高周多轴载荷下细节疲劳额定强度值的确定方法研究

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细节疲劳额定强度值法,即Detail Fatigue Rating法(DFR),是一种广泛应用于航空领域的高周单轴疲劳可靠性设计方法。在实际工程中,机械的关键部件往往承受着多轴疲劳载荷,因此研究在多轴载荷条件下DFR值的确定方法具有重要的工程实际意义。  本文以在航空航天领域中广泛应用的铝合金7075-T651作为试验材料,结合单轴DFR确定方法进行了单轴DFR试验、多轴疲劳试验以及多轴谱载试验,并进行了疲劳断口分析。利用试验结果求得了单轴DFR,研究了多轴载荷条件下的DFR值的确定方法,提出了一种新的高周多轴疲劳模型,并进行了准则验证和寿命预测验证。最后提出了一种在多轴载荷条件下DFR值确定方法,利用所提出的确定方法和本文的新模型预测多轴加载下的DFR值,并进行了试验验证和对比。本文的主要研究内容有以下几个方面:  首先,对7075-T651光滑薄壁管试件进行了单轴DFR试验、多轴横幅疲劳试验以及多轴谱载疲劳试验。分别利用双点法和单点法求取了单轴DFR值,并进行了比较,结果表明在符合特征寿命要求的情况下,由双点法和单点法所求得的DFR值相近。利用等效von-Mises应力将多轴载荷转化为等效轴向应力,利用等效应力和双点法求得了等效DFR值,其结果整体偏于不安全,且当相位差为90°时,误差的绝对值超过20%。  其次,提出了一种新的高周多轴疲劳模型。该模型基于临界面法,转化多轴载荷所得的等效应力的应力比与模型中采用的条件疲劳强度的应力比一致。利用该模型与Sines模型、Crossland模型、McDiarmid模型和Papadopoulos模型进行了破坏准则验证。结果表明Sines模型、Crossland模型、McDiarmid模型结果偏非保守,且误差较大,Papadopoulos模型预测效果最好,本文模型效果接近Papadopoulos模型,稳定性比其稍差。利用本文模型、McDiarmid模型和Papadopoulos模型对SM45C钢进行了寿命预测,结果表明本文模型寿命预测的效果优于Papadopoulos模型以及McDiarmid模型。  再次,提出了一种多轴载荷条件下的DFR值确定方法。该方法基于高周多轴疲劳模型和应力转化过程,利用双点法来获得多轴加载下的DFR值。其过程是首先利用已有的高周多轴疲劳模型和应力转化过程将多轴疲劳加载应力转化为应力比为0.06的等效轴向应力,然后利用等效轴向应力,试验结果以及双点法确定多轴疲劳载荷下的DFR值。  最后,利用本文提出的多轴载荷条件下的DFR值确定方法结合本文的模型、McDiarmid模型以及Papadopoulos模型确定多轴载荷条件下DFR值。其中本文提出的模型所获得的等效应力为应力比为0.06的等效轴向应力,可以直接用于双点法以确定多轴载荷下的DFR值。结果表明结合本文模型的方法预测效果最好,Papadopoulos模型的预测结果偏不安全,新方法结合McDiarmid模型不适合用于确定多轴载荷下的DFR值,其误差的绝对值都超过了15%。
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