一種金屬材料疲勞曲線表征方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種金屬材料疲勞性能曲線表征方法，包括步驟一：確定金屬材料疲勞壽命的范圍、應(yīng)力集中情況下不同的應(yīng)力比R及確定金屬疲勞材料壽命的S?N曲線；步驟二：根據(jù)步驟一中得出S?N曲線，從中選取三組極限應(yīng)力S和循環(huán)次數(shù)N的值；步驟三：將步驟二中選取的三組數(shù)值帶入下式，并求得q、m、c的數(shù)值；步驟四：根據(jù)步驟三求得的q、m、c的數(shù)值確定步驟三中的函數(shù)，即為金屬材料疲勞性能曲線的表達(dá)式。本發(fā)明的一種金屬材料疲勞性能曲線表征方法能夠快速、比較精確地確定各種應(yīng)力循環(huán)情況對(duì)應(yīng)的壽命點(diǎn)數(shù)據(jù)，縮短結(jié)構(gòu)疲勞分析周期，降低工作繁瑣度。
【專利說明】
一種金屬材料疲勞曲線表征方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于航空結(jié)構(gòu)疲勞分析和試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種金屬材料疲勞曲線 表征方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 常用的金屬結(jié)構(gòu)中疲勞裂紋萌生壽命評(píng)估的方法是建立在完整、系統(tǒng)的S-N曲線 試驗(yàn)基礎(chǔ)上的，試驗(yàn)子樣數(shù)量和經(jīng)濟(jì)費(fèi)用巨大。一般情況下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析人員首先根據(jù)分 析部位的結(jié)構(gòu)特征和受載特點(diǎn)，確定應(yīng)力集中系數(shù)，對(duì)金屬材料的S-N曲線進(jìn)行處理，得到 該金屬材料同等應(yīng)力集中情況下的等壽命曲線圖譜，然后根據(jù)受載狀態(tài)下的應(yīng)力循環(huán)數(shù) 據(jù)，查找對(duì)應(yīng)的循環(huán)壽命，確定該應(yīng)力循環(huán)導(dǎo)致的損傷，隨后進(jìn)行損傷累計(jì)，當(dāng)總損傷達(dá)到 1. 〇時(shí)，認(rèn)為結(jié)構(gòu)疲勞失效，得到在設(shè)計(jì)使用載荷譜下的結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。
[0003] 目前金屬材料的S-N曲線確定是在應(yīng)力集中系數(shù)和應(yīng)力循環(huán)比確定的前提下，通 過對(duì)大量試樣測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，按照構(gòu)造的單條S-N數(shù)學(xué)模型，完成單條S-N曲線的表 征。
[0004] 基于等壽命圖譜的疲勞分析方法，需在S-N曲線表征的基礎(chǔ)上，按照應(yīng)力集中分類 情況，繪制各種應(yīng)力集中情況下的等壽命圖，疲勞分析時(shí)基于等壽命圖，采用線性插值方法 得到對(duì)應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)對(duì)應(yīng)的壽命循環(huán)數(shù)。
[0005] 金屬材料S-N曲線是結(jié)構(gòu)疲勞分析的基礎(chǔ)，S-N曲線數(shù)據(jù)依據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)，通過數(shù)理 統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行處理得到不同應(yīng)力集中系數(shù)、應(yīng)力比情況下的S-N曲線，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)， 需要將各種情況下的S-N曲線轉(zhuǎn)化為不同應(yīng)力集中情況下的等壽命曲線圖，然后根據(jù)具體 的結(jié)構(gòu)特征，對(duì)等壽命圖中的曲線數(shù)據(jù)點(diǎn)按照應(yīng)力集中度進(jìn)行插值，確定分析需要的標(biāo)準(zhǔn) 數(shù)據(jù)，該類分析方法對(duì)試驗(yàn)測(cè)試要求多，分析環(huán)節(jié)多，工作量大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種金屬材料疲勞曲線表征方法，解決目前的得到等壽命圖 方法中工作量大、分析環(huán)節(jié)多等問題。
[0007]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種金屬材料疲勞性能曲線表征方 法，包括
[0008] 步驟一:確定金屬材料疲勞壽命的范圍、應(yīng)力集中情況下不同的應(yīng)力比R及確定金 屬疲勞材料壽命的S-N曲線；
