微智科技网
您的当前位置:首页给定存活率下45钢的疲劳寿命估算

给定存活率下45钢的疲劳寿命估算

来源:微智科技网
第12卷第6期 空军工程大学学报(自然科学版) Vo1.12 No.6 2011年12月 JOURNAL OF AIR FORCE ENGINEERING UNIVERSⅡY(NATURAL SCIENCE EDITION J Dec.20l1 给定存活率下45钢的疲劳寿命估算 刘 嘉, 李 静, 杨友社, 李 强, 张忠平 (空军T程大学理学院,陕西西安710051) 摘要基于临界损伤原理,在以损伤应变范围作为金属材料疲劳裂纹萌生寿命控制参量的基础 上,推导了一个新的疲劳裂纹萌生寿命(Fatigue Crack Initation Life,FCIL)估算模型,并给出了 模型中始裂抗力系数和始裂门槛值与金属拉伸性能参数之间的关系。与郑氏公式不同,新的 FCIL估算模型中疲劳延性指数不恒等于一0.5,而是一个材料常数,用以反映材料抵抗疲劳破 坏的能力。以新的FCIL估算模型为基础,建立了含缺口45钢具有给定存活率的疲劳寿命预测 公式(PSN曲线公式) 与基于郑氏公式的PSN公式相比,新的PSN曲线公式可以更为准确地 预测45钢具有给定存活率的疲劳寿命。 关键词寿命预测;FCIL估算模型;PSN曲线;45钢 DOI 10.3969/j.issn.1009-3516.2011.06.016 中图分类号0346.2 文献标识码A 文章编号1009—3516(2011)06—0079—04 在结构的疲劳可靠性评估中,通常采用等效应力范围与疲劳强度干涉模型…。因此,为满足疲劳可靠 性评估的需要,应当确定材料疲劳强度的概率分布。但是,因为不能预先估计试件在指定寿命发生失效时所 承受的循环应力,所以疲劳强度的概率分布至今仍不能由试验直接测定 J。为克服这一局限,通常在某些 假设的基础上间接确定疲劳强度的概率分布。在工程应用中,通常假设疲劳强度与疲劳寿命都遵从对数正 态分布,疲劳强度的平均值由50%存活率疲劳寿命曲线确定 J。但是,在疲劳寿命分布难以由试验确定的 长寿命区 J,疲劳强度的分布也无法确定,因此就很难对长寿命区结构的疲劳可靠性进行评估 ’ 。 在寿命估算中,需要使用具有给定存活率的疲劳寿命曲线,即PSN曲线。迄今为止,PSN曲线仍主要由 大量的试验确定 J,费时、费力又十分昂贵,且长寿命区的PSN曲线也很难画出 。另外,PSN曲线理论表 达式在文献中仍较少见到 J。因此,建立理论模型来预测材料给定存活率的疲劳寿命是十分重要的。文献 [4]中郑修麟等根据已有的研究成果 (郑氏公式),建立了含缺121 45钢的PSN曲线模型。但是预测结果不 论在低循环范围还是在高循环范围都低估了材料给定存活率下的疲劳寿命。 鉴于此,本文推导了一个新的疲劳裂纹萌生寿命估算模型,并给出了模型中始裂抗力系数和始裂门槛值 与金属拉伸性能参数之间的关系,在此基础上建立了含缺口45钢的PSN曲线公式,并进行了验证。 1新的FCIL估算模型 文献[2]在对试验结果分析的基础上,认为加于试件上的应变范围△s应分为临界应变范围A8 和损伤 应变范围A8。。临界应变范围△8 不造成金属的疲劳损伤,它是金属的理论应变疲劳损伤极限 ;损伤应变 范围As。将引起金属的疲劳损伤,在数值上它等于全应变范围与理论应变疲劳极限之差 ]。用损伤应变范 围代替Manson—Cofifn公式中的塑性应变范围,得到损伤应变范围与疲劳寿命Ⅳ,之间的关系为: AsD=As—As = (1) 式中指数C为疲劳延性指数,反映了材料抵抗疲劳破坏的能力,其可用金属的拉伸性能 表示为: 收稿日期:2011—06—09 基金项目:空军工程大学研究生科技创新计划资助项目(DX2010403) 作者简介:刘嘉(1979一),女,辽宁辽阳人,讲师,主要从事航空金属材料的疲劳与断裂研究. E—mail:1 ̄ing02010303@163.corn 80 空军工程大学学报(自然科学版) c=一(0.47+0.1eI) (2) 式中系数 是和断裂延性 有关的常数。当Ⅳ,=寺循环时,即相当于单向拉伸的情形,有Ae。=2eI,那么 由式(1)可得: =2 “”占, (3) 由于疲劳极限通常低于弹性极限 ,因此根据疲劳极限 一 的值,计算Ⅳ,=l0 循环时的应变范围为: 枷 =等 (4) (5) 式中疲劳极限or一 可用下面的经验方程 表示: or一1=0.390"^+100q/ 式中or 和 分别为抗拉强度和断面收缩率。 将式(3—4)和N,=10 循环代人式(1),可得: △ 等一2 川10 根据文献[8],加于试件上的应变范围 可表示为: J~ . (6) △占=2( eq)¨“ K= ,“ (7) (8) 式中:E为Young’s模量;n为应变硬化指数;K为强度系数。K与断裂强度 ,、断裂延性 ,和应变硬化指数 n之间的关系为 ,引: 等效应力范围△ 。 可以表示为: 厂——广一 Ao"朗 √高N =C (△ 式中: K,As 一Ao'I--g;)了 (9) (10) 式中:K为理论应力集中系数;AS为名义应力范围;R为应力比。把式(3)、式(7)代入式(1)中,并用 代 替Ⅳ,化简整理可得到新的应力一寿命公式: G= 1( )一 2 (11) △ f 28f 1丁 (12) 式中:c 是始裂抗力系数;△ 是始裂门槛值。 对于钝缺El钢试件,在长寿命区疲劳裂纹萌生寿命基本上等于疲劳寿命 引,因此可以近似地用公式 (1o)来估算钝缺口钢试件的疲劳寿命 m 。 2 45钢的PSN曲线公式 由文献[4,l0]的分析可知,始裂抗力系数c遵从对数正态分布,始裂门槛值Ao" 遵从正态分布,所以 lgC, h的平均值和标准差可以用总体平均值 和总体标准差 来表示。