一种金属材料的疲劳寿命厚度曲线绘制方法与流程

本发明属于金属结构寿命预测技术领域，涉及一种用于常用金属材料的疲劳寿命(n)—厚度(t)曲线绘制方法，能够基于常用金属材料已有的力学性能试验数据，通过计算并绘制出该材料结构的三维疲劳寿命随厚度的变化曲线，即n-t曲线。

背景技术：

通常，为确保足够的安全系数，结构疲劳寿命的设计和评估采用厚板平面应变状态下的试验数据。而在工程结构中，大部分构件处于薄板平面应力状态或过渡状态，而对不同厚度结构疲劳寿命的差别无法进行疲劳寿命预测，是现有寿命预测方法存在的缺陷之一。如目前工程上常用局部应力应变法估算结构疲劳寿命，主要结合材料的循环应力应变曲线，将构件上的名义应力谱转换成危险部位的局部应力应变谱，然后根据危险部位的局部应力应变历程估算寿命。但由于无法考虑厚度变化对危险部位局部应力应变的影响，因此，不得不针对不同材料开展从薄板平面应力状态至厚板平面应变状态的不同厚度板疲劳试验，耗费大量的人力、财力和时间。

本发明借助有限元方法来求解试样厚度对疲劳缺口系数的影响，从而在传统局部应力应变法中考虑厚度变化对危险部位局部应力应变的影响，实现不同厚度结构的疲劳寿命估算，得到不同厚度下该材料结构的n-t曲线，弥补传统方法无法进行不同厚度结构疲劳寿命预测的不足。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题在于克服现有技术的无法考虑厚度变化对危险部位局部应力应变的影响的缺陷，提供一种金属材料的疲劳寿命厚度曲线绘制方法。所述一种金属材料的疲劳寿命厚度曲线绘制方法具有安全、合理地评估结构的三维疲劳寿命，并提供便捷有效的方法等特点。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种金属材料的疲劳寿命厚度曲线绘制方法，

步骤1：根据式确定不同厚度构件的疲劳缺口系数kf；

步骤2：根据式计算材料的临界厚度值，并通过查表获取该材料结构件的dfr值；

步骤3：在该dfr应力水平下，运用局部应力应变法计算不同厚度结构件的疲劳寿命；

步骤4：以横坐标为厚度t，纵坐标为对应厚度下的疲劳寿命n，绘制该材料结构的n-t曲线。

优选的，所述kic为材料的平面应变断裂韧度，σp0.2为材料的屈服强度，从而可以计算出不同材料的平面应力与平面应变状态的临界厚度值tc，再根据式计算出缺口系数随厚度的变化值，从而可以通过局部应力应变法计算得到不同厚度结构件在dfr应力水平下的疲劳寿命。

优选的，还包括边缺口拉伸试样，所述边缺口拉伸试样的规格设置为长度为300mm，宽度为90mm，半圆切口采用铰孔，半径为8mm，试样厚度设置为t。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)依据本发明绘制的不同厚度下常用金属材料结构n-t曲线，可以实现对不同厚度结构的疲劳寿命估算，无需开展不同厚度板的疲劳试验，经济效益显著。

(2)依据本发明绘制的不同厚度下常用金属材料结构n-t曲线，可以实现对不同厚度结构危险部位的危险程度依据寿命长短进行排序，从而在疲劳试验中确定危险部位的检查顺序，或在定期修理工作中确定危险部位的检查顺序，可以极大地提高工作效率。

附图说明

图1为本发明式(1)表达式；

图2为本发明式(2)表达式；

图3为本发明式(3)表达式；

图4为本发明式(4)表达式；

图5为本发明式(5)表达式；

图6为本发明单边缺口拉伸试样的结构示意图；

图7为本发明有限元软件计算理论应力集中系数结果的表格；

图8为本发明单边缺口试样疲劳缺口系数计算结果的表格；

图9为本发明不同厚度板疲劳寿命的表格；

图10为本发明ly12cz铝合金材料构件的n-t曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：一种金属材料的疲劳寿命厚度曲线绘制方法，局部应力应变法结合材料的循环应力应变曲线，将构件上的名义应力谱转换成危险部位的局部应力应变谱，然后根据危险部位的局部应力应变历程估算寿命，是工程上常用的结构疲劳寿命预测方法。其中，应力应变解可以通过式(1)进行计算；

