高固疲勞裂紋監(jiān)測(cè)

1、 高固疲勞裂紋監(jiān)測(cè) 研機(jī)械2012 鄭陽(yáng) 高固疲勞裂紋監(jiān)測(cè) 疲勞就是材料在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變作用下，在一處或幾處產(chǎn)生永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程，對(duì)于礦山、冶金、動(dòng)力、運(yùn)輸機(jī)械以及航空航天飛行器等，疲勞失效是其零件或構(gòu)件的主要失效形式。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在各種機(jī)械的斷裂事故中，大約有80%是由于疲勞失效引起的。因此對(duì)于承受交變應(yīng)力的設(shè)備，疲勞分析在設(shè)計(jì)中占有重要的地位。零件、構(gòu)件以至設(shè)備的壽命?？煽啃缘瘸蔀閲?guó)內(nèi)外市場(chǎng)上產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的重要指標(biāo)，疲勞壽命即材料或構(gòu)件疲勞失效時(shí)所經(jīng)受的規(guī)定應(yīng)力或應(yīng)變的循環(huán)次數(shù)，是設(shè)計(jì)人員和工程技術(shù)人員十分關(guān)注的課題，也是與廣大用戶切身相關(guān)的問

2、題。然而，在復(fù)雜疲勞載荷作用下的疲勞壽命計(jì)算又是一個(gè)十分困難的問題。因?yàn)橐?jì)算疲勞壽命，必須有精確的載荷譜，材料特性或構(gòu)件的S-N曲線，合適的累積損傷理論，合適的裂紋擴(kuò)展理論等，同時(shí)還要把一些影響疲勞壽命的主要因素考慮進(jìn)去，要做到這點(diǎn)，目前還十分困難。因此，目前國(guó)內(nèi)外的疲勞壽命計(jì)算，都還沒有十分精確的方法，本文就目前的疲勞壽命計(jì)算方法做一簡(jiǎn)單總結(jié)與展望。1、疲勞壽命分析方法疲勞破壞過程大致經(jīng)歷著四個(gè)時(shí)期，即疲勞成核期，微觀裂紋增長(zhǎng)期，宏觀裂紋擴(kuò)展期以及最后斷裂期，在工程實(shí)踐中，又常常把這四個(gè)時(shí)期綜合為兩個(gè)階段，也就是疲勞裂紋形成階段和疲勞裂紋擴(kuò)展階段，裂紋形成階段包括疲勞成核期和微觀裂紋增長(zhǎng)期

3、，疲勞裂紋擴(kuò)展階段包括宏觀裂紋擴(kuò)展階段和最后斷裂階段，相應(yīng)地將疲勞壽命劃分為疲勞裂紋形成壽命和疲勞裂紋擴(kuò)展壽命兩部分，對(duì)于低周疲勞，裂紋形成早，無裂紋壽命短，疲勞的總壽命近似等于裂紋擴(kuò)展壽命，所以在低周疲勞設(shè)計(jì)中，主要考慮裂紋擴(kuò)展壽命，但在高周疲勞中，一般情況下，無裂占有很大比例，所以在高周疲勞設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)兼顧無裂紋壽命和裂紋擴(kuò)展壽命。2、裂紋形成壽命預(yù)測(cè)方法（1）名義應(yīng)力法名義應(yīng)力法實(shí)際上是一個(gè)傳統(tǒng)的安全疲勞壽命估算法，該方法認(rèn)為，對(duì)任一構(gòu)件或結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)或元件，只要應(yīng)力集中系數(shù)相同，載荷譜相同，它們的壽命就相同，此法中的控制參數(shù)為名義應(yīng)力，所謂名義應(yīng)力，就是指缺口試樣或要計(jì)算的結(jié)構(gòu)元件的載荷，被

4、試樣的凈面積所除得到的應(yīng)力值，也就是該面積上平均分布的應(yīng)力值，一般地說!構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的實(shí)際破壞!往往是從結(jié)構(gòu)內(nèi)部或表面具有應(yīng)力集中的缺陷部位開始的，從理論上講!應(yīng)該用缺陷部位的局部應(yīng)力來進(jìn)行結(jié)構(gòu)的疲勞壽命估算，但是這樣做有較大的實(shí)際困難，因?yàn)槿毕萃请S機(jī)分布的，缺陷的尺寸和部位對(duì)各種結(jié)構(gòu)也是變化的，再加上殘余應(yīng)力的作用!使問題變得十分復(fù)雜，在做損傷計(jì)算和壽命預(yù)計(jì)時(shí)，不可能對(duì)每一缺陷部位的應(yīng)力或應(yīng)變水平都進(jìn)行理論分析和實(shí)際測(cè)量，因此，常采用名義應(yīng)力法去估算疲勞壽命，名義應(yīng)力法估算疲勞壽命的步驟為，根據(jù)應(yīng)力測(cè)量，應(yīng)力分析的結(jié)果!綜合考慮缺口附近的應(yīng)力，應(yīng)力集中大小或應(yīng)力集中系數(shù)來確定結(jié)構(gòu)中的危險(xiǎn)部