因此lgC和 在给定存活率S 下 的值露 可以表示如下,式中 为标准正态偏量: 凭p= + P (13) 文献[4]分别对含u型缺El和含V型缺El的45钢棒材进行了旋转弯曲疲劳试验,试件直径都是l2 mm,应力集中系数K分别为2.0和2.5,试验应力比R=一1。拟合文献[4]中的试验数据可得,应变硬化指 数 =0.152,疲劳延性指数c=-0.534 5。分别计算标准正态偏量 =0,.4-1.0和±2.0对应给定存活率下 45钢的lgC和 之值式(10),并用Ⅳ,代替 得到存活率s 取值不同时45钢的PSN曲线表达式: 对于50%S ,有: Ⅳ,=4.61×10n[△ 对于84.1%S 有: 一331.6 ]-1・盯 (14a) 第6期 刘嘉等:给定存活率下45钢的疲劳寿命估算析 8l  ̄-_-3.08 ̄10 A 1.73 303.81.736 盯 …(14b) , 对于15.9%S ,有: Ⅳ,=6.90×10 [△ -359.41.736] ・卵 (14c) 对于97.7%S ,有: =2.06×10n Eaolo; ̄ -276.01.736] ・盯 (14d) 对于2.3%S ,有: =1.03×10H[△ -387.2 ] ・。 (14e) 3模型验证 由式(14a)、(14d)和(14e)画出45钢在给定存活率S 分别等于50%,2.3%和97.7%下的PSN曲线, 见图1。由图可知,所有试验点都分布在±2.0u 分散带内。这就从一方面说明本文提出的PSN曲线公式可 以较为准确地预测45钢具有给定存活率的疲劳寿命。 由于含缺口45钢的疲劳寿命也遵从对数正态分布 ],那么可得每一等效应力幅下疲劳寿命的对数平均 值和标准差。45钢在不同应力幅下给定存活率的疲劳寿命就可以用公式(13)求得。因此,利用本文提出的 方法,就能求得覆盖含缺口45钢整个寿命范围内的PSN曲线表达式。为了进一步说明式(14a)一(14e)正 确性,图2绘出式(14a)一(14e)对应的PSN曲线。由图2可知,5条曲线都比较准确地预测了45钢具有给 定存活率下的疲劳寿命。 蟊 张 器 图1 45钢缺121试件疲劳寿命试验结果和PSN曲线 图2 45钢缺1:I试件给定存活率的PSN曲线 Fig.1 Test results of fatigue life of45 steel notched specimens Fig.2 The PSN curves with given survivabiliyt and the PSN Cul ̄e8 wiht igven survivability f0r 45 steel notched specimens 文献[4]指出:预测结果不论在低循环范围还是在高循环范围都低估了材料给定存活率下的疲劳寿命。 其原因主要在于:郑修麟提出的应变——寿命公式中以损伤应变范围取代了Manson—Cofin公式中的塑性 应变范围,但是无论从物理意义还是从量值大小方面讲,损伤应变范围都不同于塑性应变范围,即便公式的 表达形式一样,疲劳延性指数也应有所不同。但是,在郑氏公式中,疲劳延性指数取为恒定值一0.5l2],从而 导致对含缺口45钢的预测结果始终都低估了材料给定存活率下的疲劳寿命。利用式(10)修正文献[4]中 提出的应力——寿命曲线预测模型后,并以此为基础建立了含缺口45钢新的PSN曲线预测模型,由图2可 见所提的预测模型能够较为准确地预测45钢具有给定存活率下的疲劳寿命。因此,与郑氏公式相比新公式 可以更好地预测45钢的疲劳寿命。 4结束语 本文推导的新的疲劳裂纹萌生寿命估算模型是: Ⅳl=Cf(△ 而一△ )了 其中: Ci= 1( )一 , = ( ) 82 空军工程大学学报(自然科学版) 2011拄 需要注意的是,本文 是用含缺口45钢给定存活率S 下的疲劳寿命曲线对新的FCIL估算模型进行了 间接验证,该模型的普遍性尚需进一步研究。 参考文献: 史永吉,郑修麟.钢结构的疲劳设计规范[M].西安:西北工业大学出版社,1989. SHI Yongji,ZHENG Xiulin.The fatigue design norm for the steel structure[M].Xi’an:Northwestern university publishing house,1989.(in Chinese) [2] 郑修麟。金属疲劳的定量理论[M].西安:西北工业大学出版社,1994. ZHENG Xiulin.Quantitative theory of metal fatiue[M].Xi’an:Norgthwestern university publishing house,1994.(in Chi- nese) [3] 高镇同.航空金属材料疲劳性能手册[M].北京:北京航空材料研究所,1981. GAO Zhentong.Handbook of fatiue gproperties of aeronautical metallic mateirlas[M].Beijing:Beijing research institute of aeronauticla mateirlas,1981.(in Chinese)  J F.On the prediction of PSN cu ̄es of 45 steel notched elements and probability distribution of fatigue life [4] Zheng X L.Weiunder variable amplitude loading from tensile properties[J].International journal of fatiue,g2005,27:601—609. [5] Schijve J.Fatiueg of Structure and Materials[M].Heidelberg:Springer press,2009. [6] 李曙林,朱家元,赵罡.