（化工过程机械专业论文）多轴非比例载荷下焊接接头的低周疲劳寿命研究.pdf

中文摘要1 本文对! ! ! g 缝! 旦至堡钮筮及其环向焊缝- 进行了一系歹4 多轴非比例循环加载 下的低周疲劳试验研究。( 试验结果表明：焊缝金属表现为循环软化，材料的强化和 载荷形式相关不同的材料在不同的载荷形式下表现出的强化不同，母材拉压循环 下的强化大于纯扭循环而焊缝金属反之，焊缝金属是试样的疲劳破坏关键部位， 其疲劳寿命在各种非比例路径下均低于母材寿命。卜丫 荆用v b 6 0 编制了“多轴疲劳寿命预测软件m u l t i a x i a il o wc y c l ef a t i g u el i f e p r e d i c t i o nf m l c f 蟹) 1 0 ”，涉及多种预测模型留有模型接口，同时具有计算结果 m r e m y , j m 自行编制的软件对现有的多轴疲劳寿命估算方法进行了评价。 等效应变法对本文涉及的母材和焊缝金属给出了偏于危险的疲劳寿命预测。各种基 于临界面的多数模型对母材能够很好的预测：对于焊缝金属，由于焊缝金属疲劳数 据的分散性导致不少模型预测困难；f a t e m i 的模型在考虑最大应力项后，对两种材 料的预测情况比较稳定。 本文修正后的f a t e m i 模型，引入了随应变幅值变化的应力参量，重新定义了参 数k ，结果表明，利用修正后的模型不仅对本文的母材和焊缝金属的疲劳寿命能够 较好的预测而且对其他四种材料的多轴疲劳寿命也能够给予较好的预测结果。 关键词：l c r l 8 n i 9 n 焊彭多轴低周疲非比例加载r 疲劳寿命预测 l 本课题为国家自然科学基金资助项目( 1 9 8 7 2 0 4 9 ) a b s t r a c t 2 i nt h i sp a p e r , as e r i e so fl o wc y c l ef a t i g u ee x p e r i m e n t su n d e rn o n p r o p o r t i o n a ll o a d i n g w e r cc o n d u c t e do n1c r l8 n i 9 t is t a i n l e s ss t e e lt u b ea n di t sw e l d e dj o i n t s t h ee x p e r i m e n t s h a v es h o w n t h a tt h ew e l dm e t a l i sc y c l i cs o f t e n i n g a n dt h eh a r d e n i n go fm a t e r i a l sd e p e n d s o nt h es t y l eo fl o a d i n g t h ec y c l i c h a r d e n i n go ft h eb a s em e t a lu n d e ru n i a x i a ic y c l i c l o a d i n gi sm o r e t h a nt h a tu n d e rt o r s i o n a lc y c l i cl o a d i n g ，b u tv i c ev e r s a ，t h ec y c l i ch a r d i n g o ft h ew e l dm e t a lu n d e ru n i a x i a lc y c l i cl o a d i n gi si e s st h a nt h a tu n d e rt o r s i o n a ic y c l i c l o a d i n g t h ew e l dm e t a 】i st 1 1 ek e ys i t eo ff a t i g a e 行a c t u r eo nt h es p e c i m e na n di t sf a t i g u e l i f ei s1 e s st h a nt h a to ft h eb a s em e t a lu n d e r v a r i o u sl o a d i n gp a t h s u s i n gv b 6 0p r o g r a m m e d m u l t i a x i a ll o wc y c l ef a t i g u el i f ep r e d i c t i o n ( m l c f p ) 1 0 。