專利名稱：：強化和損傷共同作用下剩余強度和壽命的評價方法
技術領域：
：本發明涉及一種用于材料或機械零件剩余強度和壽命的評價方法，具體涉及一種用于不同強度級別材料或零件，強化和損傷共同作用下的低載強化規律、剩余強度和壽命的評價方法。
背景技術：
：在車輛工程領域，傳統的線性和非線性疲勞損傷理論僅以S-N曲線或應變_壽命曲線為基礎，幾乎不考慮使用過程中的低幅載荷對結構造成的強度強化，只考慮大載荷對結構造成的損傷，據此進行的結構剩余強度和壽命評價往往是偏于安全的，不利于汽車的輕量化結構設計。汽車使用中遇到的隨機載荷，80%是低幅載荷(即幅值低于疲勞極限)，結構出現裂紋萌生前，這些載荷可能對結構造成強化。(在車輛行業，結構萌生可見裂紋后，即認為失效)所謂低載強化，指低幅載荷反復作用后，結構強度(包括靜強度和疲勞強度)增高的現象。盡管半個多世紀以來，國內外研究人員不斷發現低載強化現象的存在，至今未見到有應用低載強化進行汽車結構輕量化設計的具體報道。目前，全球都在探討汽車輕量化的有效方法和途徑，但是至今仍未見到既輕量化又低成本的汽車面市。鑒于我國資源貧乏的現狀，探索和研究既減重又低成本的汽車結構設計理論和方法具有重大意義；深入研究并掌握載荷特性和材料或零件的強度特性，是實現汽車結構輕量化設計的技術關鍵。
發明內容本發明公開了一種強化和損傷共同作用下剩余強度和壽命的評價方法，基于車輛使用載荷譜中大量低幅載荷對零件強度的強化作用(即低載強化)的研究積累，提出從強化和損傷兩方面來處理載荷，以接近真實物理過程，在設計階段進行合理的減重，同時提高壽命預估精度；克服現有技術對結構剩余強度和壽命的評價，只考慮大載荷對結構造成的損傷，而不考慮使用過程中的低幅載荷對結構造成的強度強化，評價精度低，致使結構偏于安全、不利于結構的輕量化設計，以至于浪費材料、浪費能源。—種強化和損傷共同作用下剩余強度和壽命的評價方法，其特征在于所述方法的步驟如下(A)通過測試或參考相關技術資料獲取材料或零件的原始應力_壽命曲線，并確定零件的疲勞強度及使用過程中的低幅載荷范圍；(B)通過已有的低強度和高強度材料或零件的低載強化特性數據，借助樣條插值的數值方法建立不同強度級別材料或零件低載強化的一般規律；(C)結合材料或零件的應力_壽命曲線和低載強化規律，建立強化和損傷共同作用下的疲勞強度變化規律；并根據載荷譜的載荷等級和頻次特征參數，計算出給定使用里程下零件的瞬時疲勞強度值，剩余疲勞強度；(D)根據不斷變化的剩余疲勞強度建立瞬時應力-壽命曲線，據此瞬時應力-壽命曲線按Miner線性損傷理論進行材料或零件壽命評價。利用這種方法，可以通過分析材料或零件的強度等級及在強化和損傷共同作用下低載強化規律實現材料或零件剩余強度和壽命的評價。本發明為正確評估隨機載荷譜中強度和損傷共同作用下的剩余強度和壽命評價技術提供了理論和方法，克服了Miner理論僅"將大載荷作的功看作損傷，忽略低幅載荷作的功"的缺陷，解決了傳統疲勞損傷累積理論單向考慮材料強度衰減的弊端，使結構設計工程師在設計階段能準確評估零件的耐久性，保證在滿足使用壽命的前提下使結構設計輕量化，節約資源。圖1為低載強化的力學模型。具體實施例方式以下結合附圖和實施例對本發明做進一步詳細描述。以拖拉機的半軸(中強度零件。材料為40Cr，屈服極限905.5MPa，抗拉強度1000.3MPa)在隨機載荷譜下壽命實驗為例，所有試驗均在電液伺服扭轉疲勞試驗機上進行。試樣裝夾方式為左端花鍵固定，右端花鍵施以純扭轉載荷，加載過程中不限制試件軸向的輕微移動，以保證試樣受扭時的軸向變形不受限制。拖拉機半軸強化和損傷共同作用下的剩余強度和壽命的評價方法如下(A)通過測試或參考相關技術資料獲取材料或零件的原始應力_壽命曲線，并確定零件的疲勞強度及使用過程中的低幅載荷范圍；對拖拉機半軸原始載荷譜處理后得到的試驗5級應力譜見表1。