多孔腹板在谱载下的疲劳寿命分析[J].空军工程大学学报:自然科学版,2002,3(3):20— 23. LI Shulin,ZHU Jiayuan,ZHAO Gang.Muli—holted plate fatiue glife analysis under wing loading spectra[J].Journal of air ofrce engineeirng university:naturla science edition,2002,3(3):20—23.(in Chinese) [7] 张诤敏.可修复系统可靠性统计分析[J].空军工程大学学报:自然科学版,2002,3(4):62—64. ZHANG Zhengrnin.Statistic analysis of reliability for repairblae system[J].Journal of air force engineering university:naturla science edition,2002,3(4):62—64.(in Chinese) [8] Zheng X L.A further study on fatiue gcrack initiation life—mechanical model for fatiue cgrack initiation[J].Intenartional joumaI offatiue,1g986,8:17—21. [9] 张忠平.基于常规力学参量对材料应变疲劳裂纹萌生寿命的理论估算[D].西安:西安交通大学,2006. ZHANG Zhongping.Theoretical prediction of the strain fatiue crgack initiation life for the metallic materils based on tahe con- ventional mechanicla parmetaers[D].Xi’anl Xi’an jiaotong university,2006.(in Chinese) [10] Yan J H,Zheng X L,Zhao K.Prediction of fatiueg life and its probability distribution of notched friction welded joints under variable—amplitude loading[J].Internaitonal journal of fatigue,2000,22:481—494. (编辑:徐敏) Fatigue Life Prediction for 45 Steel with Given Survivability LIU Jia,LI Jing,YANG You—she,LI Qiang,ZHANG Zhong—ping (The Science Institute,Air Force Engineering University,Xi an,710051,China) Abstract:Based on the critical damage principle,a new prediction model for fatigue crack iniitation life(FCIL)is developed through taking the cyclic damage strain range as the damage parameter.Correlations between the mono— tonic tensile data and two of he matterial constants(the stress fatiue—resigsting coeficifent and the theoretical fa— tiue tghreshold)in the proposed FCIL prediction model are founded as wel1.In contrast to Zheng ̄model,the fa— tigue ductility exponent contained in the proposed FCIL prediction model is a material constant which doesn t identi— cally equal to the constant value-0.5.Besides,the fatiue ductgility exponent shows the damage resistnce aability of the materi1a.The expressions of fatiue glife curves with百ven survivability(PSN curves)for 45 steel notched specimen are developed on he tbasis of the proposed FCIL predication mode1.In comparison wih tthe Zheng ̄model —based PSN curves.the new PSN curves can be used to predict he ftatiue glife with given survivability of 45 steel better. Keywords:life prediciton;FCIL prediction model;PSN curve;45 steel 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容