w h i c hi n e l u d e dm a n yk i n d so f f a t i g u ed a m a g em o d e l s t h e r ej s a ni n t e r f a c eo fn e w m o d e li nt h es o f t w a r ea n dt h er e s u l t sc a l c u l a t e d b y l tc a n b ed r a w nb yt h e f i g u r e p o s t p r o c e s sr o o d u l u s p r e s e n tf a t i g u e l i r e p r e d i c t i o na p p r o a c h e sw e r ee v a l u a t e du s i n g m l c f p i tw a ss h o w n 廿1 a te q u i v a l e n ts t r a i na p p r o a c hg a v el i r ep r e d i c t i o n so nu n s a f es i d e f o rt h et w o m a t e r i a l s m a n ya p p r o a c h e sb a s e do nc r i t i c a lp l a n es h o wg o o dl i f ep r e d i c t i o n s f o rt h eb a s em e t a l h o w e v e rf o rt h ew e l dm e t a l t h e yg a v eu n c o n s e r v a t i v er e s u l t s c o n s i d e r i n gt h em a x s t r e s so nt h ec r i t i c a ip l a n e ，f a t e m i sm o d e ig a v eas t a b l ef a t i g u ej i r e p r e d i c t i o n f o rt h et w om a t e r i a l s w em o d i f i e df a t e m i l sm o d e lw i t h s u b s t i t u t i n g m a xs t r e s su n d e ru n i a x i a l c y c l i c j o a d i n gf o rt h ey i e l ds t r e s s 。a n dr e d e t e r m i n e dt h ep a r a m e t e rk ，i ts h o w st h a tt h em o d j f l e d m o d e ic o u l dn o t o n l yp r e d i c tt h ef a t i g u ei i f eb f t h eb a s em e t a la n dt h ew e l dm e t a l b u ta l s o o t h e rf o u rk i n d so f m a t e r i a l s k e y w o r d s ：1 c r l8 n i 9 t i ，w e l d e dj o i n t ，m u l t i a x i a ll o wc y c l i c f a t i g u e ，n o n p r o p o r t i o n a l o a d i n g , f a t i g u e l i f ep r e d i c t i o n 2t h i sp r o j e c ti ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ( i 9 8 7 2 0 4 9 ) 垂蕉蠢堂堡土垫g鱼耋 前言 疲劳的研究始于1 9 世纪中期w o h l e r 对车轴的系统研究，之后，材料和结构的 疲劳问题己越来越引起人们的重视，但多少年来这方面的工作主要是针对单轴疲 劳展开的，而绝大多数的工程构件如压力容器、燃气轮机的转子、涡轮叶片、核燃 料元件、曲柄等均在多轴循环载荷状态下工作，因此寻找一个合适的多轴疲劳理论 成为众多学者关注的目标。 焊接技术广泛应用于各种工业结构中，是一种最常用的实现构件之间联接的方 法。许多结构如化工压力容器、管道等，其焊接部位的强度常常决定其整体结构的 强度，因此焊接是导致结构使用寿命减少的个主要因素。但是许多焊接接头在实 际工况中要承受各种形式的循环载荷，所以常发生疲劳破坏。 非比例载荷下材料的低周疲劳寿命将大大减少，并且疲劳寿命是与路径的形状 相关的。目前认为，非比例循环附加强化是导致疲劳寿命减少的主要原因。对于焊 接接头，由于焊接冶金的不均匀性，母材、焊缝和热影响区力学性能的不同将使多 轴疲劳损伤的演化规律更趋复杂。另一方面，研究表明，材料的非比例循环附加强 化与材料相关，附加强化会因材质的变化而不同。因此，当焊接接头承受非比例循 环载荷时，由于焊接接头材质的不均匀，其循环性能将极为复杂，从而导致疲劳寿 命的不确定性。 近些年来，尽管在多轴低周疲劳试验的研究方面取得了一定进展但绝大多数 是在比例加载下进行的。由于试验的困难性，仅限于少量路径和少数材料的研究， 对焊接接头的研究更少，目前尚没有形成一种普适的疲劳理论。因此极有必要对更 多的材料，尤其是焊接金属，进行低周疲劳试验研究，以便对建立对各种材料和载 荷比较普适的理论提供依据。 本文对1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢管及其环向焊缝，进行了一系列多轴非比例循环加载 下的低周疲劳试验研究。