表1拖拉機半軸試驗(未強化)應力譜<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>未強化試驗載荷譜S-N曲線如下tm=134.72，lgNf=17.3897-5.72441gttm=121.09，lgNf=17.5389-5.78081gttm=107.32，lgNf=17.6884-5.83711gttm=93.81，lgNf=17.8340-5.89181gta。對零件扭轉疲勞試驗，常以200萬次為壽命基數估算的疲勞極限。按Goodman平均應力修正公式，表1中只有第5級為低幅載荷，當量應力幅值為81.21MPa，低于疲勞極限90.68MPa。(B)通過已有的低強度和高強度材料或零件的低載強化特性數據，借助樣條插值的數值方法建立不同強度級別材料或零件低載強化的一般規律；(i)低強度零件低載強化試驗以國產某汽車前軸(低強度材料，疲勞極限為144.5MPa)為例，進行低載強化的定量試驗，即在給定低幅載荷下采用不同的強化次數進行強化試驗，得到不同平均驗證壽命，試驗結果見表2。試驗載荷與最大名義應力的對應關系為lKN相當于7.22MPa。表2某汽車前軸低載強化定量試驗結果強化次數(X105次)02.03.04.56.0強化載荷當量幅值130.01MPa驗證載荷當量幅值185.63MPa平均驗證壽命(X105次)3.476.304.453.573.10實驗結果表明，強化載荷當量幅值130.01MPa，強化次數在2.0Xl()5次左右，將對結構造成最佳強化效果。185.63MPa載荷下壽命為6.30X105，將此壽命代入前軸S-N曲線方程式，見式(1):lgs=3.3481-0，19481gN(1)得到對應的S-N曲線上的應力為S=165.35MPa。也就是說，強化前載荷S=165.35MPa與強化后載荷S=185.63MPa有相同的壽命，即在最佳強化點強化后疲勞強度提高的比例為(185.63-165.35)/165.35X100%=12.26%(2)到達最佳強化點以后，繼續施加低幅載荷到3.0X105、4.5X105和6.0X105次，平均驗證壽命隨強化次數增多而減小，分別為4.45X105、3.57X105、3.IOXIO"欠。因此，假定低幅載荷作用效果以最佳強化點為分界點，到達最佳強化點以前，低幅載荷有強化作用；到達最佳強化點以后低幅載荷有損傷作用。實驗表明，低強度零件低載強化以20萬次為最佳強化次數，強化后疲勞強度提高的最大比例為12.26%。之后再繼續強化，疲勞強度趨于降低，見表3。表3最佳強化點以后強化次數與疲勞強度變化關系強化次數(Xl()5次)3.04.56.0疲勞強度衰減(％)-6.98-ll.74-14.82進一步處理后可得到低強度零件低載強化后疲勞強度衰減規律，見表4。表4強化次數與疲勞強度變化速率關系5強化次數(Xl()5次)2.03.04.56.0疲勞強度變化速率(％)+12.26-6.98-4.76-3.08注表中"+"代表疲勞疲勞強度提高，"-"代表疲勞強度降低。(ii)高強度零件的低載強化試驗以某汽車變速箱倒檔圓柱齒輪(高強度材料，疲勞極限為359.22MPa)為例，通過低載強化的定量試驗，得到不同的平均驗證壽命，試驗結果見表5。試驗載荷與最大名義應力的對應關系為1KN相當于86.35MPa。表5某汽車變速箱齒輪低載強化定量試驗結果強化次數(Xl(f次)02.03.04.0強化載荷當量幅值287.55MPa驗證載荷當量幅值422MPa平均驗證壽命(X1Q5次)1.121.862.251.49實驗結果表明，強化載荷當量幅值287.55MPa強化次數在3.OX105次左右，將對結構造成最佳強化效果。