缺口结构寿命分散性与疲劳可靠性设计方法_张红顺.pdf

1482023 年 3 月下Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备缺口结构寿命分散性与疲劳可靠性设计方法张红顺，李潇，杨殿斌（长安大学工程机械学院，陕西 西安 710064）摘要：为保障航空发动机等关键部件的结构完整性与服役安全性能，实现从确定性到不确定性的可靠性设计尤为关键。传统基于安全系数的确定性寿命设计方法无法考虑到部件在制造加工以及实际服役过程中的多源不确定性因素，常常造成过于保守而无法有效发挥材料的潜力。基于此，本研究考虑缺口结构不确定性建立了一套通用的概率疲劳寿命预测模型，合理量化表征了缺口效应与不确定性对疲劳强度的影响。研究结果表明，缺口形状会对缺口拉伸试样拉伸的过程和结果产生影响，所提出的缺口结构的寿命预测模型和疲劳可靠性分析方法具有一定的可行性。关键词：可靠性设计；概率疲劳寿命；不确定性；缺口效应中图分类号：O346.2 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2023.06.0440 引言在实际服役环境下，铝合金因具有比强度高、比刚度大、铸造性能和塑性加工性能卓越等显著特性而被广泛应用于航空航天等工程领域1。随着机械结构件大型化、复杂化、多元化的发展趋势，以及为满足结构可靠性、轻量化的设计需求，在提高材料的设计许用应变/强度值的同时会带来一系列疲劳开裂失效问题，机械结构缺口部位局部应力集中更会加快疲劳断裂的进程2-3。结构件关键部位服役过程伴随着载荷和强度不确定以及材料缺陷的非均质等随机因素综合作用，这使得失效部位的疲劳寿命都具有明显的随机性4-5。因此，在对含缺口结构进行疲劳强度分析与完整性评估时，离不开合理量化表征缺口效应与不确定性对疲劳强度的影响6。含裂纹、缺口结构应力梯度较大，材料的力学行为复杂，给结构疲劳寿命预估的理论研究和试验验证提出了很多尚未解决的难题，所以在机组危险部位的设计阶段判断疲劳薄弱区域并建立可靠的结构疲劳寿命预测数学模型具有重要意义。现有大量研究认为疲劳寿命与外载荷等多源不确定性因素存在一定相关性，如何对疲劳寿命分散性进行量化分析及表征成为亟待解决的失效及概率寿命可靠性预测问题。因此，本研究以名义应力为基础，通过将其与对数正态分布修正后的Basquin公式相结合，提出了耦合分析缺口效应与不确定性的疲劳寿命预测模型，并利用铝合金2026-T3511缺口试样的疲劳试验数据进行模型验证。1 概率疲劳寿命预测模型1.1 标准缺口试样受力分析由于含裂纹结构试样相当于缺口半径为 0 的缺口试样，为了简化分析，故对含裂纹结构进行受力分析，如图1所示。从图 1 中可以看出，由于裂纹尖端处存在应力集中，在对含缺口/裂纹试样施加拉伸载荷时，会存在偏载现象。根据力的平移定理，施加在拉伸试样上的最大拉伸载荷Pmax的作用效果可以分为两部分：力和力矩，力所对应的应力为1，力矩所对应的应力为2。图1含裂纹结构受力分析 a=a0+afic （1）式中，a为裂纹长度，a0为初始裂纹，afic为虚拟裂纹长度。作者简介：张红顺（1996），男，陕西延安人，硕士研究生，研究方向为疲劳可靠性。2023 年 3 月下149Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备依据材料的连续性假设，拉伸载荷P平移后产生的力和力矩分别为：P=B0dB0W-a01dx=1B(W-a0)（2）内力矩：M0=2aficafic+2x2+2x2+cy23B （3）外力矩：M1=P(W2-W-a02)=Pa02 （4）根据力矩平衡理论，最终得到考虑缺口应力集中下的裂纹尖端名义应力为：n=Kt P(W+2a0+2afic)B(W-2a0+2afic)(W-a0)（5）1.2 概率疲劳寿命模型的建立目前，分析 S-N 曲线使用最多的方法即根据Basquin公式对曲线进行拟合7，即：a=Ee2=f(2Nf)b （6）式中，f为疲劳强度系数；b为疲劳强度指数；E为弹性模量。根据大量试验数据统计分析，Li Jing等8提出均质材料法对疲劳参数进行估算，得到f=1.67b，b=-0.05。将名义应力带入Basquin公式可得：Nf=121.67b(n-m)0.05 （7）考虑疲劳寿命数据的分散性，用分散性系数来表示，故考虑疲劳寿命分散性的寿命（96%可靠度）预测模型为：Nf=21.67b(n-m)0.05=(2)21.67b(n-m)0.05（8）、可以根据疲劳试验数据得到。2 仿真分析与验证2.1 缺口拉伸试验有限元仿真考虑到缺口形状会对缺口拉伸试样拉伸的过程和结果产生影响9，基于ABAQUS计算和仿真模拟平台，设计分析了U型、V型和C型三种不同缺口形状的平板缺口拉伸试样，如图2所示。将如表 1 所示的不同缺口试样 Mise 应力与 S22应力对比分析可知，标准缺口拉伸试样的缺口根部在应力应变响应过程中由于会产生形变，会呈现出不同的应力和应变状态，对于分析不同缺口试样的拉伸响应的影响结果也是不同的。图2缺口拉伸试样应力云图表1缺口试样Mise应力与S22应力对比缺口类型Mise应力/MPaS22应力/MPaU型1 300215V型1 126211C型8701152.2 缺口疲劳寿命预测模型验证为验证所提模型用于缺口件疲劳寿命预测的合理性和可行性，选用铝合金2026-T3511缺口试样的疲劳试验数据10进行模型验证，如图3所示。