5、位，或者參考以往的經(jīng)驗(yàn)，使用中破壞情況的統(tǒng)計(jì)資料來確定結(jié)構(gòu)中的危險(xiǎn)部位或薄弱環(huán)節(jié)，根據(jù)規(guī)范或?qū)崪y(cè)得到疲勞載荷譜，然后依據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法將載荷譜轉(zhuǎn)換為試驗(yàn)應(yīng)力譜，建立對(duì)應(yīng)于各應(yīng)力譜的S-N-曲線,選取合適的累積損傷理論,選取疲勞壽命的分散系數(shù),該方法由于沒有考慮缺口根部的局部塑性，且標(biāo)準(zhǔn)試件和結(jié)構(gòu)件之間的等效關(guān)系的確定比較困難，所以預(yù)測(cè)壽命與實(shí)際壽命有較大出入,同時(shí),獲取不同應(yīng)力比, 和不同的應(yīng)力集中因子下的S-N曲線需要花費(fèi)大量的人力和物力。因此，名義應(yīng)力法的應(yīng)用受到了一定的限制，在名義應(yīng)力的發(fā)展中，出現(xiàn)了應(yīng)力嚴(yán)重系數(shù)法（SSF），有效應(yīng)力法和額定系數(shù)法（DRF）等。（2）局部應(yīng)變法局部應(yīng)變法把

6、疲勞壽命的估算建立在最危險(xiǎn)的切口或其它應(yīng)力集中部位的應(yīng)力和應(yīng)變的局部估算上，局部應(yīng)變法估算疲勞壽命的步驟為，從分析載荷的最大峰值開始，根據(jù)載荷-應(yīng)變標(biāo)定曲線和循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，計(jì)算初始的缺口應(yīng)力和應(yīng)變，根據(jù)公式計(jì)算相應(yīng)后面加載歷史的缺口應(yīng)力和應(yīng)變，對(duì)每一閉合的應(yīng)力-應(yīng)變遲滯回線，用公式計(jì)算相應(yīng)的循環(huán)壽命。對(duì)整個(gè)加載歷史進(jìn)行累積計(jì)算總的壽命，用局部應(yīng)變法估算疲勞壽命的目的。就是用分析的方法代替各種試驗(yàn)程序!減少試驗(yàn)工作量，節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)用，而且由于這種方法處理了復(fù)雜的幾何形狀和不規(guī)則的循環(huán)載荷歷史，考慮了局部地區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，因此能得到較準(zhǔn)確的疲勞壽命估算。（3）局部應(yīng)力-應(yīng)變法 決定構(gòu)件疲勞強(qiáng)

7、度和壽命的是應(yīng)變集中處的最大局部應(yīng)力和應(yīng)變!因此!近代在應(yīng)變分析和低周疲勞的基礎(chǔ)上，提出了一種新的疲勞壽命估算方法局部應(yīng)力-應(yīng)變法，該方法假定，如果一個(gè)構(gòu)件在危險(xiǎn)部位處的應(yīng)力和應(yīng)變能夠與實(shí)驗(yàn)室光滑試樣的循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變聯(lián)系起來，那么構(gòu)件的疲勞裂紋形成壽命將和試樣的疲勞壽命是相同的，此法中的控制參數(shù)是局部應(yīng)力-應(yīng)變，其思路是，構(gòu)件的疲勞破壞，都是從應(yīng)變集中部位的最大應(yīng)變處開始!并且在裂紋萌生以前都要產(chǎn)生一定的塑性變形，局部塑性變形是疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的先決條件，因此，決定構(gòu)件疲勞強(qiáng)度和壽命的是應(yīng)變集中處的最大局部應(yīng)力和應(yīng)變，只要最大局部應(yīng)力應(yīng)變相同，疲勞壽命就相同，因而有應(yīng)力集中構(gòu)件的疲勞壽命!可

