專利名稱：：強(qiáng)化和損傷共同作用下剩余強(qiáng)度和壽命的評價(jià)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種用于材料或機(jī)械零件剩余強(qiáng)度和壽命的評價(jià)方法，具體涉及一種用于不同強(qiáng)度級別材料或零件，強(qiáng)化和損傷共同作用下的低載強(qiáng)化規(guī)律、剩余強(qiáng)度和壽命的評價(jià)方法。
背景技術(shù)：
：在車輛工程領(lǐng)域，傳統(tǒng)的線性和非線性疲勞損傷理論僅以S-N曲線或應(yīng)變_壽命曲線為基礎(chǔ)，幾乎不考慮使用過程中的低幅載荷對結(jié)構(gòu)造成的強(qiáng)度強(qiáng)化，只考慮大載荷對結(jié)構(gòu)造成的損傷，據(jù)此進(jìn)行的結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度和壽命評價(jià)往往是偏于安全的，不利于汽車的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。汽車使用中遇到的隨機(jī)載荷，80%是低幅載荷(即幅值低于疲勞極限)，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋萌生前，這些載荷可能對結(jié)構(gòu)造成強(qiáng)化。(在車輛行業(yè)，結(jié)構(gòu)萌生可見裂紋后，即認(rèn)為失效)所謂低載強(qiáng)化，指低幅載荷反復(fù)作用后，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度(包括靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度)增高的現(xiàn)象。盡管半個(gè)多世紀(jì)以來，國內(nèi)外研究人員不斷發(fā)現(xiàn)低載強(qiáng)化現(xiàn)象的存在，至今未見到有應(yīng)用低載強(qiáng)化進(jìn)行汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的具體報(bào)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(xiàn)狀，探索和研究既減重又低成本的汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(qiáng)度特性，是實(shí)現(xiàn)汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明公開了一種強(qiáng)化和損傷共同作用下剩余強(qiáng)度和壽命的評價(jià)方法，基于車輛使用載荷譜中大量低幅載荷對零件強(qiáng)度的強(qiáng)化作用(即低載強(qiáng)化)的研究積累，提出從強(qiáng)化和損傷兩方面來處理載荷，以接近真實(shí)物理過程，在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行合理的減重，同時(shí)提高壽命預(yù)估精度；克服現(xiàn)有技術(shù)對結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度和壽命的評價(jià)，只考慮大載荷對結(jié)構(gòu)造成的損傷，而不考慮使用過程中的低幅載荷對結(jié)構(gòu)造成的強(qiáng)度強(qiáng)化，評價(jià)精度低，致使結(jié)構(gòu)偏于安全、不利于結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)，以至于浪費(fèi)材料、浪費(fèi)能源。—種強(qiáng)化和損傷共同作用下剩余強(qiáng)度和壽命的評價(jià)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(guān)技術(shù)資料獲取材料或零件的原始應(yīng)力_壽命曲線，并確定零件的疲勞強(qiáng)度及使用過程中的低幅載荷范圍；(B)通過已有的低強(qiáng)度和高強(qiáng)度材料或零件的低載強(qiáng)化特性數(shù)據(jù)，借助樣條插值的數(shù)值方法建立不同強(qiáng)度級別材料或零件低載強(qiáng)化的一般規(guī)律；(C)結(jié)合材料或零件的應(yīng)力_壽命曲線和低載強(qiáng)化規(guī)律，建立強(qiáng)化和損傷共同作用下的疲勞強(qiáng)度變化規(guī)律；并根據(jù)載荷譜的載荷等級和頻次特征參數(shù)，計(jì)算出給定使用里程下零件的瞬時(shí)疲勞強(qiáng)度值，剩余疲勞強(qiáng)度；(D)根據(jù)不斷變化的剩余疲勞強(qiáng)度建立瞬時(shí)應(yīng)力-壽命曲線，據(jù)此瞬時(shí)應(yīng)力-壽命曲線按Miner線性損傷理論進(jìn)行材料或零件壽命評價(jià)。