422MPa載荷下壽命為2.25X105，將此壽命代入齒輪S-N曲線方程式，見式(3):S=676.9075-50.47671gN(3)得到對應的S-N曲線上的應力為S=406.75MPa。強化前為406.75MPa的載荷與強化后為422MPa的載荷具有相同的壽命，即強化后疲勞強度提高的最大比例為(422-406.75)/406.75X100%=3.75%(4)到達最佳強化點以后，繼續施加低幅載荷作用到4.OX105次，平均驗證壽命隨強化次數增多而減小到1.49X10"欠。這里，同樣反映出了低幅載荷作用效果的兩重性，即到達最佳強化點以前，低幅載荷有強化作用；到達最佳強化點以后低幅載荷有損傷作用。實驗表明，高強度零件低載強化以30萬次為最佳強化次數，強化后疲勞強度提高的最大比例為3.75%。低載強化30萬次以后，疲勞強度趨于降低，再作用IO萬次，強化后疲勞強度降低的比例為2.22%。進一步處理后，可得到高強度零件低載強化后疲勞強度衰減規律，見表6。表6高強度零件強化次數與疲勞強度變化速率關系強化次數(Xl()5次)2.03.04.0疲勞強度變化(％)+2.70+1.05-2.22注表中"+"代表疲勞疲勞強度提高，"-"代表疲勞強度降低。(C)結合材料或零件的應力_壽命曲線和低載強化規律，建立強化和損傷共同作用下的疲勞強度變化規律；并根據載荷譜的載荷等級和頻次特征參數，計算出給定使用里程下零件的瞬時疲勞強度值，即剩余疲勞強度。根據高強度和低強度零件低載強化試驗，取高、低強度零件最佳強化次數和疲勞6強度提高比例中間值為中強度零件最佳強化次數和疲勞強度提高比例。得到中強度零件以25萬次為最佳強化次數，此時疲勞強度提高值為8.01%。即此得到強化和損傷共同作用下的疲勞強度變化規律列于表7和表8。表7最佳強化點前強化次數與疲勞強度變化關系零件強度類型最佳強化次數(X105次)疲勞強度提高(％)低強度零件2.0+12.26高強度零件3.0+3.75中強度零件2.5+8.01根據高強度和低強度零件低載強化試驗，不同強度等級零件最佳強化點后強化次數與疲勞強度變化關系列于表8。表8最佳強化點以后強化次數與疲勞強度變化關系<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>根據表3可以得到不同強度等級零件強化次數與剩余強度變化關系。連續施加第5級低幅載荷，則強化次數與剩余強度變化關系如下表9所示。表9強化次數與剩余強度變化關系<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>注表中"+"代表剩余強度提高，"-"代表剩余強度降低。(D)根據材料或零件低載強化規律與壽命評價技術之間的對應關系，進行材料或零件壽命評價。根據低載強化理論對未強化試驗載荷譜下的疲勞壽命進行估算時，將試驗近似假設分成三個部分進行。第一部分，將第5級應力施加25萬次以得到最佳強化效果，對應此強化效果的譜塊數為2500001640=152.44(塊)此時，零件疲勞強度提高的最大比例8.01%，其原來的S-N曲線I提高到新的S-N曲線II。由A點移動到D點，即相同應力下，疲勞壽命增加，如圖1所示。零件原來的S-N曲線為曲線I，強化后的新S-N曲線為曲線II。圖1表明在同樣載荷下，疲勞壽命延長，整個S-N曲線向右上方平移，S-N曲線的斜率基本不變。假設試驗首先施加低幅載荷。低幅載荷作用施加到最佳強化次數時，零件疲勞強度提高到最大，此時零件的S-N曲線由原來的曲線I提高到新曲線II。在相同應力01下，疲勞壽命由K增加到N2，即由A點移動到D點。具體找到D點的計算方法為(以應力級1為例)(1)在原來S-N曲線上，由B點對應的應力o2過渡到D點對應的應力op零件疲勞強度增加8.01%，即由公式(。「。