[0009] 步驟二:根據(jù)步驟一中得出S-N曲線，從中選取三組極限應(yīng)力S和循環(huán)次數(shù)N的值； [0010]步驟三:將步驟二中選取的三組數(shù)值帶入下式，并求得q、m、c的數(shù)值；
[0011] [(l-R)qSmax]mN=c
[0012] 步驟四：根據(jù)步驟三求得的q、m、c的數(shù)值確定步驟三中的函數(shù)，即為金屬材料疲勞 性能曲線的表達(dá)式；
[0013] 以上式中：R為應(yīng)力比，Smax為應(yīng)力循環(huán)最大值，Smin為應(yīng)力循環(huán)最小值，N為循環(huán)數(shù)， q、m和c為金屬材料常數(shù)。
[0014]進(jìn)一步地，所述金屬材料疲勞壽命的范圍為104至106之間，用于保證雙對(duì)數(shù)圖形為 直線。
[0015] 進(jìn)一步地，步驟一至步驟三中確定q、m、c的數(shù)值還可以采用基于給定的應(yīng)力集中 情況下的試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，利用最小二乘法計(jì)算得到。
[0016] 本發(fā)明的一種一種金屬材料疲勞性能曲線表征方法通過構(gòu)造新的S-N曲線表達(dá) 式，對(duì)現(xiàn)有的S-N曲線進(jìn)行進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理，得到每種應(yīng)力集中系數(shù)下一個(gè)綜合表達(dá)式，將 實(shí)際結(jié)構(gòu)疲勞分析需要的金屬材料輸入數(shù)據(jù)處理量降低80%以上，能夠快速、比較精確地 確定各種應(yīng)力循環(huán)情況對(duì)應(yīng)的壽命點(diǎn)數(shù)據(jù)，縮短結(jié)構(gòu)疲勞分析周期，降低工作繁瑣度。
【附圖說明】
[0017] 此處的附圖被并入說明書中并構(gòu)成本說明書的一部分，示出了符合本發(fā)明的實(shí)施 例，并與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。
[0018] 圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的某型鈦合金L向Kt = l時(shí)S-N曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 為使本發(fā)明實(shí)施的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中 的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行更加詳細(xì)的描述。在附圖中，自始至終相同或類 似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。所描述的實(shí)施例是本發(fā)明 一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例型的，旨在用 于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人 員在沒有作出創(chuàng)造型勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。下 面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0020] 在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)"中心"、"縱向"、"橫向"、"前"、"后"、 "左"、"右"、"豎直"、"水平"、"頂"、"底"、"內(nèi)"、"外"等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所 示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝 置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù) 范圍的限制。
[0021] 本發(fā)明的金屬材料疲勞性能曲線表征方法包括
[0022] 步驟一：以某型鈦合金L向Kt = l試樣的室溫高周疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果為例，選取了2 種應(yīng)力比:R = 〇.l和-0.5。修正的冪函數(shù)S-N曲線表達(dá)式為：
[0023] R = 0.1，lgN=24.733-6.9041g(S-144.7);
[0024] R = -〇 · 5，lgN=32 · 32-9 · 5631 lg(S-5 · 873);
[0025] 步驟二:從步驟一的S-N曲線表達(dá)式中計(jì)算不同應(yīng)力比下三組數(shù)據(jù)：
[0026] R = 〇 · 1，N= 1 X 105次，S = 866 · IMPa，
[0027] N=5X105 次，S = 716.1MPa，
[0028] ~=1父106次，5 = 661.510^;
[0029] R = -〇 · 5，N= 1 X 105次，S = 725 · IMPa，
[0030] N=5X105 次，S = 613.7MPAa，
