情况，明显优于现有的方法。本方法适用于钢铁类机械零构件高周疲劳破坏下的寿命预测。
文档编号G01M13/00GK102937520SQ20121044848
公开日2013年2月20日 申请日期2012年11月12日 优先权日2012年11月12日
发明者卢曦, 焦玉强 申请人:上海理工大学