利用這種方法，可以通過分析材料或零件的強(qiáng)度等級及在強(qiáng)化和損傷共同作用下低載強(qiáng)化規(guī)律實(shí)現(xiàn)材料或零件剩余強(qiáng)度和壽命的評價(jià)。本發(fā)明為正確評估隨機(jī)載荷譜中強(qiáng)度和損傷共同作用下的剩余強(qiáng)度和壽命評價(jià)技術(shù)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(tǒng)疲勞損傷累積理論單向考慮材料強(qiáng)度衰減的弊端，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)階段能準(zhǔn)確評估零件的耐久性，保證在滿足使用壽命的前提下使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕量化，節(jié)約資源。圖1為低載強(qiáng)化的力學(xué)模型。具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述。以拖拉機(jī)的半軸(中強(qiáng)度零件。材料為40Cr，屈服極限905.5MPa，抗拉強(qiáng)度1000.3MPa)在隨機(jī)載荷譜下壽命實(shí)驗(yàn)為例，所有試驗(yàn)均在電液伺服扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試樣裝夾方式為左端花鍵固定，右端花鍵施以純扭轉(zhuǎn)載荷，加載過程中不限制試件軸向的輕微移動(dòng)，以保證試樣受扭時(shí)的軸向變形不受限制。拖拉機(jī)半軸強(qiáng)化和損傷共同作用下的剩余強(qiáng)度和壽命的評價(jià)方法如下(A)通過測試或參考相關(guān)技術(shù)資料獲取材料或零件的原始應(yīng)力_壽命曲線，并確定零件的疲勞強(qiáng)度及使用過程中的低幅載荷范圍；對拖拉機(jī)半軸原始載荷譜處理后得到的試驗(yàn)5級應(yīng)力譜見表1。表1拖拉機(jī)半軸試驗(yàn)(未強(qiáng)化)應(yīng)力譜<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>未強(qiáng)化試驗(yàn)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(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)，常以200萬次為壽命基數(shù)估算的疲勞極限。按Goodman平均應(yīng)力修正公式，表1中只有第5級為低幅載荷，當(dāng)量應(yīng)力幅值為81.21MPa，低于疲勞極限90.68MPa。(B)通過已有的低強(qiáng)度和高強(qiáng)度材料或零件的低載強(qiáng)化特性數(shù)據(jù)，借助樣條插值的數(shù)值方法建立不同強(qiáng)度級別材料或零件低載強(qiáng)化的一般規(guī)律；(i)低強(qiáng)度零件低載強(qiáng)化試驗(yàn)以國產(chǎn)某汽車前軸(低強(qiáng)度材料，疲勞極限為144.5MPa)為例，進(jìn)行低載強(qiáng)化的定量試驗(yàn)，即在給定低幅載荷下采用不同的強(qiáng)化次數(shù)進(jìn)行強(qiáng)化試驗(yàn)，得到不同平均驗(yàn)證壽命，試驗(yàn)結(jié)果見表2。試驗(yàn)載荷與最大名義應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系為lKN相當(dāng)于7.22MPa。表2某汽車前軸低載強(qiáng)化定量試驗(yàn)結(jié)果強(qiáng)化次數(shù)(X105次)02.03.04.56.0強(qiáng)化載荷當(dāng)量幅值130.01MPa驗(yàn)證載荷當(dāng)量幅值185.63MPa平均驗(yàn)證壽命(X105次)3.476.304.453.573.10實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，強(qiáng)化載荷當(dāng)量幅值130.01MPa，強(qiáng)化次數(shù)在2.0Xl()5次左右，將對結(jié)構(gòu)造成最佳強(qiáng)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(yīng)的S-N曲線上的應(yīng)力為S=165.35MPa。