平穩(wěn)隨機(jī)載荷歷程下的疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律預(yù)測

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1、航空學(xué)報ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaSep．252014V01．35No．92500．2505ISSN1000—6893CN11—1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu．CRhkxb@buaa．edu．cn平穩(wěn)隨機(jī)載荷歷程下的疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律預(yù)測白鑫，謝里陽*東北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院現(xiàn)代設(shè)計與分析研究所，遼寧沈陽110819摘要：工程中多數(shù)裂紋構(gòu)件的受載是隨機(jī)的，為了更合理、更準(zhǔn)確地預(yù)測出服役裂紋構(gòu)件的剩余壽命，針對裂紋構(gòu)件承受平穩(wěn)隨機(jī)載荷且載荷歷程的具體特征、載荷水平及載荷作用頻度未知的情況，提出了一種

2、預(yù)測疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的新方法。該方法根據(jù)一段時間對裂紋擴(kuò)展情況的跟蹤觀測，推斷裂紋擴(kuò)展規(guī)律，實(shí)現(xiàn)疲勞裂紋擴(kuò)展剩余壽命預(yù)測。根據(jù)應(yīng)力大小與載荷作用頻度是否均已知，將該方法分為兩階段觀測法與單階段觀測法。結(jié)合一個具體的工程案例，詳細(xì)闡述了該方法的應(yīng)用，且驗(yàn)證了其可行性。所提出的方法應(yīng)用方便、操作簡單，可作為工程中預(yù)測疲勞裂紋剩余壽命的一種依據(jù)。關(guān)鍵詞：疲勞；裂紋擴(kuò)展；剩余壽命；壽命預(yù)測；平穩(wěn)隨機(jī)載荷中圖分類號：V19；THl22文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1000—6893(2014)09—2500—06結(jié)構(gòu)部件服役過程中，可能會由于各種各樣的原因產(chǎn)生裂紋并逐漸擴(kuò)展，甚

3、至發(fā)生斷裂失效。多數(shù)服役結(jié)構(gòu)承受循環(huán)載荷作用[1]，因而疲勞失效是其主要失效形式之一。大部分載荷譜經(jīng)簡化后，都比較接近恒幅載荷譜，平穩(wěn)隨機(jī)載荷歷程更是如此[2。3]。正確、合理地估算裂紋構(gòu)件的疲勞壽命，對保證結(jié)構(gòu)安全有至關(guān)重要的作用[4]。不論裂紋構(gòu)件受變幅載荷還是恒幅載荷，估算其有效應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值A(chǔ)K?！癧5母1都是預(yù)測疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的關(guān)鍵步驟。工程中具有載荷譜或詳細(xì)載荷歷程的構(gòu)件并不多，即有效應(yīng)力幅值A(chǔ)a鮒不易確定。為此，許多研究人員嘗試了多種方法來模擬載荷譜。美國航空航天局(NASA)根據(jù)統(tǒng)計載荷歷程信息開發(fā)了軸向疲勞試驗(yàn)機(jī)，用來模擬隨機(jī)載荷[10]；

4、Arone[1婦提出了平穩(wěn)隨機(jī)載荷歷程下的疲勞裂紋生長模型。近年來，研究人員開始使用可靠性理論來研究不確定受載條件下的裂紋擴(kuò)展。San—kararaman等[12]通過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，提出了一個概率模型來量化不確定性的疲勞裂紋生長，并闡述了模型的驗(yàn)證方法。Zdrate等[1胡建立了載荷循環(huán)數(shù)的函數(shù)，提出了一種更新的貝葉斯模型來更新和預(yù)測裂紋長度。以上方法都是由隨機(jī)模型來描述隨機(jī)載荷下的疲勞裂紋擴(kuò)展。然而，建立一個能精確模擬隨機(jī)載荷的模型較困難n“。為此，本文提出了一種新的疲勞壽命預(yù)測方法，即當(dāng)只知裂紋構(gòu)件受平穩(wěn)隨機(jī)載荷的情況下，通過一段時間對裂紋擴(kuò)展情況的跟蹤觀測來

5、確認(rèn)裂紋擴(kuò)展規(guī)律、預(yù)測剩余壽命，且通過算例驗(yàn)證了該方法的可行性與方便性。收稿日期：2013—11—08；退修El期：2014．04·09；錄用El期：2014-05-09；網(wǎng)絡(luò)出版時間：2014—06—0620：11網(wǎng)絡(luò)出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／10．7527／$1000-6893．2014．0099．htmI基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(51335003，51175072)*通訊作者．Tel．：024-83673915E．mail：lyxie@me．r)eu．edu．cn警l用格式IBaiX，XieLY．Fatiguecrackg

6、rowthlawpredictionbasedonsteadyrandomload[JJ．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2014．35(9)：2500-2505．白鑫，謝里陽．平穩(wěn)隨機(jī)載荷壢程下的疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律預(yù)測[JI．航空學(xué)報。2014．35(9)：2500．2505．白鑫等：平穩(wěn)隨機(jī)載荷歷程下的疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律預(yù)測1裂紋擴(kuò)展速率裂紋擴(kuò)展速率是工程構(gòu)件損傷容限分析的重要依據(jù)‘15]，Paris公式[16-171作為疲勞裂紋擴(kuò)展速率的近似式，其一般形式為—d—a—CAKm(1)dN、‘7式中：da／dN為裂紋擴(kuò)展速率

7、；C和m為Paris材料常數(shù)；AK為應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值，其計算公式為AK—AaF石i(2)式中：幻為應(yīng)力幅值；F為裂紋形狀系數(shù)；a為裂紋長度。裂紋擴(kuò)展速率公式經(jīng)計算后可獲得裂紋長度a與載荷循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系曲線——口一N曲線。通過裂紋擴(kuò)展速率公式計算裂紋擴(kuò)展增量[1引，即可繪制出試驗(yàn)構(gòu)件在不同初始裂紋、不同載荷下的a—N曲線?！?口i+泰×1(3)式中：a：和a川為第i次和第i+1次載荷循環(huán)后的裂紋長度。2預(yù)測疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的逐步觀測法該方法根據(jù)一段時間對裂紋擴(kuò)展情況的跟蹤觀測，推斷裂紋擴(kuò)展規(guī)律，實(shí)現(xiàn)疲勞裂紋擴(kuò)展剩余壽命預(yù)測。2．1裂紋擴(kuò)展量觀測法跟據(jù)應(yīng)力大小與載

8、荷作用頻度是否均已知，將