从图3中可以看出，疲劳试验数据处于96%可靠度预测带内，说明模型具有良好的预测效果。3 结论本研究考虑缺口结构不确定性建立了一套通用的概率疲劳寿命预测模型，合理量化表征了缺口效应与不确定性对疲劳强度的影响。研究结果表明，缺口形状会对缺口拉伸试样拉伸的过程和结果产生影响，所提出的缺口结构的寿命预测模型和疲劳可靠性分析方法具有一定的可行性。1502023 年 3 月下Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备104105106107350400450500550600 2026-T3511铝合金疲劳试验数据 50%可靠度 96%可靠度预测带应力水平/MPa疲劳寿命/N图32026-T3511缺口试样寿命试验值与预测带参考文献：1 邬华芝，高德平，郭海丁.概率疲劳破坏寿命特性研究综述J.湖北工学院学报，2002(4)：18-22.2 LAMBERT S,PAGNACCO E,KHALIJ L.A probabilistic model for the fatigue reliability of structures under random loadings with phase shift effectsJ.International Journal of Fatigue,2009,32(2):436-474.3 夏勇波，宋绪丁，万一品.随机载荷作用下的疲劳寿命估算J.南方农机，2019，50(11)：109+111.4 赵丙峰，廖鼎，朱顺鹏，等.机械结构概率疲劳寿命预测研究进展J.机械工程学报，2021，57(16)：173-184+197.5 ZHAO B,XIE L,SONG J,et al.Prediction of multiaxial fatigue life for complex three dimensional stress state considering effect of additional hardeningJ.Fatigue&Fracture of Engineering Materials&Structures,2019,42(11):156-159.6 LIAO D,ZHU S P,CORREIA J A F O,et al.Recent advances on notch effects in metal fatigue:A reviewJ.Fatigue&Fracture of Engineering Materials&Structures,2020,43(4):637-659.7 MURAKAMI Y.Metal fatigue:effects of small defects and nonmetallic inclusionsM.Elsevier,2002.8 LI J,LI C,QIAO Y,et al.Fatigue life prediction for some metallic materials under constant amplitude multiaxial loadingJ.International Journal of Fatigue,2014,68(5):10-23.9 LIAO D,ZHU S,CORREIA J A F O,et al.Computational framework for multiaxial fatigue life prediction of compressor discs considering notch effectsJ.Engineering Fracture Mechanics,2018,202(5):37-42.10 李东.应力集中因子和应力比对2026-T3511铝合金型材高周疲劳性能的影响J.轻合金加工技术，2021，49(8)：25-28.随着圆筒筛网倾角的增大，滚筛的筛分效率呈现先升高再降低的趋势，并且由于车身高度的限制与筛网直径的要求，滚筛倾斜角度的取值不能过大。所以滚筛的倾斜角度为20时筛分效率最高。2）对于回收沥青混合料（RAP），圆筒滚筛转速的增加会使筛分效率呈现先降低后升高，随后又下降的趋势。参考文献：1 孙晨.沥青路面以及水泥混凝土路面的再生利用技术探讨J.南方农机，2017，48(14)：79.2 张晓芳.浅谈矿粉在沥青混合料中的应用J.江西建材，2015(3)：2-3.3 王金生，王雷.基于滚筒结构的生活、工业垃圾渣土物料筛分机械设备设计方法J.中国新技术新产品，2018(1)：115-116.4 李宏宝.对间歇式沥青混合料搅拌设备振动筛的分析J.科技视界，2017(4)：240+251.5 赵利军，申岩，邓欣.基于EDEM的沥青混合料搅拌机叶片参数匹配J.郑州大学学报（工学版），2019，40(3)：79-84.6 范倩倩.小型煤粉制样装置技术方案研究及动力学特性分析D.太原：中北大学，2016.7 赵立武.浅谈沥青混合料搅拌设备振动筛的关键技术J.民营科技，2016(7)：194.8 贺朝霞，胡明建，杨龙飞.沥青搅拌设备多层振动筛分效率计算及影响规律研究J.噪声与振动控制，2018，38(3)：203-209.9 雷勇.热拌沥青混合料的筛分机理及试验研究D.武汉：武汉工程大学，2015.10 张路霞，王晓伟.基于AC-13C型沥青混合料的直线振动筛配筛分析J.濮阳职业技术学院学报，2014，27(6)：143-145.（上接第147页）