8、以使用局部應(yīng)力應(yīng)變相同的光滑試樣的應(yīng)變-壽命曲線進(jìn)行計(jì)算，也可使用局部應(yīng)力-應(yīng)變相同的光滑試樣進(jìn)行疲勞試驗(yàn)來模擬。 局部應(yīng)力-應(yīng)變法估算疲勞壽命的步驟：(1)輸入一系列現(xiàn)場(chǎng)載荷或名義應(yīng)變；(2)利用循環(huán)載荷-應(yīng)變曲線將載荷-時(shí)間歷程轉(zhuǎn)換為應(yīng)變-時(shí)間歷程；(3)把應(yīng)變-時(shí)間歷程轉(zhuǎn)換為應(yīng)力-時(shí)間歷程；(4)利用Neuber公式將名義應(yīng)力轉(zhuǎn)換為缺口根部的應(yīng)力應(yīng)變；(5)利用線性累積損傷理論估算出疲勞壽命。 局部應(yīng)力-應(yīng)變法是壽命估算較好的方法之一。應(yīng)用比較多。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于，應(yīng)變是可以測(cè)量的，而且應(yīng)變是一個(gè)與低周疲勞相關(guān)的極好參數(shù)，該方法只需知道應(yīng)變集中部位的應(yīng)力-應(yīng)變和基本測(cè)量應(yīng)變疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)

9、，就可以估算零件的裂紋形成壽命，避免了大量的疲勞試驗(yàn)?？梢钥紤]應(yīng)力順序的影響，特別適用于隨機(jī)載荷下的壽命估算。易于和計(jì)數(shù)法結(jié)合起，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算，局部應(yīng)力應(yīng)變法是在缺口應(yīng)變分析和低周疲勞基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種疲勞壽命估算方法!特別適用于低周疲勞，推廣應(yīng)用于高周疲勞時(shí)，由于它沒有考慮表面加工和尺寸等因素的影響，這些因素對(duì)低周疲勞無影響，而對(duì)高周疲勞的影響則是不可忽視的，就存在一些明顯的不足，趙少汴教授對(duì)此做過深入研究。對(duì)于復(fù)雜載荷歷史下疲勞壽命的估算，提出了三種簡(jiǎn)化的局部應(yīng)力-應(yīng)變法Neuber缺口分析法!載荷缺口應(yīng)變法和基于應(yīng)變的分析法。 3、裂紋監(jiān)測(cè)的實(shí)例 船舶和海洋結(jié)構(gòu)物在建造時(shí)總

10、是不可避免的存在一定的缺陷,并且隨著使用年限的增長(zhǎng),構(gòu)件出現(xiàn)疲勞裂紋的幾率也增大。許多船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的事故就是由于構(gòu)件出現(xiàn)疲勞裂紋并發(fā)生擴(kuò)展最后導(dǎo)致斷裂破壞的。目前金屬的疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性很大,一方面與所在環(huán)境的條件不同有關(guān)系,另一方面參與實(shí)驗(yàn)的不同試件的材料特性的差異也是一個(gè)相當(dāng)重要的因素,很多試件由于金屬加工之初就含有較多的細(xì)小缺陷,因此,裂紋的初始狀態(tài)是一個(gè)高度隨機(jī)的現(xiàn)象。也正是由于這一現(xiàn)象的普遍性使得很多的疲勞裂紋擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有很大的離散性。除了疲勞裂紋擴(kuò)展數(shù)據(jù)的離散性很大之外,獲得疲勞擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)也是比較困難的,這與疲勞裂紋擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)比較昂貴有關(guān)?？v然可以得到這樣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

11、,這些數(shù)據(jù)是否很好地覆蓋了疲勞裂紋擴(kuò)展的全過程也是一個(gè)問題,因?yàn)橥蟛糠值臄?shù)據(jù)是集中在穩(wěn)定擴(kuò)展的區(qū)域的,疲勞裂紋擴(kuò)展的門檻區(qū)域初期和最后的不穩(wěn)定失效區(qū)域難以獲得。由于以上的原因,采用有限元方法來模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有很大的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。3.1有限元疲勞分析的軟件利用3.2FRANCE 2D /L 簡(jiǎn)介FRANCE 2D /L是一個(gè)專門用來進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展計(jì)算分析的計(jì)算器,它的前期工作(建模、加邊界和載荷)是由一個(gè)叫做CASCA的簡(jiǎn)單的建模軟件構(gòu)成的。然而, CASCA 并不是唯一的前期軟件,FRANCE2D /L具有和PATRAN、ANSYS等有限元軟件的轉(zhuǎn)化接口,提供了先使用這些強(qiáng)大的有限元建模軟件

12、進(jìn)行前處理,再導(dǎo)入到FRANCE里面進(jìn)行計(jì)算的可能性。圖1表示了在FRANCE 2D /L中對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的處理方法。這種方法是由前處理( Pre -p rocess)開始的,在前處理中規(guī)定了研究對(duì)象的幾何結(jié)構(gòu)性質(zhì)、網(wǎng)格劃分、材料特征以及邊界條件。前處理的輸出由圖中的Ri來表示,在FRANCE 2D /L中這種結(jié)果是以一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫(kù)形式來存放的,數(shù)據(jù)庫(kù)包含了供后期分析所用的所有必要信息。 圖1FRANCE 2D /L對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的處理方法在圖1中的AnalysisModel Generation (分析模型的創(chuàng)建)階段中,數(shù)據(jù)庫(kù)中原本的信息被提取出來并且處理成為供分析階段采用的更加有效