用v b 6 0 编制了“多轴疲劳搿命预测软件- m u l t i a x i a ll o w c y c l ef a t i g u el i f ep r e d i c t i o n ( m l c f p ) 1 0 ”。利用自行编制的软件对现有的多轴疲 劳寿命估算方法进行了评价。井对f a t e m i 模型，引入了随应变幅值变化的应力参量， 重新定义了参数k 。，结果表明，利用修正后的模型不仅对本文的母材和焊缝会属能 够较好的预测，而且对其他四种材料也能够预测到不错的结果。 垂鎏盍塞疆土逵耋鳘；耋窑墼堡述 第一章文献综述 1 1 关于多轴低周疲劳 疲劳的研究始于1 9 世纪中期w o h l e r 对车轴的系统研究，之后，材料和结构的 疲劳问题已越来越引起人们的重视，并进行了广泛的研究2 jj 。但多少年来，这方 面的工作主要是针对单轴疲劳展开的，而绝大多数的工程构件如压力容器、燃气轮 机的转子、涡轮叶片、核燃料元件、曲柄等均在多轴循环载荷状态下工作，因此寻 找一个合适的多轴疲劳理论成为众多学者关注的目标。 所谓低周疲劳是指疲劳应力接近或超过材料的屈服极限材料在每一个应力一 应变循环中均有一定数量的塑性变形其疲劳寿命比较短，一般低于1 0 5 循环。低周 疲劳问题涉及的范围十分广泛，特别是在动力设备方面。如航空发动机、涡轮转子、 核压力容器中都严重存在着低周疲劳问题因此对低周疲劳的研究有着广泛的应用 前景。近年来新一代计算机控制的电液伺服多轴疲劳试验系统及试验技术的深入 发展为人们对多轴低周疲劳破坏行为的研究提供了有力的试验手段，因此近年来对 多轴低周疲劳行为的研究取得了很大进展。目前，对于低周疲劳的研究重点是考虑 复杂加载历史，恶劣环境条件以及多轴非比例载荷的影响1 4 5 , 6 j 。 焊接技术广泛应用于各种工业结构中，是一种最常用的实现构件之间联接的方 法。许多结构如化工压力容器、管道等，其焊接部位的强度常常决定其整体结构的 强度，因此焊接是导致结构使用寿命减少的一个主要因素。但是许多焊接接头在实 际工况中要承受各种形式的循环载荷，所以常发生疲劳破坏。 1 2 非比例循环载荷下金属材料塑性行为 1 2 1 金属材料的非比例载荷下的循环特性 k a l l a z a w a ，m i l l e r 和b r o w n n j 首先对多轴非比例载荷下材料的循环行为进行了 研究结果表明在非比例循环加载条件下材料的变形行为远比单调和比例循环 加载下复杂，疲劳寿命较比例加载大大减少。因此，用单轴循环应力应变曲线和疲 劳寿命曲线来研究多轴非比例应力场下的材料循环特性及寿命是远不够的，必将造 成错误的结论，甚至带来灾难性的后果。t a n a k a ，m u r a k a m i 和o o k a t 8 , 9 l 对3 1 6 不锈 钢研究了变形路径和应变幅值历史对材料变形和强化行为的影响研究表明循环 强化与加载路径的形状有密切关系，在相同等效塑性应变幅下圆路径的附加强化 是纯扭下的1 5 1 8 倍。d o o n g 、s o c i e 和r o b e r t s o n 【1 “、m u r a k a m i e ta l t ”1 的研究表明 非比例循环强化还是材料相关和温度相关的。蔡力勋和杨显杰f 1 2 】对4 0 号车轴钢非比 例循环塑性行为进行了研究，结果发现。材料的强化行为不但依赖于应变路径形状， 垂逢查堂壅土鎏窑玺；重窑酋鳖蕉 而且与等效应变幅值相关，并且发现在一定应变路径形状下，材料的塑性流动行为 强烈依赖于等效应变幅值。o h a s h i 、t a n a k a 和o o k s 【13 l 对3 1 6 不锈钢非比例应变路径 下塑性变形行为进行研究后指出，非比例加载与比例加载下材料的塑性变形行为有 很大不同，建立在单轴循环基础上的本构方程不能预测多轴非比例循环下的材料行 为，建立一个能精确描述非比例载荷下的本构方程必需考虑材料循环强化的路径相 关性。尽管许多学者对材料的循环性能进行了广泛研究，对于了解材料非比例循环 载荷下的本构行为特征还远远不够有待于进一步的研究。 另外，f a t e m i 和s o c i e i l 4 】的研究认为非比例加载下的附加强化与疲劳寿命的减 少有直接的关系。s o c i e i l 目也指出循环强化的路径相关性与疲劳寿命的路径相关性有 着一致的联系。对3 0 4 不锈钢疲劳寿命的研究结果表明，在圆路径下，附加强化增 加一倍，寿命减少9 0 。对i n 7 1 8 合金，附加强化增加1 0 1 5 ，则疲劳寿命减少 5 0 。c h e nc ta l 【l6 j 和i t o he ta l l l 叫等研究也得出上述相似的结论。因此若将基于单轴 或比例加载下的低周疲劳及损伤累积不加考虑地应用于非比例加载低周疲劳必将 导致危险的结果。所以在进行非比例载荷下疲劳寿命估算时，必须考虑非比例循环 强化因素的影响。 1 2 2 焊接接头的非比例载荷下的循环特性 许多结构如化工高压容器、管道等，其焊接部的强度常常决定其整体结构的强 度，焊接仍是结构使用寿命减少的一个主要因素。