也就是說，強(qiáng)化前載荷S=165.35MPa與強(qiáng)化后載荷S=185.63MPa有相同的壽命，即在最佳強(qiáng)化點(diǎn)強(qiáng)化后疲勞強(qiáng)度提高的比例為(185.63-165.35)/165.35X100%=12.26%(2)到達(dá)最佳強(qiáng)化點(diǎn)以后，繼續(xù)施加低幅載荷到3.0X105、4.5X105和6.0X105次，平均驗(yàn)證壽命隨強(qiáng)化次數(shù)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(qiáng)化點(diǎn)為分界點(diǎn)，到達(dá)最佳強(qiáng)化點(diǎn)以前，低幅載荷有強(qiáng)化作用；到達(dá)最佳強(qiáng)化點(diǎn)以后低幅載荷有損傷作用。實(shí)驗(yàn)表明，低強(qiáng)度零件低載強(qiáng)化以20萬次為最佳強(qiáng)化次數(shù)，強(qiáng)化后疲勞強(qiáng)度提高的最大比例為12.26%。之后再繼續(xù)強(qiáng)化，疲勞強(qiáng)度趨于降低，見表3。表3最佳強(qiáng)化點(diǎn)以后強(qiáng)化次數(shù)與疲勞強(qiáng)度變化關(guān)系強(qiáng)化次數(shù)(Xl()5次)3.04.56.0疲勞強(qiáng)度衰減(％)-6.98-ll.74-14.82進(jìn)一步處理后可得到低強(qiáng)度零件低載強(qiáng)化后疲勞強(qiáng)度衰減規(guī)律，見表4。表4強(qiáng)化次數(shù)與疲勞強(qiáng)度變化速率關(guān)系5強(qiáng)化次數(shù)(Xl()5次)2.03.04.56.0疲勞強(qiáng)度變化速率(％)+12.26-6.98-4.76-3.08注表中"+"代表疲勞疲勞強(qiáng)度提高，"-"代表疲勞強(qiáng)度降低。(ii)高強(qiáng)度零件的低載強(qiáng)化試驗(yàn)以某汽車變速箱倒檔圓柱齒輪(高強(qiáng)度材料，疲勞極限為359.22MPa)為例，通過低載強(qiáng)化的定量試驗(yàn)，得到不同的平均驗(yàn)證壽命，試驗(yàn)結(jié)果見表5。試驗(yàn)載荷與最大名義應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系為1KN相當(dāng)于86.35MPa。表5某汽車變速箱齒輪低載強(qiáng)化定量試驗(yàn)結(jié)果強(qiáng)化次數(shù)(Xl(f次)02.03.04.0強(qiáng)化載荷當(dāng)量幅值287.55MPa驗(yàn)證載荷當(dāng)量幅值422MPa平均驗(yàn)證壽命(X1Q5次)1.121.862.251.49實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，強(qiáng)化載荷當(dāng)量幅值287.55MPa強(qiáng)化次數(shù)在3.OX105次左右，將對結(jié)構(gòu)造成最佳強(qiáng)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(yīng)的S-N曲線上的應(yīng)力為S=406.75MPa。強(qiáng)化前為406.75MPa的載荷與強(qiáng)化后為422MPa的載荷具有相同的壽命，即強(qiáng)化后疲勞強(qiáng)度提高的最大比例為(422-406.75)/406.75X100%=3.75%(4)到達(dá)最佳強(qiáng)化點(diǎn)以后，繼續(xù)施加低幅載荷作用到4.OX105次，平均驗(yàn)證壽命隨強(qiáng)化次數(shù)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(dá)最佳強(qiáng)化點(diǎn)以前，低幅載荷有強(qiáng)化作用；到達(dá)最佳強(qiáng)化點(diǎn)以后低幅載荷有損傷作用。實(shí)驗(yàn)表明，高強(qiáng)度零件低載強(qiáng)化以30萬次為最佳強(qiáng)化次數(shù)，強(qiáng)化后疲勞強(qiáng)度提高的最大比例為3.75%。低載強(qiáng)化30萬次以后，疲勞強(qiáng)度趨于降低，再作用IO萬次，強(qiáng)化后疲勞強(qiáng)度降低的比例為2.22%。進(jìn)一步處理后，可得到高強(qiáng)度零件低載強(qiáng)化后疲勞強(qiáng)度衰減規(guī)律，見表6。表6高強(qiáng)度零件強(qiáng)化次數(shù)與疲勞強(qiáng)度變化速率關(guān)系強(qiáng)化次數(shù)(Xl()5次)2.03.04.0疲勞強(qiáng)度變化(％)+2.70+1.05-2.22注表中"+"代表疲勞疲勞強(qiáng)度提高，"-"代表疲勞強(qiáng)度降低。