金屬材料疲勞性能的數(shù)值模擬

金屬材料疲勞性能的數(shù)值模擬摘要:金屬廣泛地用于生產(chǎn)生活中，所以金屬的疲勞也漸漸被人們關(guān)注。采用有限元軟件(Fatigue)對金屬材料在不同軸向載荷條件下進(jìn)行疲勞性能模擬并進(jìn)行了分析，分析表明，交變應(yīng)力的應(yīng)力幅值一定時(shí)，疲勞壽命隨著平均應(yīng)力的增大而減小，且拉應(yīng)力更容易產(chǎn)生疲勞破壞;在交變載荷平均應(yīng)力一定的情況下，隨著應(yīng)力幅值的增加,疲勞壽命逐漸減小。關(guān)鍵詞:金屬材料;疲勞性能;數(shù)值模擬隨著人們生活水平的日益提高，金屬也越來越廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)，因而金屬的疲勞性能也越來越被人們關(guān)注。什么是金屬的疲勞?這里引用美國試驗(yàn)與材料協(xié)會(ASTM)在“疲勞試驗(yàn)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析之有關(guān)術(shù)語的標(biāo)準(zhǔn)定義”(ASTME206-72)中所作的定義:在某點(diǎn)或某些點(diǎn)承受擾動應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發(fā)生的局部的、永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過程，稱為疲勞。［1］現(xiàn)在的疲勞試驗(yàn)主要是實(shí)驗(yàn)?zāi)M，由于疲勞試驗(yàn)的成本比較高，有限元數(shù)值模擬方法則提供了一種計(jì)算材料疲勞的新方法。金屬材料在使用過程中受到的交變載荷稱為疲勞載荷,把相應(yīng)的應(yīng)力稱為疲勞應(yīng)力，而把載荷和應(yīng)力隨時(shí)間變化的歷程分別稱為載荷譜和應(yīng)力譜。當(dāng)載荷譜或應(yīng)力譜的幅值和頻率都不變時(shí)稱為常幅加載。［2］本文中討論的情況均屬于這種情況。與靜力破壞相比，疲勞破壞的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn):①時(shí)效性。靜力破壞是一次性承受最大載荷的破壞，歷時(shí)較短;疲勞破壞是承受多次反復(fù)載荷作用而產(chǎn)生的破壞，它的發(fā)生需要經(jīng)歷一個(gè)相當(dāng)長的時(shí)期。②應(yīng)力大小。當(dāng)靜載拉伸(壓縮)時(shí)靜應(yīng)力小于屈服極限或強(qiáng)度極限時(shí),靜力破壞不會發(fā)生;而當(dāng)交變應(yīng)力小于強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí),疲勞破壞就可能發(fā)生。③破壞形式。金屬結(jié)構(gòu)的靜力破壞取決于材料本身;但無論是脆性材料還是塑性材料,它們的疲勞破壞均屬于無顯著變形的脆性破壞。④斷面特征。靜力破壞構(gòu)件的斷面通常只呈現(xiàn)粗粒狀或纖維狀特征;而疲勞破壞構(gòu)件的斷面，總是呈現(xiàn)出兩個(gè)區(qū)域特征，一部分是平滑的,另一部分是粗粒狀或纖維狀。⑤影響因素。靜力破壞的抗力主要取決于材料本身;而疲勞破壞與材料的微觀結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的形狀和尺寸、表面狀況、使用條件以及外界環(huán)境都有關(guān)系。因此，對于同一種材料，靜力性能數(shù)據(jù)比較集中，而疲勞數(shù)據(jù)具有相當(dāng)?shù)姆稚⑿?需要利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)知識進(jìn)行分析。1尺寸及模擬參數(shù)模擬采用厚度為5mm,寬度為10mm板狀試樣，見圖1。其基本力學(xué)性能見表1。