【摘 要】
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疲劳失效作为最严重的材料破坏形式之一,危及着构件安全运行并可能造成巨大的经济损失。在现代工业领域,约有80%以上的结构强度破坏都是由于疲劳造成的,如铁轨、飞机、航天器、汽轮机及轧机传动轴等都不同程度受到疲劳失效的威胁。由于现代机械构件大多数需要满足长寿命使用要求,使得高周疲劳损伤成为了构件主要损伤形式之一。过低估计结构件高周疲劳强度无法发挥其强度潜能,不利于提高经济效益,而过高估计则威胁结构件服役
【基金项目】
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国家重点研发计划资助项目（2017YFB0306402）；
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疲劳失效作为最严重的材料破坏形式之一,危及着构件安全运行并可能造成巨大的经济损失。在现代工业领域,约有80%以上的结构强度破坏都是由于疲劳造成的,如铁轨、飞机、航天器、汽轮机及轧机传动轴等都不同程度受到疲劳失效的威胁。由于现代机械构件大多数需要满足长寿命使用要求,使得高周疲劳损伤成为了构件主要损伤形式之一。过低估计结构件高周疲劳强度无法发挥其强度潜能,不利于提高经济效益,而过高估计则威胁结构件服役安全性,可能导致安全事故,因此,开展结构件高周疲劳强度高精度预测具有深远的工程应用价值,而构建相应的理论模型是解决上述问题的关键科学问题。以应力不变量法、临界损伤面法、细观积分法、能量法和损伤力学法等为代表的临界点法,聚集危险点处应力应变,以危险点应力应变构建损伤控制参数从而建立高周疲劳破坏准则。结构件高周疲劳损伤是发生于某一特定区域的、渐变的、并伴有裂纹萌生和扩展的过程,因此,临界点法与高周疲劳破坏物理现象不吻合,而临界域方法聚焦某一特定区域疲劳损伤历程,与疲劳破坏物理现象相吻合。以传统应力场强法为代表的临界域方法,虽有较强的物理意义,但场域破坏应力函数及其权函数缺乏相应的力学机理,缺乏破坏力学基础。本文基于连续介质损伤力学及其不可逆热力学框架,以均布临界域全寿命内禀损伤耗散能量作为评估疲劳寿命指标,并结合临界域理论建模思想,构建新型应力场强理论。建立以最大剪切应力幅平面正应力描述考虑拉压异性的有效应力张量,此种描述刻画了裂纹萌生平面上正应力对促使裂纹萌生扩展的拉压异性,具有确定的物理意义,克服了以主应力法描述拉压异性的不足之处。基于连续介质损伤力学及其不可逆热力学框架,并考虑拉压异性,构建内禀损伤耗散演化模型的D型描述。提出刻画循环损伤驱动力交变特性和材料属性新型损伤内变量临界值。这些工作为基于内禀损伤耗散构建新型应力场强理论打下基础。以均布临界域全寿命损伤耗散作为等寿命条件,推演考虑拉压异性的叠加平均应力的拉伸高周疲劳和纯扭高周疲劳以及复合弯曲扭转高周疲劳的新型应力场强表述形式,分别利用铝合金（LC4和LC9）单轴拉伸、金属材料（76S-T61、2A12-T4和34CrNiMo6）纯扭和金属材料（Hard Steel、Mild Steel、34Cr4、30NCD16、C20、EN-GJS800-2和Ti–6Al–4V）对比论证应用三种载荷形式下的新型应力场强预测疲劳强度（寿命）的适用性,验证结果表明,新型应力场强法预测疲劳强度（寿命）均优于现有模型。其次,将新型应力场强理论推广到变幅载荷工况,建立了基于新型应力场强理论的变幅载荷路径下损伤累积模型。利用3种常见金属材料单轴变幅疲劳试验数据和LY12CZ铝合金复合拉伸扭转以及载荷块下变幅疲劳试验数据分别对比论证了新的损伤累积模型在单轴变幅和多轴变幅载荷工况下的适用性,结果表明,新模型均表现最优。最后,以典型双缺口件为分析算例,应用新型应力场强理论分析其高周疲劳强度,通过ABAQUS提供的子程序UMAT和Excel-VBA开发工具,对两种典型双缺口试件疲劳强度进行了理论预测。预测结果表明:新型应力场强理论可精准预测多缺口件疲劳断裂位置,预测效果明显优于传统应力场强法,更适合于缺口件疲劳强度预测。
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