(C)結(jié)合材料或零件的應(yīng)力_壽命曲線和低載強(qiáng)化規(guī)律，建立強(qiáng)化和損傷共同作用下的疲勞強(qiáng)度變化規(guī)律；并根據(jù)載荷譜的載荷等級和頻次特征參數(shù)，計(jì)算出給定使用里程下零件的瞬時(shí)疲勞強(qiáng)度值，即剩余疲勞強(qiáng)度。根據(jù)高強(qiáng)度和低強(qiáng)度零件低載強(qiáng)化試驗(yàn)，取高、低強(qiáng)度零件最佳強(qiáng)化次數(shù)和疲勞6強(qiáng)度提高比例中間值為中強(qiáng)度零件最佳強(qiáng)化次數(shù)和疲勞強(qiáng)度提高比例。得到中強(qiáng)度零件以25萬次為最佳強(qiáng)化次數(shù)，此時(shí)疲勞強(qiáng)度提高值為8.01%。即此得到強(qiáng)化和損傷共同作用下的疲勞強(qiáng)度變化規(guī)律列于表7和表8。表7最佳強(qiáng)化點(diǎn)前強(qiáng)化次數(shù)與疲勞強(qiáng)度變化關(guān)系零件強(qiáng)度類型最佳強(qiáng)化次數(shù)(X105次)疲勞強(qiáng)度提高(％)低強(qiáng)度零件2.0+12.26高強(qiáng)度零件3.0+3.75中強(qiáng)度零件2.5+8.01根據(jù)高強(qiáng)度和低強(qiáng)度零件低載強(qiáng)化試驗(yàn)，不同強(qiáng)度等級零件最佳強(qiáng)化點(diǎn)后強(qiáng)化次數(shù)與疲勞強(qiáng)度變化關(guān)系列于表8。表8最佳強(qiáng)化點(diǎn)以后強(qiáng)化次數(shù)與疲勞強(qiáng)度變化關(guān)系<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>根據(jù)表3可以得到不同強(qiáng)度等級零件強(qiáng)化次數(shù)與剩余強(qiáng)度變化關(guān)系。連續(xù)施加第5級低幅載荷，則強(qiáng)化次數(shù)與剩余強(qiáng)度變化關(guān)系如下表9所示。表9強(qiáng)化次數(shù)與剩余強(qiáng)度變化關(guān)系<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>注表中"+"代表剩余強(qiáng)度提高，"-"代表剩余強(qiáng)度降低。(D)根據(jù)材料或零件低載強(qiáng)化規(guī)律與壽命評價(jià)技術(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)行材料或零件壽命評價(jià)。根據(jù)低載強(qiáng)化理論對未強(qiáng)化試驗(yàn)載荷譜下的疲勞壽命進(jìn)行估算時(shí)，將試驗(yàn)近似假設(shè)分成三個(gè)部分進(jìn)行。第一部分，將第5級應(yīng)力施加25萬次以得到最佳強(qiáng)化效果，對應(yīng)此強(qiáng)化效果的譜塊數(shù)為2500001640=152.44(塊)此時(shí)，零件疲勞強(qiáng)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(diǎn)移動(dòng)到D點(diǎn)，即相同應(yīng)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(qiáng)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(gè)S-N曲線向右上方平移，S-N曲線的斜率基本不變。假設(shè)試驗(yàn)首先施加低幅載荷。低幅載荷作用施加到最佳強(qiáng)化次數(shù)時(shí)，零件疲勞強(qiáng)度提高到最大，此時(shí)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(yīng)力01下，疲勞壽命由K增加到N2，即由A點(diǎn)移動(dòng)到D點(diǎn)。具體找到D點(diǎn)的計(jì)算方法為(以應(yīng)力級1為例)(1)在原來S-N曲線上，由B點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力o2過渡到D點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力op零件疲勞強(qiáng)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(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力o2=118.50MPa。