2)/02X100^二a^得到(127.99-02)/o2X100%=8.01%已知op可以求出B點對應的應力o2=118.50MPa。(2)在原來S-N曲線上t邁=134.72時，lgNf=17.3897-5.72441gta。已知B點對應的應力02可以求出8點對應的壽命^=3.31X10"欠。而B、D兩點有相同的疲勞壽命K。(3)已知D點對應的應力o工和疲勞壽命N2，又知新S-N曲線II斜率與原來S_N曲線I斜率相同，可求出新S-N曲線II的tm=134.72，lgNf=17.5821-5.72441gta。由于第5級應力是應力幅值低于疲勞極限的低幅載荷作用，假設零件強化后第5級應力在S-N曲線上疲勞壽命&不變。其他各應力級在新S-N曲線II上對應的壽命如表10。表10零件強化后載荷譜中各級應力所對應的壽命<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>還要注意，第一部分作用以后，半軸達到新的S-N曲線，運用Miner理論計算損傷量時，只需計算第二和第三部分損傷和為1。第二部分，只施加152.44塊應力級為1_4的大載荷。總損傷為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>式中X為循環塊數。第三部分，按照試驗應力譜施加應力級為1-5的應力。直到半軸疲勞斷裂。一個循環試驗譜塊的累計損傷為命為+",17541404471640，"in—4y^2=-^-^-^-^-^=7.44x10臺vV,3.31x1054.47x1059.12x1052.51x1066.84x106總損傷等于上述第二、三部分損傷之和7.68X10—2+7.44X10—4X=1解得X=1240.86塊，總共循環1240.86+152.44=1393.3塊。譜載荷下試驗壽Nf=1393.3X2298=3.20X106(次)此時考慮低載強化疲勞壽命為3.20X106次。根據文獻提供的試驗結果，與表1對應的隨機載荷譜下半軸的試驗壽命為3.05X1Q6次，兩者相比，誤差為5%。9權利要求一種強化和損傷共同作用下剩余強度和壽命的評價方法，其特征在于所述方法的步驟如下(A)通過測試或技術資料獲取材料或零件的原始應力-壽命曲線，并確定零件的疲勞強度及使用過程中的低幅載荷范圍；(B)通過已有的低強度和高強度材料或零件的低載強化特性數據，借助樣條插值的數值方法建立不同強度級別材料或零件低載強化的一般規律；(C)結合材料或零件的應力-壽命曲線和低載強化規律，建立強化和損傷共同作用下的疲勞強度變化規律；并根據載荷譜的載荷等級和頻次特征參數，計算出給定使用里程下零件的瞬時疲勞強度值，即剩余疲勞強度；(D)根據不斷變化的剩余疲勞強度建立瞬時應力-壽命曲線；據此瞬時應力-壽命曲線按Miner線性損傷理論進行材料或零件壽命評價。全文摘要一種強化和損傷共同作用下剩余強度和壽命的評價方法，特征為(A)通過測試或技術資料獲取材料或零件的原始應力-壽命曲線，并確定其疲勞強度及低幅載荷范圍；(B)分別對低強度和高強度材料或零件的低載強化特性數據，借助樣條插值的數值方法建立不同強度級別材料或零件低載強化的一般規律；(C)對所述材料或零件的應力-壽命曲線和低載強化規律，建立強化和損傷共同作用下的疲勞強度變化規律；并根據載荷譜的載荷等級和頻次，計算出給定使用里程下零件的瞬時疲勞強度值，即剩余疲勞強度；(D)根據瞬時應力-壽命曲線，按Miner線性損傷理論進行材料或零件壽命評價。本發明為滿足零件使用壽命并達到輕量化設計提供了具體方法。文檔編號G01N3/00GK101718651SQ20091019895公開日2010年6月2日申請日期2009年11月18日優先權日2009年11月18日發明者馮金芝,盧曦,鄭松林申請人:上海理工大學