由于焊接冶金的不均匀性母材 b m ( b a s em e t a l ) ，焊缝金属w m ( w e l dm e t a l ) 和热影响区h a z ( h e a ta f i e c t c dz o n e ) 力 学性能各不相同，使焊接接头处于复杂的局部应力应变状态下。s a n k a r a 、v a l s a n o s ，。1 以及范引鹤等人【2 0 】的研究表明由于焊接接头的存在，大大降低了材料的疲劳寿命。 实际结构中，如承受拉扭载荷的轴类，压力容器和管道等，它们受多轴载载荷，裂 纹的萌生一般是在局部的多轴应力应变状态下。 上述研究表明非比例载荷下材料的低周疲劳寿命将大大减少，并且疲劳寿命是与 路径的形状相关的。目前认为，非比例循环附加强化是导致疲劳寿命减少的主要原 因。对于焊接接头，由于焊接冶金的不均匀性，母材、焊缝和热影响区力学性能的 不同将使多轴疲劳损伤的演化规律更趋复杂。如在热影响区，受焊接热循环的加热 温度不同，可以分为过热的粗晶区、正火的细晶区、不完全正火区和回火区。焊接 接头局部缺口效应发生在材料不均匀区域，即发生在( 焊缝金属和母材的) 熔合区与未 熔化母材、夹杂物及熔渣晶界沉淀物之间相接的部位。另一方面，研究表明，材料 的非比例循环附加强化与材料相关，附加强化会因材质的变化而不同。因此，当焊 接热影响区承受非比例循环载荷时，由于热影响区材质的不均匀，其循环性能将极 为复杂，从而导致疲劳寿命的不确定性。 目前对焊接接头的研究还很少，对焊接接头目前国内外在多轴非比例载荷下的 低周疲劳还未有研究仅限于单轴低周疲劳和纯扭低周疲劳啦】。对于焊接结构在 垂鎏盔茎遁圭途室堇；茎錾茧鳖蕉 非比例加载下的高周疲劳的研究已表明，焊缝的存在加强了非比例循环产生的疲劳 损停 , 2 4 j ，可以预见在低周疲劳下，由于循环塑性和焊接冶金的不均匀性，使焊接接 头金属处于复杂的应力应变状态，疲劳寿命将会受到很大的影响。因此，应该深入 开展多种材料在各种载荷下的低周疲劳试验，建立适台多种材料焊接接头的低周疲 劳寿命估算方法。 1 3 多轴非比例加载下低周疲劳寿命估算方法 近些年来，对多轴低周疲劳损伤累积和寿命估算方法的研究取得了很大进展， 建议了许多比较有效的疲劳模型。但由于在疲劳分析中加载历史应变幅值、材料的 类型、结构的形状以及环境等众多因素的影响尚未形成种对材料和载荷普适的 理论 2 5 l 。目前对多轴低周疲劳破坏的损伤累积和寿命估算主要有3 种方法：等效应 变法、能量法和临界面法。 1 3 1 等效应变法 等效应变法的最初模型是用于单轴低周疲劳的著名的c o f f i n m a n s o n 公式通过 m a n s o n 和h a l f o r d i “1 ，b o n a u s e 和k a l l u r i l 2 7 】以及z a m r i ke ta 1 1 2 】等人的发展和修正， 在估算多轴比例加载低周疲劳寿命方面已有许多成功的实例。 对于单轴拉压低周疲劳，著名的c o f f i n m a n s o n 公式表达为： 坚2 ：等+ 譬= 譬电n f ) b 峨q nf ) c ( 1 - l 、 9f 11 + 式中，、8 彳分别为总应交。弹性应变和塑性应变，e 为弹性模量， o ；，；分别为疲劳强度系数和疲劳延性系数，b 和c 分别为疲劳强度指数和疲劳延 性指数。将这种单轴拉压低周疲劳模型推广到多轴低周疲劳，则有， 争：k ( 2 n r ) 。( 1 - 2 ) 式中k 和d 为材料常数，e 。为等效应变，它可以是最大剪应交口”、y o nm i s e s 等效 应变b 0 1 以及最大总应变等。 以上这类模型的优点是简单实用，易为工程应用接受，但f a t e m ic ta l ”】认为此 类模型不能反映疲劳寿命对静水应力敏感这一事实。另外这类方法不能考虑应力和 应变在变形过程中的交互响应，不能反映低周疲劳寿命对应变路径的依赖性因此 不适合于非比例加载下的低周疲劳问题。 m a n s o n 和h a l f o r d t 6 】考虑了应力状态对材料塑性的影响，通过引入多轴度m f 对v o r tm i s e s 等效塑性应变加以修正，得到如下损伤参数： ：= m f a s 品 ( 1 3 ) 1 当t f _ i 时，m f 2 t f ；t f - 0f o r 。0 ( 1 13 ) h f x 、=x 1 3 3 临界面法 临界面的概念首先是由b r o w n 和m i l j e r 4 l 】提出来的。这一方法定义材料的破坏 面为临界面，其优点是赋予了疲劳损伤累积一定的物理解释。这种方法一般分为两 步：计算l 临界面上的应力、应变历史：将临界面上的应力、应变转化成疲劳 损伤参量。不同学者选择了不同的临界面和损伤参量。 临界面法由于考虑了疲劳裂纹萌生及扩展的方向具有一定的物理背景在处 理多轴疲劳时结果比较理想，因此引起人们的高度重视并进行了广泛的研究。 b r o w n 和m i l l e r _ 【4 “认为低周疲劳裂纹由两个应变参量控制，除了最大剪切应变 y 。外，裂纹扩展也受到最大剪应变所在面上的法向应变。