上式中，△s、△σ、△ε分别为名义应力幅值、局部应力幅值和局部应变幅值，e为材料弹性模量，c称为neuber常数，kf为疲劳缺口系数，可由式(2)求得；

上式中，ρ为缺口根部半径，a为材料常数，可查表获知。k为理论应力集中系数，可由有限元方法方便地求出。

本发明采用有限元方法求出构件在不同厚度t下的理论应力集中系数k，并拟合得到k与t的函数关系式k(t)，从而得到考虑厚度t的疲劳缺口系数表达式，见式(3)；

结构的疲劳寿命与所承受的疲劳载荷有直接关系。工程上常采用材料的细节疲劳额定强度(dfr)值进行强度设计。dfr是指在疲劳载荷应力比r＝0.06时，指定寿命n＝105次(置信水平为95％，可靠度为95％)的以最大应力表示的疲劳强度。结构常用材料细节疲劳额定强度dfr值可通过查询材料力学性能手册获取。通常，为确保足够的安全系数，dfr的确定反映了一定缺口系数下结构平面应变状态下的疲劳寿命，即不小于该厚度的结构疲劳寿命值均认定为105次。但对于小于该厚度的平面应力状态或过渡状态或其他缺口系数下的疲劳寿命值无法给定。一般认为，当裂纹体的厚度t与裂尖塑性区之比大于约25时，平面应变条件便得以满足，此条件可写为式(4)；

其中，kic为材料的平面应变断裂韧度，σp0.2为材料的屈服强度。从而可以计算出不同材料的平面应力与平面应变状态的临界厚度值tc。再根据式(3)计算出缺口系数随厚度的变化值，从而可以通过局部应力应变法计算得到不同厚度结构件在dfr应力水平下的疲劳寿命。以横坐标为厚度t，纵坐标为对应厚度下的疲劳寿命n，可以绘制出常用金属材料结构n-t曲线，可以实现对不同厚度结构危险部位的危险程度依据寿命长短进行排序，从而在疲劳试验中确定危险部位的检查顺序，或在定期修理工作中确定危险部位的检查顺序，可以极大地提高工作效率。

请参阅图7-10，下面针对ly12cz铝合金板制成的试验件为实例对本发明的具体实施方式作详细说明；参考图10所示的单边缺口拉伸试样，长度为300mm，宽度为90mm，半圆切口采用铰孔，半径为8mm，试样厚度为t，绘制该材料结构的n-t曲线，步骤如下：

步骤1：确定该结构不同厚度下的疲劳缺口系数kf；采用msc/patran有限元软件进行三维有限元应力分析。根据对称性，建立1/4模型进行分析。参数设置为：泊松比μ为0.33，弹性模量e为73.2gpa，拉伸载荷大小为10mpa。分别计算厚度为1mm至30mm下的理论应力集中系数，如图7中的有限元软件计算理论应力集中系数结果的表格所示，将不同厚度下应力集中系数计算结果采用最小二乘法拟合得到式(5)；k(t)＝0.0002·t2+0.0022·t+3.2374(5)，将式(5)带入式(3)，得到不同厚度下结构的疲劳缺口系数计算式。通过查询《飞机结构金属材料力学性能手册第i卷》(吴学仁编.北京：航空工业出版社)第58页表2-3，得到ly12cz铝合金材料的屈服强度σp0.2＝455mpa；通过查询《结构疲劳寿命分析》(姚卫星编.北京：国防工业出版社)第10页图1.8，得知ly12cz铝合金材料在σp0.2＝455mpa时式(2)中的a值约为0.6。已知缺口根部半径ρ＝8mm，由式(2)得到不同厚度下该材料件的疲劳缺口系数值，如图8单边缺口试样疲劳缺口系数计算结果的表格所示。

步骤2：计算材料的临界厚度值；通过查询《飞机金属材料力学性能手册》，得知ly12cz铝合金材料的平面应变断裂韧度kic＝34mpa，由式(4)计算得到该材料的临界厚度值tc＝30mm。

步骤3：材料dfr值的确定；通过查询《飞机结构金属材料力学性能手册第i卷》(吴学仁编.北京：航空工业出版社)第368页表4-7，得到ly12cz铝合金材料的dfr值为154.2mpa。

步骤4：计算不同厚度结构件的疲劳寿命，采取《结构疲劳寿命分析》(姚卫星编.北京：国防工业出版社)第129页至136页所描述的工程上常用的局部应力应变法，计算在疲劳载荷最大值smax＝dfr＝154.2mpa，应力比r＝0.06下不同厚度板的疲劳寿命，如图9不同厚度板疲劳寿命的表格所示。

步骤5：绘制n-t曲线；以横坐标为厚度t，纵坐标为对应厚度下的疲劳寿命n，绘制该材料结构的n-t曲线，如图1所示，可以实现对不同厚度结构的疲劳寿命估算，无需开展不同厚度板的疲劳试验，经济效益显著。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。