(2)在原來S-N曲線上t邁=134.72時(shí)，lgNf=17.3897-5.72441gta。已知B點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力02可以求出8點(diǎn)對應(yīng)的壽命^=3.31X10"欠。而B、D兩點(diǎn)有相同的疲勞壽命K。(3)已知D點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)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(yīng)力是應(yīng)力幅值低于疲勞極限的低幅載荷作用，假設(shè)零件強(qiáng)化后第5級應(yīng)力在S-N曲線上疲勞壽命&不變。其他各應(yīng)力級在新S-N曲線II上對應(yīng)的壽命如表10。表10零件強(qiáng)化后載荷譜中各級應(yīng)力所對應(yīng)的壽命<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>還要注意，第一部分作用以后，半軸達(dá)到新的S-N曲線，運(yùn)用Miner理論計(jì)算損傷量時(shí)，只需計(jì)算第二和第三部分損傷和為1。第二部分，只施加152.44塊應(yīng)力級為1_4的大載荷?？倱p傷為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>式中X為循環(huán)塊數(shù)。第三部分，按照試驗(yàn)應(yīng)力譜施加應(yīng)力級為1-5的應(yīng)力。直到半軸疲勞斷裂。一個(gè)循環(huán)試驗(yàn)譜塊的累計(jì)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(huán)1240.86+152.44=1393.3塊。譜載荷下試驗(yàn)壽Nf=1393.3X2298=3.20X106(次)此時(shí)考慮低載強(qiáng)化疲勞壽命為3.20X106次。根據(jù)文獻(xiàn)提供的試驗(yàn)結(jié)果，與表1對應(yīng)的隨機(jī)載荷譜下半軸的試驗(yàn)壽命為3.05X1Q6次，兩者相比，誤差為5%。9權(quán)利要求一種強(qiáng)化和損傷共同作用下剩余強(qiáng)度和壽命的評價(jià)方法，其特征在于所述方法的步驟如下(A)通過測試或技術(shù)資料獲取材料或零件的原始應(yīng)力-壽命曲線，并確定零件的疲勞強(qiáng)度及使用過程中的低幅載荷范圍；(B)通過已有的低強(qiáng)度和高強(qiáng)度材料或零件的低載強(qiáng)化特性數(shù)據(jù)，借助樣條插值的數(shù)值方法建立不同強(qiáng)度級別材料或零件低載強(qiáng)化的一般規(guī)律；(C)結(jié)合材料或零件的應(yīng)力-壽命曲線和低載強(qiáng)化規(guī)律，建立強(qiáng)化和損傷共同作用下的疲勞強(qiáng)度變化規(guī)律；并根據(jù)載荷譜的載荷等級和頻次特征參數(shù)，計(jì)算出給定使用里程下零件的瞬時(shí)疲勞強(qiáng)度值，即剩余疲勞強(qiáng)度；(D)根據(jù)不斷變化的剩余疲勞強(qiáng)度建立瞬時(shí)應(yīng)力-壽命曲線；據(jù)此瞬時(shí)應(yīng)力-壽命曲線按Miner線性損傷理論進(jìn)行材料或零件壽命評價(jià)。全文摘要一種強(qiáng)化和損傷共同作用下剩余強(qiáng)度和壽命的評價(jià)方法，特征為(A)通過測試或技術(shù)資料獲取材料或零件的原始應(yīng)力-壽命曲線，并確定其疲勞強(qiáng)度及低幅載荷范圍；(B)分別對低強(qiáng)度和高強(qiáng)度材料或零件的低載強(qiáng)化特性數(shù)據(jù)，借助樣條插值的數(shù)值方法建立不同強(qiáng)度級別材料或零件低載強(qiáng)化的一般規(guī)律；(C)對所述材料或零件的應(yīng)力-壽命曲線和低載強(qiáng)化規(guī)律，建立強(qiáng)化和損傷共同作用下的疲勞強(qiáng)度變化規(guī)律；并根據(jù)載荷譜的載荷等級和頻次，計(jì)算出給定使用里程下零件的瞬時(shí)疲勞強(qiáng)度值，即剩余疲勞強(qiáng)度；(D)根據(jù)瞬時(shí)應(yīng)力-壽命曲線，按Miner線性損傷理論進(jìn)行材料或零件壽命評價(jià)。本發(fā)明為滿足零件使用壽命并達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)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(yōu)先權(quán)日2009年11月18日發(fā)明者馮金芝,盧曦,鄭松林申請人:上海理工大學(xué)