一种谱载荷下考虑磨损影响的微动疲劳寿命预测方法

摘要

本发明公开了一种谱载荷下考虑磨损影响的微动疲劳寿命预测方法，本发明以非线性连续累积损伤理论模型考虑谱载荷下的微动疲劳的非线性累积损伤过程；以基于能量法的Archard微动磨损模型判断材料是否被磨损；以在出现一个点的疲劳损伤达到破坏点时让循环继续下去直至出现和试验相同长度的裂纹这个方案来解决一个点的疲劳损伤无法判定整个构件寿命这个问题。本发明可以对谱载荷下的微动疲劳寿命、疲劳裂纹萌生和早期扩展进行有效预测，具有重要工程意义；同时为谱载荷下微动疲劳寿命预测方法建立良好的理论基础，对于实际构件的微动疲劳寿命预测可以提供有力的技术支持，具有重要的理论意义。

说明书

技术领域

本发明属于微动疲劳寿命预测仿真领域，具体涉及一种谱载荷下考虑磨损影响的微动疲劳寿命预测方法。

背景技术

微动是由夹紧结构部件之间的小尺度表面微滑移引起的一种接触损伤过程，这种微滑移一般在微米量级。微动损伤是工程中极为常见的一种损伤形式，它普遍的存在于航空航天动力装置、火车轮轨、桥梁拉锁、核电装置等紧密接触部件中。

微动疲劳是指接触表面的相对运动是由一接触体承受外界交变疲劳应力引起变形而产生的微动现象。例如在航空发动机中，叶片与轮盘之间的榫连接结构是一种典型的会发生微动疲劳现象的结构。相关研究表明：高达20％的航空发动机故障是由榫连接结构失效造成的，微动疲劳则是引起榫连接结构破坏的重要原因之一。因此，对于榫连接结构，如果不考虑其微动疲劳问题，必然会对航空发动机的正常使用造成巨大的安全隐患。

目前的微动疲劳寿命模型大多没有考虑到表面磨损对微动疲劳寿命的影响，大部分沿用了普通疲劳的寿命预测思路；实际上，大量微动疲劳试验结果表明当微动疲劳处于混合区和完全滑移区时表面磨损会严重影响接触表面的表面状况和应力应变分布，如何将“应力疲劳”和“表面损伤”这两个因素综合考虑进微动寿命预测模型中是近几年来微动疲劳研究的一个热点和难点。

疲劳损伤是材料在循环载荷作用下其性能不断劣化的过程，疲劳损伤过程包括微裂纹的形成、扩展及不同的应力或应变幅之间的相互作用等效应。根据疲劳损伤的这些特点人们提出了损伤累积理论。早期损伤力学方法在微动疲劳寿命预测领域应用相对较少，但近十年来该方法逐渐被研究人员证明该方法适用于微动疲劳寿命的预测。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种谱载荷下考虑磨损影响的微动疲劳寿命预测方法，以实现对相应微动构件谱载荷下的微动疲劳寿命进行有效预测。

技术方案：本发明所述的一种谱载荷下考虑磨损影响的微动疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：

(1)定义各个单元损伤参量D，并假设初始损伤参量D为0，表示初始未损伤状态；

(2)在ANSYS软件中建立Chaboche弹塑性各向同性损伤本构模型，表征损伤参量D和应力应变的关系；

(3)根据Chaboche非线性连续累积损伤模型和与塑性应变增量相关的非线性连续累积损伤模型计算损伤增量；

(4)利用Archard磨损模型进行表面磨损量的预测，基于能量耗散将接触表面接触力学所计算的结果和磨损量进行关联；

(5)根据步骤(3)和步骤(4)获得的单元损伤情况和表面磨损情况，随着载荷循环数的增加，当某一单元处于磨损区域中时，认为该单元磨损，将其单元刚度折减使其基本不传力但又能保证计算收敛，而该单元则不再参与疲劳损伤的计算；随着载荷循环数的进一步增加，如果单元达到疲劳损伤阈值D