的影响。他们同时把裂 纹分为两种情况在拉扭组合载荷中，主应变，和，平行于表面，裂纹沿表面扩展 称a 型扩展，对于正的双轴应力，应变，垂直于自由面，裂纹在最大剪应变面上起 裂进而沿纵深扩展称为b 型扩展。该方法要求由一系列常寿命曲线组成的r 平面 来处理双轴疲劳数据，每一根寿命等值线表示为 v 。= f ( s 。)( 1 1 4 ) 但这种函数关系不确定，f 随着寿命不同而变化，且与材料的泊松比有关。对一些材 料的试验研究表明对于a 型扩展得到 ( 划+ ( 铲 m 柳 g 、h 和j 是与寿命相关的经验参数，对于延性材料和脆性材料j 分别近似为2 和1 。 对于b 型扩展，可用t r e s c a 判据 峥= c ( 1 1 6 ) 、 k a n d i l b r o w n ，m i l l e r l 4 2 1 针对a 型起裂裂纹给出的损伤参量为应变参量，模型如下： ( 7 k + k ：) “= c ( 1 1 7 ) 式中k 为常数，由多轴低周疲劳试验得到一般取o l = 1 则： 7 + k 。= c( 】1 8 ) f a t e m i 和s o c i e t ”1 的研究表明每种材料的断裂类型不随载荷而变，只取决于材料 蠢鎏奎錾堡垫窑 螫三童g 猷鳖堡 本身。因此非比例加载下材料的破坏机制是与比例载荷下的相同，只是损伤累积率 增加了。一般的将材料的破坏机制分为剪切型破坏和拉伸型破坏两种类型。 对于拉伸型破坏的3 0 4 不锈钢s o c i e ：“ 修正了s m i t h 4 5 等人提出的s w t 参量 认为垂直于最大拉应力方向的裂纹扩展是疲劳寿命的主要阶段，因此将最大主拉应 变幅p 和最大主应变平面上的最大拉应力a ? “作为损伤参量，给出如下寿命模 型： 。m 垒叫仃 r ( 2 n f ) + 譬( 2 n ，) 2 “ ( 1 - 1 9 ) 对于剪切型破坏的i n 7 1 8 合金，s o c i e 考虑了平均应力对疲劳寿命的影响在 k a n d i l 的模型中加入一线性应力项，得到 争+ n + 詈“( 2 n r ) 。+ 告( 2 ( 1 _ 20 ) 其中却一为最大剪应变变程，为垂直于最大剪应变面的正应变幅，o 。为垂直于最 大剪应变面的平均应力。 f a t e m i 3 1 认为上述模型不足以说明非比例加载下所产生的附加强化对寿命的影 响。因此建议将b r o w n 和m i l l e r 参量中的正应变。变为最大剪应变面上的最大法向 应力a ：“，得到： 竿 1 + k 拿】：要( 2 n r ) “+ y ( 2 n f ) c ( 1 - 2 1 ) za u 式中o 、，是材料的屈服应力k 是和寿命有关的常数，可由单轴疲劳确定。此模型由 于引入了最大法向应力项，在一定程度上反映了非比例循环附加强化对低周疲劳寿 命的影响。 b r o w n 和b u c k t h o r p l 4 6 】认为一个合适的有效应变判据应考虑裂纹扩展的两个基 本阶段i 阶段剪切裂纹增长和i i 阶段拉伸裂纹增长。于是考虑疲劳在i 、i i 阶段裂 纹形成的不同机制，定义如下一总等效应变参量： ”= a e q r + ( i a ) 8 叩 ( 1 _ 2 2 ) 其中权函数a = 百等葡，n i n 1 1 分别为疲劳裂纹萌生第一和第二阶段的循环数。 但在实际应用中n i 和n i l 是不易确定的。 = 上l + v h + 兰业 ，c q 。= 上l + v ( e l - - g 3 ) 垂鎏圭堂壅土鎏g螫三茎g 墼堡琶 w a n g 和b r o w n l 4 7 认为正应变仅在晟大剪应变从最大变到最小的过程中对裂纹扩 展起作用，一旦最大剪应变改变方向，正应变历史影响不再存在。因此通过修正b r o w n 和m i l l e r 的临界面参量，得到如下一个与路径无关的损伤判据： 一r - ! ! ：；一+ k 。+ = 1 + v 。+ ( 1 一v 。) k q n1 ) “+ 1 + v 。+ ( 1 一v t ，) k k ：电nf ) ( 1 2 3 ) l 其中钾。为最大剪应变变程，e ：为最大剪应变在最大值与最小值间变化过程中f 应 变的最大变化值。对于比例加载，上述模型等效于b r o w n 和m i l l e r 的模型。 以后，b r o w n 、s u k e r 和w a n g 4 e 】在研究非比例随机加载低周疲劳时考虑了平均 应力对疲劳寿命的影响。结果发现，对于恒幅非比例循环，无平均应力效应存在， 但对于变幅非比例循环，平均应力对寿命的影响不容忽视。基于临界面的假设，他 们提出咀下判据： 斗孚热：虹( 2 n f ) b + ( 2 n ( i - 2 4 ) i + v + s ( 1 一v 1e hh v 为等效泊松比，a 。由临界面上的最大和最小应力的算术平均值决定。 c h e ne ta l 删将路径的非比例度引入损伤模型，同时认识到非比例循环加载路径 对弹性应变段的影响可忽略不计这一事实，只考虑非比例循环路径对塑性应变项的 修正，以最大剪应变和最大剪应变面上的法向应变作为损伤参量，建立了一个新的 临界面模型： 年+ 。