13、的形式。該階段包含諸如以下的幾個(gè)步驟:從數(shù)據(jù)庫(kù)中建立節(jié)點(diǎn)和與之相關(guān)的連接列表,優(yōu)化編號(hào)以減少剛度矩陣的計(jì)算復(fù)雜性,以及為Solution Procedure(求解)階段初始化所有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。Solution Procedure (求解)階段是用來定義邊界條件以滿足方程求解的,同時(shí)又在分析求解中控制裂紋參數(shù),在滿足裂紋擴(kuò)展條件的時(shí)候初始化裂紋擴(kuò)展進(jìn)程。Solution Procedure (求解)階段的輸出是ResultTransfer (結(jié)果轉(zhuǎn)化)階段,用來將求解階段的結(jié)果轉(zhuǎn)化成供Post - p rocess (后處理)階段和裂紋擴(kuò)展模型使用的表達(dá)形式。FRANCE 2D /L中疲勞裂紋擴(kuò)展

14、方法最后一步、也是最為核心的一步是建立裂紋擴(kuò)展模型(CrackGrowthModel) 。3.3用FRANCE 2D /L模擬裂紋擴(kuò)展的例子本例采用FRANCE 2D /L 模擬計(jì)算中央有圓孔的有限寬平板受到平行于平板的拉力作用下的裂紋擴(kuò)展,最終與實(shí)際的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。模擬情況與材料參數(shù)如圖2所示。 圖2拉力作用下的裂紋擴(kuò)展因?yàn)楸纠哂袑?duì)稱性,所以在建模的時(shí)候只需要建立一半的模型就可以了,最終的網(wǎng)格采用T6單元形式。在CASCA中建完的模型如圖3所示。 圖3有限寬平板模型又由于對(duì)稱性,在FRANCE 2D /L 中加入如圖4所示的邊界條件, X和Y分別表示在X方向和Y方向有零位移。 圖4拉力

15、作用下的邊界條件加上載荷之后的模擬變形(未加入初始裂紋點(diǎn))如圖5所示,其中圖5 ( a)表示位移上的變形,圖5 ( b)是Y方向的應(yīng)力圖。 圖5模擬拉力作用變形在應(yīng)力最大的點(diǎn)上加上裂紋的初始形態(tài),見圖6,其中圖6 ( a)是最大應(yīng)力點(diǎn)的位置,圖6 ( b)是加入了初始裂紋之后的網(wǎng)格重新劃分情況。 圖6在應(yīng)力最大的點(diǎn)上加上裂紋的初始形態(tài) 在載荷的作用下,設(shè)置相應(yīng)的裂紋擴(kuò)展步長(zhǎng)之后,裂紋的擴(kuò)展位移如圖7所示。FRANCE 2D /L 同時(shí)給出強(qiáng)度因子K與裂紋長(zhǎng)度a 的關(guān)系如圖8 所示, 同時(shí)圖8 又給出了FRANCE 2D /L 的模擬值與手冊(cè)中的實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較,可以看出, FRANCE 2D

16、 /L 具有良好的模擬功能。 圖7裂紋的擴(kuò)展 圖8強(qiáng)度因子與裂紋長(zhǎng)度的關(guān)系4、結(jié)論構(gòu)件的疲勞是個(gè)復(fù)雜的過程，受多種因素的影響，要精確地預(yù)估構(gòu)件的疲勞壽命，需要選擇合適的模型，這就需要宏觀力學(xué)方面的研究，包括疲勞裂紋發(fā)生發(fā)展直至破壞的機(jī)理，還需要微觀力學(xué)方面的研究包括位錯(cuò)理論等，此外，還涉及到金屬材料科學(xué)、材料力學(xué)、振動(dòng)力學(xué)、疲勞理論、斷裂力學(xué)和計(jì)算方法等多門學(xué)科。只有更深刻地認(rèn)識(shí)了疲勞破壞的機(jī)理，將宏觀和微觀研究結(jié)合起來，才能更精確地預(yù)測(cè)壽命，總結(jié)疲勞壽命預(yù)測(cè)的各種理論與方法，目前存在的問題及發(fā)展趨勢(shì)如下：（1） 預(yù)測(cè)疲勞裂紋形成壽命的方法很多，但仍有很多問題需要不斷深入探討"比如選擇何種損傷理論更符合實(shí)際情況，如何深入了解疲勞裂紋形成階段的損傷機(jī)理等。目前在疲勞裂紋形成壽命預(yù)測(cè)方法之