进一步地，所述步骤(2)实现过程如下：

总应变ε

其中，ε

其中，s

考虑连续性条件对于塑性乘子λ有：

其中，Δp为累积等效塑性应变增量；对于Chaboche损伤本构的背应力α

其中，C

进一步地，所述步骤(3)实现过程如下：

Chaboche非线性连续累积损伤模型的单轴疲劳下的表达式为：

其中，N表示载荷循环数；σ

Chaboche非线性连续累积损伤模型的多轴疲劳下表达形式为：

该式通过将式(10)中指数α项中的σ

其中，σ

其中，σ

其中，σ′

将Chaboche非线性累积损伤模型中的损伤参量D记为D

为了考虑塑性应变随损伤的影响，考虑与塑性应变增量相关的非线性连续累积损伤模型，并将其损伤参量记为D

其中，

σ

其中，σ

对于D

dD＝Max(dD

即在一个循环内损伤增量取dD

进一步地，所述步骤(4)实现过程如下：

磨损量和累积耗散能有如下关系：

V＝K

其中，V为磨损体积，K

进一步地，在步骤(2)所述的Chaboche弹塑性各向同性损伤本构模型中，通过设置磨损单元的损伤参量D

有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：1、本发明可以对谱载荷下的微动疲劳寿命进行有效预测，具有重要的工程意义；2、本发明可以对谱载荷的微动疲劳裂纹萌生和早期扩展进行有效预测，具有重要工程意义；3、本发明可以为谱载荷下微动疲劳寿命预测方法建立良好的理论基础，对于实际构件的微动疲劳寿命预测可以提供有力的技术支持，具有重要的理论和工程意义。

附图说明

图1是本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

本发明提供一种谱载荷下考虑磨损影响的微动疲劳寿命预测方法，如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1，定义各个单元损伤参量D，并假设初始损伤参量D为0，表示初始未损伤状态。

步骤2，在ANSYS软件中建立Chaboche弹塑性各向同性损伤本构模型，表征损伤参量D和应力应变的关系。

在小变形假设下，总应变ε

其中，

其中，σ

其中，

其中，s

考虑连续性条件对于塑性乘子λ有：

式中，Δp为累积等效塑性应变增量。对于Chaboche损伤本构的背应力α

其中C

步骤3：根据Chaboche非线性连续累积损伤模型和与塑性应变增量相关的非线性连续累积损伤模型计算损伤增量。

首先考虑Chaboche非线性连续累积损伤模型，其单轴疲劳下的表达式为：

dD＝f(σ

该模型认为损伤参量演化和循环中最大应力和平均应力有关，该模型经过不断发展，可将式(9)变为如下具体的非线性疲劳损伤演化表达式：

式中，N表示载荷循环数；σ

M(σ

式中，M

式中，σ

式中，σ

σ

式中，b

Chaboche非线性连续累积损伤模型的多轴疲劳下表达形式为：

通过将式(10)中指数α项中的σ

式中，σ

式中，σ

式中，σ′

将Chaboche非线性连续累积损伤模型中的损伤参量D记为D

为了考虑塑性应变随损伤的影响，考虑与塑性应变增量相关的非线性连续累积损伤模型，并将其损伤参量记为D

其中，

σ

其中，σ

对于两种损伤参量D

dD＝Max(dD

即在一个循环内损伤增量取dD

步骤4：利用Archard磨损模型进行表面磨损量的预测，该模型基于能量耗散的思想将接触表面接触力学所算的结果和磨损量联系起来。并假设磨损量和累积耗散能有如下关系：

V＝K

式中，V为磨损体积，K

当裂纹扩展的深度达到预先设定的阈值时计算结束，本实施方式当裂纹扩展至2mm时计算结束，并且损伤阈值D

步骤5，根据步骤3、4获得的单元损伤情况和表面磨损情况，经过一定载荷循环数后，当磨损深度先达到单元厚度时本文认为该单元已经被磨损，将其单元刚度调整至一个合适的小值使其基本不传力但又能保证计算收敛，并且该单元不再参与疲劳损伤的计算；随着载荷循环数的进一步增加，如果单元达到疲劳损伤阈值D

在ANSYS中折减单元刚度最简单的方法是修改材料的弹性模量，通过计算N个循环后的接触表面的磨损深度分布，一旦发现该单元被磨损，那么就令该单元的损伤参量为D

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。