= ( 1 + l 中) “n y r ( 2 nr ) t + 妥( 2 nr ) 5 ，( 1 - 2 5 ) 中为加载路径的非比例度，l 为附加强化系数，1 1 为衙j 1 1 = 强化指数。试验表明，欧模 型对剪切型破坏的4 2 c r m o 高强合金钢低周疲劳寿命有很好的预测能力但对于拉 伸型破坏材料寿命预测的有效性有待于进一步验证。 i t o h 和s a k a n ee ta l ”】在对3 0 4 不锈钢进行的试验研究中考虑到非比例加载下 疲劳寿命的减少与非比例循环附加强化密切相关这一事实，通过定义一表征非比例 程度的参量，对最大主应变参数加以修正，得到如下损伤参数： n p = ( 1 + a f m ) 6 i( 1 - 2 6 ) 式中e - 为最大主应变变程，n 表达了附加强化与材料的相关性，f n p 为非比例度， 直接由应变历史得到，岛p = 熹导，j i s i n ( t ) 8 1 ( t ) d t ， ( t ) 为最大主应变。与在 1 0 l m “ 时间t 时的主应变，( t ) 的夹角。 s h a n g e ta l 【卯】提出了一个基于l 临界面的等效应变参量： 垂逢盔茎琶土鎏窑薹三重窑蝰堡蕉 ：1 2 = ? + 1 3 ( 鲫。2 ) 2 r ( 1 - 2 7 ) ：= 1 1 2 a g “1 + c o s ( g + 十) 】 ( 1 2 8 ) m 是最大剪应交面的角度， 为正应交变程最大面和最大剪应变面的相差。 s h a n ge ta l 用文献”“5 1 1 的数据对其模型进行了验证，预测值在二倍的分散带 内。 一些学者将能量法与临界面法的概念相结合，对材料的损伤累积和寿命估算进行 了研究。 l i u l 5 2 】建议了一个虚拟应变能参数( v s e ) ，给出如下具有一定物理解释的能量判 据： a w = a w o + w 。= e b 2 n i 2 。+ e a b n 7 “+ 。 ( 1 2 9 ) 其中a w 为对应损伤面上应力、应变的矢量积。 、 对于拉伸型( i 型) 断裂：w 】= ( z x w 。) + w 。( 卜3 0 ) 对于剪切型( 型) 断裂：a w i l = ( a w , ) 。+ a w ( 1 - 3 1 ) w n 和w s 分别为一定临界面上由拉伸和剪切所得的虚拟应变能。对于拉伸型破 坏，l i u 定义产生最大拉伸应变能的面为损伤面而对于剪切型破坏，则认为产生最 大剪切应变能的面为损伤面。以上定义的虚拟应变能较实际应变能要大些。 c h ue ta l i ”1 也用了一个类似的参数，为了考虑平均应力，他们将应力变程用最 大应力替换： 俐小。等4 - ( i ) g 。, m a x 筑。 m ，：， 同时损伤参量基于a w 为最大值而并非最大正应变或最大剪应变面。 6 1 i n k ae ta l t 堋同时考虑临界面上应力应变对循环损伤的贡献，以能量的形式给出 下列损伤参数： w = 垃纽+ 坐旦纽 f133)2222 文中给的临界面为最大剪应交面，”a2 、”。分别为临界面上剪应变、 应力变程以及正应变、应力变程。对于比例加载，此参数给出较为满意的拟合结果， 但对于非比例加载，文中并未给出实例。 p a n e ta l ”i 用疲劳强度系数和疲劳延性系数对上述模型进行了修正： 1 0 玉避盘兰盈土篁过笛= 童宣凿盆述 w 一等誓岫t ：争争 m ，。， k l = - ；k ：= g ；，t ；通过内时理论本构模型对1 0 4 5 钢和3 0 4 不锈钢材料进行了 应力应变关系计算，然后对其进行了寿命预测，结果表明改善了g l i n k a 模型的预劂 情况。 c h e n 和x u 6 】考虑到剪切应力和应变对拉伸型破坏材料疲劳寿命的影响，对 s o c i e 的拉伸型损伤参数进行修正，仍以最大主应变面作为临界面。给出具有能量特 征的i 临界面模型： 占严盯，+ a y l a r l = 4 1 _ l ( 2 n ，) “+ 4 a f e f ( 2 n ，) “。( 1 - 3 5 ) 其中毛为最大主拉应变变程，a t 7 。、a 7 。和f 分别为晟大主拉应变面上的正应 力、剪应变以及剪应力变程。 对于剪切型破坏材料以最大剪应变面作为临界面同时考虑这个面上剪切项 及拉伸项对材料损伤积累的贡献，给出如下损伤模型 a s a a ，+ 却“缸= 4 - 妾- ( 2 n f ) 2 “+ 4 y ；( 2 n f ) “”。( 1 - 3 6 ) 式中，a f 为最大剪应变变程，缸、毛和a c t 。分别为最大剪应变面上的剪应力、 正应变以及正应力变程。 与传统的临界面模型相比，以上几个模型的损伤参数以能量的形式出现，克服 了先前临界面模型中将临界面上两个不同方向上的应变算术相加难以给予正确物理 解释的不足因此具有更强的物理基础。 j i a n g 考虑了材料循环记忆特性建立了一个具有能量特性的临界面疲劳损伤 准则， d d = m ( 1 + 二l ) d y( i - 3 7 ) o f d y 。