在模擬過程中，考慮了以下兩個(gè)方面:①交變應(yīng)力的應(yīng)力幅值一定,循環(huán)應(yīng)力的平均應(yīng)力分別為-40MPa、-20MPa、0、20MPa、40MPa時(shí)存活率為50%的疲勞壽命;②平均應(yīng)力一定，應(yīng)力幅值分別為100MPa、110MPa、120MPa、130MPa、140MPa、150MPa、160MPa時(shí)存活率為50%的疲勞壽命。本文根據(jù)對稱關(guān)系，取1/4模型建模，見圖2。材料的疲勞曲線（S-N曲線）是通過Fatigue軟件根據(jù)材料抗拉強(qiáng)度生成的。表1試樣的力學(xué)性能I模談'＞旅“5名義抗拉狽度/MFa1jb/1jkf<jkf206000□NEf603.50內(nèi) >|3 '1J_■..11Jirtnj1=1IV—?T11W1NW■STS1試樣尺寸圖（imn）圖2模擬圖2模擬結(jié)果與討論當(dāng)交變載荷的平均應(yīng)力不為零時(shí)，在計(jì)算的過程中要用到Goodman修正或者Gerber修正,此處采用Goodman修正的方法，當(dāng)平均應(yīng)力為零時(shí)，則不采用任何方法修正。圖3為應(yīng)力幅140MPa，拉應(yīng)力120MPa，壓應(yīng)力160MPa,平均應(yīng)力-20MPa,存活率為50%的疲勞壽命分布云圖。其他情況的疲勞壽命見表2、表3。應(yīng)力幅/MPa100110X120130140150160疲勞舟命/廳次7849.fi24.11^511.55.944.37表2表2應(yīng)力幅為140MPa的疲勞壽命——'■■■3EUI\illi平繃巔力審應(yīng)丿"陋Pa?>壓應(yīng)力/MPa疲勞壽命/萬次1-40T|J100"N21.7-20120160170[40140H.5201601207.61401^0曲J...:5-69表3平均應(yīng)力為零前疫勞壽滯由表2可得平均應(yīng)力與疲勞壽命的關(guān)系圖，見圖4。從圖中我們可以看出，交變應(yīng)力的應(yīng)力幅值一定時(shí)，疲勞壽命隨著平均應(yīng)力的增大而減小。也可以看出，金屬材料受到交變載荷作用時(shí)，拉應(yīng)力和壓應(yīng)力對疲勞的影響是不同的，若交變載荷的拉應(yīng)力大于壓應(yīng)力，則會對材料的壽命產(chǎn)生不利的影響，從而拉應(yīng)力更容易產(chǎn)生疲勞。一般情況下，材料在受到拉應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生裂紋,受到壓應(yīng)力時(shí)會產(chǎn)生阻礙裂紋擴(kuò)展的效應(yīng)甚至裂紋閉合效應(yīng)，所以，在正常使用時(shí)，盡量使材料減少受到這種載荷的影響。圖3疲勞壽命分布云圖STUDA.NETIISTUDA.NETIIy汎沖叩I1吊丄吋卜小斗P67-!or.l.biiUT-lWWW^STOPA..Mn1/L' q岡圖3疲勞卷命分布云離由表3可得應(yīng)力幅值與疲勞壽命的關(guān)系圖，見圖5。由圖中可以看出，在交變載荷平均應(yīng)力一定的情況下,隨著應(yīng)力幅值的增加，疲勞壽命逐漸減小。減小的速度與應(yīng)力幅值的大小有一定的關(guān)系，當(dāng)應(yīng)力幅值大于120MPa時(shí)，減小的速度增加，若疲勞壽命為一次，則為靜力破壞,說明靜力破壞為疲勞破壞的極限狀態(tài)。

圖4平均應(yīng)力與疲勞次瀕的關(guān)系 圈5應(yīng)力幅與菠勞壽命的芙系3結(jié)論通過對金屬材料的數(shù)值模擬，我們可以得出以下結(jié)論:①交變應(yīng)力的應(yīng)力幅一定時(shí)，疲勞壽命隨著平均應(yīng)力的增大而減小,而且拉應(yīng)力更容易產(chǎn)生疲勞破壞;②在交變載荷平均應(yīng)力一定的情況下，隨著應(yīng)力幅值的增加,疲勞壽命逐漸減小。參考文獻(xiàn)1周傳月、