[0031] ~=1父106次，5 = 571.210^;
[0032] 步驟三:將上面的各組數(shù)據(jù)代入下面新的S-N曲線表達(dá)式中[(l-R)qS max]mN=c，進(jìn) 行方程組求解，得到q、m、c的數(shù)值如下：
[0033] R = 〇 .1時(shí)，q = 〇. 2037, lgc = 31.858，m = 9.1765;
[0034] 1? = -0.5時(shí)4 = 0.2037，18。= 31.858，111 = 9.2659。
[0035] 由此可以看出，除m值外，q和c值均一致，m隨R不同而不同，因此需建立m和R的關(guān) 系。
[0036] 之后，建立m與R關(guān)系式
[0037] 通過線性插值，得到R = 0時(shí)的m值為9.1914,則令mQ = 9.1914,得到m與R的關(guān)系式 為：m = 9.1914-0.149R
[0038] 步驟四：建立新的S-N曲線表達(dá)式
[0039] lgN=31.858-(9.1914-0.149R)[0.20371g(l-R)+lgS]
[0040] 新建立的S-N曲線表達(dá)式與修正的冪函數(shù)表達(dá)式誤差對(duì)比見表1所示。
[0041 ] 表1兩種S-N曲線表達(dá)式誤差對(duì)比
[0042]
[0043] 從表1對(duì)比可以看出，新建立的S-N曲線表達(dá)式計(jì)算出的壽命誤差均在10%以內(nèi)， 能夠滿足工程需要。
[0044]同樣以1中的材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示
[0045]表2某型鈦合金高周疲勞性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)
[0047] 最后，采用最小二乘法擬合出S-N曲線，如圖1所示。
[0048] 通過擬合出的曲線，直接讀取幾組S和N數(shù)據(jù)，采用1中的步驟三至步驟五，同樣可 得到所要求得S-N曲線表達(dá)式。
[0049] 本發(fā)明的金屬材料疲勞性能曲線表征方法通過構(gòu)造新的S-N曲線表達(dá)式，對(duì)現(xiàn)有 的S-N曲線進(jìn)行進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理，得到每種應(yīng)力集中系數(shù)下一個(gè)綜合表達(dá)式，將實(shí)際結(jié)構(gòu)疲 勞分析需要的金屬材料輸入數(shù)據(jù)處理量降低80%以上，能夠快速、比較精確地確定各種應(yīng) 力循環(huán)情況對(duì)應(yīng)的壽命點(diǎn)數(shù)據(jù)，縮短結(jié)構(gòu)疲勞分析周期，降低工作繁瑣度。
[0050] 以上所述，僅為本發(fā)明的最優(yōu)【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護(hù)范 圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種金屬材料疲勞性能曲線表征方法，其特征在于，包括 步驟一:確定金屬材料疲勞壽命的范圍、應(yīng)力集中情況下不同的應(yīng)力比R及確定金屬疲 勞材料壽命的S-N曲線； 步驟二:根據(jù)步驟一中得出的S-N曲線，從中選取三組極限應(yīng)力S和循環(huán)次數(shù)N的值； 步驟三:將步驟二中選取的三組數(shù)值帶入下式，并求得q、m、c的數(shù)值[(1 -R) qSmax ] mN= c; 步驟四：根據(jù)步驟三求得的q、m、c的數(shù)值確定步驟三中的函數(shù)，即為金屬材料疲勞性能 曲線的表達(dá)式； 以上式中：R為應(yīng)力比，Smax為應(yīng)力循環(huán)最大值，Smin為應(yīng)力循環(huán)最小值，N為循環(huán)數(shù)，q、m 和c為金屬材料常數(shù)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬材料疲勞性能曲線表征方法，其特征在于，所述金屬材料 疲勞壽命的范圍為1〇4至1〇 6之間，用于保證雙對(duì)數(shù)圖形為直線。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬材料疲勞性能曲線表征方法，其特征在于，步驟一至步驟 三中確定q、m、c的數(shù)值還能夠采用基于給定的應(yīng)力集中情況下的試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，利用最小 二乘法計(jì)算得到。
【文檔編號(hào)】G01N3/32GK106092787SQ201610708100
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年8月23日
【發(fā)明人】王新波, 秦劍波, 王亞芳, 寧宇, 嚴(yán)紅
【申請(qǐng)人】中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司西安飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所