a o 彬+ 旱 c d 7 9o - 3 s ) a m 是材料常数，a f 为材料破坏时应力，仃0 是材料的强度极限，g - 。为一材料记忆 参数。j i a n g 认为循环塑性是疲劳破坏的主要因素，由于其利用疲劳的塑性应变能作 为参量的主要部分，所以模型仅应用于延性材料。 v a r v a n i f a r a h a n i ”埔一个循环圈内m o h r 圆上的应力应变最大值的乘积并考虑 了平均应力的影响，用单轴拉压和纯扭疲劳参数作为权重提出了一个具有能量和临 界面特征的的损伤参量： 垂鎏五喾琶土监g薹蚤垂g 蝰簪蕉 南c 那e 小专铲。c 刊州w m ，。， o ：为临界面上的平均应力。 1 4 寿命预测软件及编程语言 1 4 1 多轴低周疲劳寿命预测软件 对于多轴低周疲劳寿命预测过程，涉及的材料常数和损伤参量多计算过程比 较复杂、烦琐。林晓斌博士介绍了一种预测受多轴交变载荷工程构件的低周疲劳寿 命的方法，该方法以实测的应变计响应作为输入的参量，通过一个循环塑性模型计 算测量点的弹塑性应力应变分量，然后用多种多轴临界面疲劳损伤模型计算寿命1 5 ”。 此外，m s c r 盯i g u e 系列的m s c f a t i g u em u l t i a x i a l 产品的主要用途也是根据 有限元模型的结构应力或应变分布，结构载荷的变化，以及材料的疲劳特性等条件， 预测结构寿命。该产品采用了非比例、多轴应力状态假设，它所包含的“完全多轴 疲劳分析器”可直接输入弹一塑性应力或应变时间历程数据，具体的计算方法包括 法向应变、剪切应变、s 、t b a n n a n t i n e 、f m e m i s o c i e 和w a n g b r o w n 预测模型，其 涉及的模型比较有限。 1 4 2 可视化编程语言v b 6 在v b ( v i s u a lb a s i c ) 推出之前，编程一直被视做高不可攀的领域，自从m i c r o s o f t 推出v i s u a lb a s i c 之后，可视化的编程风格使程序设计变的简单易学，逐渐被一般用 户接受，v b 因此逐渐成为普通用户设计程序的首选工具呻】。v b 是一种在w i n d o w s 环境下的应用程序开发工具，具有直观、语言方便、易使用等优点。v b 编程语言具 有两大编程特点。首先，“v i s u a l ”一词引申到计算机程序设计领域中，可解释为“可 视化的程序设计”，另一个特点是“事件驱动”。 1 5 本文的工作及研究意义 1 5 1 本文工作 本文进行以下工作： 1 ) 利用v b 6 0 计算机编程语言，编制“多轴疲劳寿命预测软件m u l t i a x i a ll o w c y c l ef a t i g u el i f ep r e d i c t i o n ( m l c f p ) 1 0 ”，涉及多种预测模型，设计模型接口， 同时具有计算结果图形后处理功能。 2 1 对焊接接头设计多轴低周疲劳试验分析焊接接头非比例循环性能，及焊缝金 属多轴低周疲劳特性。 3 ) 对已有的寿命损伤模型进行综合评价，系统分析各种模型对焊缝金属和母材 一1 2 垂鎏盘堂堑土逵窑薹；薹g 墼丝蕉 进行寿命估算时的有效性。 1 5 2 研究意义 近些年来，尽管在多轴低周疲劳试验的研究方面取得了一定进展但绝大多数 是在比例加载下进行的。由于试验的困难性，仅限于少量路径和少数材料的研究， 对焊接接头的研究更少，目前尚没有形成一种普适的疲劳理论。因此极有必要对更 多的材料尤其是焊接接头，进行低周疲劳试验研究，以便对建立对各种材料和载 荷比较普适的理论提供依掘。 本文所编制的“多轴疲劳寿命预测软件”采用了非比例、多轴应力状态假设， 并涉及多种疲劳寿命预测方法或模型，适用于载荷情况复杂结构出现非比例、多 轴应力状态的情况。为多轴疲劳下的寿命预测提供了解决的有力工具。 1 3 一 第二章试验及试验结果分析 2 1 应力应交空间定义 i i y l l s h i n 引入了五维偏应变与偏应力矢量空间，对于拉扭联合作用下的应变状念， 可以在五维偏应变矢量空间中引入轴向应变扭应变子空间来描述。在这个子空问中 定义应力矢量为： 口= a l i l l 】+ 口2 1 1 2 ( 2 - 1 ) 其中d ，= o 。= g ，o ：= 孓。= 五= o 1 1 1 1 ，n 。是( a 。，a ：) 应力平面中的单位矢量 z 和0 代表试样的轴向和周向。 定义总应变矢量，弹性应变矢量和塑性应变矢量为： = e 1 1 1 1 + 82 “2 ( 2 - 2 ) k ：n l + ；n2 e ”= ? n i + e ；n2 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 且，= 十”【2 。) j 其中旷。_ 1 一i 2 = 万2 旷：，e ? 2e ：。e i 叫= 再2 ：。= ， e f 2 e ：3 s r ，s ：= 击e = 乡磊= e ，这里，n ，n ：代表应变平面( e z ) ，( e ：，e ；) 或 ( s ? ，；) 中的单位矢量。在轴扭子空间中- v o nm i s e s 等效应力，等效应变表达式分别 为： 仃。；l o l = 瞬+ a ；乒= b ：+ 3 t ：彤( 2 - 6 ) e 。：k l = ( ：? + s ；卢= e ：+ y ：3 乒( 2 - 7 ) 。：| ：| - 阽f ) 2 + e ：) 2 弘：陆一) 2 + 6 f 。y 3 f ( 2 8 ) 2 2 材料与试件 2 2 1 材料 本文所研究试件的母材为1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢，原材料为经过1 1 0 0 c 高温淬火处 1 4 垂茎古堂堡土兰塞兰三主彗鳖召彗罄缠墨盆堑 理过的3 2 m m 钢棒。母材的化学成分及室温下的常规机械性能如表2 - l 、表2 2 所示。 表2 - i1 c r l 8 n i 9 y i 不锈钢的化学成分( w t ) t a b 2 - 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f1 c r l 8 n i 9 t is t a i n l e s ss t e e l cm n s ispn ic rt i l 0 0 6 51 3 40 9 5o 0 30 0 38 7 41 7 5 40 4 1 l 表2 - 21 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢的机械性能 t a b 2 - 2m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f1c r l8 n i 9 t is t a i n l e s ss t e e l l 口b ( m p a ) o s 0 2 0 皿a )蟛)6 ( ) e ( g p a )g ( g p a ) vh b i6 0 53 1 07 56 01 9 36 5 40 4 71 6 0 焊接操作由天津大学焊接试验室完成，采用8 层手工焊接工艺过程。第一层为 氩弧焊，采用氩弧焊丝奥1 0 2 ，其化学成分为( w t ，) ：0 0 8 c 、1 8 0 2 9 0 c r 、0 - 1 1 0 n i 、 0 5 0 m o 、0 5 - 2 5 m n 、0 9 s i 、o 0 3 5 p 、0 0 3 0 s 、0 5 c u 。焊接电流为9 8 a 。电压为3 5 4 0 v ， 焊速为5 0 - - - 8 0 m m m i n ，氩气导入量为3 3 0l m i n 。第2 8 层为电弧焊，采用直径为中 3 2 m m 的奥1 0 2 焊条，焊接电流为9 8 a 。电压为3 0 , - - 4 2 v ，焊速为6 0 8 0 m m m i n ，层 间温差控制在6 0 以内。 2 2 2 试件尺寸及加工 疲劳循环试验中母材试件结构尺寸如图2 1 设计的薄壁圆管试件其标距端外径 为2 2 m m ，内径为1 8 m m ，内外径之比为0 8 2 因而可以看作薄壁结构，应力沿截面 分布近似认为均匀。为避免试件夹持端变形过大在开口端塞入堵头以加强夹持端。 为了防止由于几何形状突变导致的应力集中，试件两端与中间较细的部分为光滑过 渡。 焊缝金属的疲劳试验试件结构尺寸与母材相同，图2 2 表明了焊缝金属试件的结 构尺寸和加工过程。首先在直径为3 2 r a m 的棒材上车出截面上底宽3 5 m m 下底宽 2 9 m m 深为9 m m 的梯形凹槽。然后对该试件进行堆焊，填满凹槽，如图( a ) 所示。再 对试件进行一系列的加工，最后加工成如图( b ) 所示结构尺寸样式。采用这种加工方 法可以减少由于焊接热所产生的弯曲变形，保证了焊接部分和母材的光滑过渡， 减少了应力集中。 1 5 一l ， 图2 1 母材试件的结构尺寸 f i g 2 - ls p e c i m e ng e o m e t r yo f b a s em e t a l ( a ) ( b ) 图2 - 2 焊缝金属试件加工过程 f i g 2 - 2m a n u f a c t u r ep r o c e s s i n g o f w e l d e d s p e c i m e n 1 6 一 垂丝奎堂堡圭篁塞 萋三塞鋈墼墨堇矍箕星坌堑 2 3 试验 2 3 1 试验设备 试验在i n s t r o n8 8 0 电液伺服多轴疲劳试验机上进行，如图2 3 所示多轴加载时 选用轴向与剪应变同时控制的方式，在圆管式样外表面安装标距为2 5 r a m 的夹式拉 扭引伸计( 图2 4 ) 应变由引伸计测出，作为试验实时控制参数，通过微机对整个 试验过程进行闭环控制。 图2 - 3 疲劳试验机 f i g2 - 3f a t i g u ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n t 图2 - 4 拉扭引伸计 f i g2 - 4t e n s i o n t o r s i o ne x t e n s o m e t e r 2 3 2 试验控制程序 试验由计算机自动控制，自动采数，每循环采