典型缺口件疲劳寿命分析方法_张成成 (1)

Ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｆ ａ ｔ ｉ ｕ ｅ ｌ ｉ ｆ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ａ ｒ ｏ ａ ｃ ｈ ｅ ｓ ｆ ｏ ｒ ｎ ｏ ｔ ｃ ｈ ｅ ｄ ｃ ｏ ｍ ｏ ｎ ｅ ｎ ｔ ｓ ｙ ｐ ｇ ｙ ｐ ｐ ｐ
１ ２ Ｚ ＨＡＮＧ Ｃ ｈ ｅ ｎ ｃ ｈ ｅ ｎ Ｗ ｅ ｉ ｘ ｉ ｎ － － ｇ ｇ ，ＹＡＯ ｇ
［ ］ ５， ７ ８ －
先在数个晶粒尺寸范围内在剪切应力幅的作用下 成核 ， 即疲劳源的 形 成 需 要 危 险 点 周 围 晶 粒 的 参 与． 而Ｌ Ｓ Ｓ Ａ 的基本思想是缺口根部疲劳危险点 处的应力 应 变 是 决 定 缺 口 件 疲 劳 寿 命 的 控 制 参 这一基本思想 在 缺 口 根 部 进 入 大 范 围 屈 服 时 数， 但是在中长寿命区这一思想 是比较符合事实 的 ， 与事实相差甚远 ， 见图 ２．
趋于光滑件的 疲 劳 性 能
并形成了很多疲劳寿命分析方法 ． 方法给予解释 ， 本文按照对疲劳缺口效应的解释不同及相应 的描述 参 数 ， 将缺口件疲劳寿命分析方法分为３ 大类 ： 局部应力应变法 、 应力梯度法以及临界域法 ．
１ 局部应力应变法
局部应力应变法（ ｌ ｏ ｃ ａ ｌ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ａ － － ｐ ［ １］ 的基本假设 是 ： 若缺口件 危 险 部 ｒ ｏ ａ ｃ ｈ， Ｌ Ｓ Ｓ Ａ） ｐ 位受到的局部应力应变历程与作用在相同材料的 光滑件上的应力 应 变 历 程 相 同 ， 则它们的疲劳寿 ） 命相同 （ 见图 １ ．
收稿日期 ： ２ ０ １ ２ ０ ３ ０ １ － －
： ／ ／ ／ ／ ／ ＿ 网络出版地址 ： ｈ ｔ ｔ ｗｗｗ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． ｎ ｅ ｔ ｋ ｃ ｍ ｓ ｄ ｅ ｔ ａ ｉ ｌ １ １． ２ ２ ９ ７． Ｖ． ２ ０ １ ３ ０ ６ １ ７． ０ ９ ４ ０． ２ ０ １ ３ ０ ６． １ ２ ２ ３ ０ ０ １． ｈ ｔ ｍ ｌ ｐ ） 基金项目 ： 上海市 “ 引进技术消化与吸收 ” 专项资金 （ １ ２ Ｘ Ｉ ０ ４ － ， 作者简介 ： 张成成 （ 男， 江苏淮安人 ， 工程师 ， 博士 ， 主要从事商用航空发动机材料循环本构和结构抗疲劳设计等领域研究 ． １ ９ ８ ２ －）
图 １ 局部应力应变法的基本假设 Ｆ ｉ ． １ Ｂ ａ ｓ ｉ ｃ ａ ｓ ｓ ｕ ｍ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｌ Ｓ Ｓ Ａ ｇ ｐ
（ ） １
式中σ Ｅ为 ｔ 和ε ｔ 为缺口根部的局部应力和应变 ； 弹性模量 ； 由于 Ｋｆ ＜ Ｋｔ， 所以 Ｃ为Ｎ ｅ ｕ ｂ ｅ ｒ常数 ． ） 求出的局 部 应 力 应 变 值 小 于 缺 口 根 部 真 实 式（ １ 的局部应力应变 值 ， 使得疲劳寿命的分析结果接 但是 Ｋｆ 的 计 算 本 身 依 靠 经 验 公 式 ， 近试验结果 ． 导致 了 Ｌ Ｓ Ｓ Ａ 对于中高周疲劳寿命分析精度偏 低． 循着 Ｗ 出现了大 ｅ ｔ ｚ ｅ ｌ和 Ｔ ｏ ｅ ｒ等人的思路 ， ｐ ｐ 量的改进算法 ， 如文献［ 研究了式（ 的解 ２ ３ ２ ４］ １） － 法； 文献［ 提出了不同载荷边界下的近 １ １， ２ ５ ２ ７］ － ］ 文献 ［ 研究了不同材料循环本 似分析方法 ； ２ ８ ３ ０ － 构关系下的近似方法等等 ．
针对 Ｌ 很多人提出了改 Ｓ Ｓ Ａ 的这 种 局 限 性 ，
［１］ ［２］ 如Ｗ 和Ｔ 用疲劳缺口 进方法 ， ｅ ｔ ｚ ｅ ｌ２ ｏ ｅ ｒ等 ２ ｐ ｐ
系数 Ｋｆ 取代理论 应 力 集 中 系 数 Ｋｔ 来 修 正 Ｎ ｅ ｕ － ｂ ｅ ｒ法
２ （ Ｋｆ Ｓ ｎ） ＝Ｃ Ｅ
σ ε ｔ ｔ ＝
（ ） 文章编号 ： １ ０ ０ ０ ８ ０ ５ ５ ２ ０ １ ３ ０ ６ １ ２ ２ ３ ０ ８ － － －
典型缺口件疲劳寿命分析方法
张成成１， 姚卫星２
（ １． 中航商用航空发动机有限责任公司 结构完整性工程研究中心 ， 上海 ２ ０ ０ ２ ４ ０； ） ２． 南京航空航天大学 航空宇航学院 ， 南京 ２ １ ０ ０ １ ６
（ ， １．Ｃ ｅ ｎ ｔ ｅ ｒ ｏ ｆ Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｆ ｏ ｒ Ａ ｅ ｒ ｏ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ Ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｉ ｔ － ｇ ｇ ｙ ， Ｃ ｏ ｍｍ ｅ ｒ ｃ ｉ ａ ｌ Ａ ｉ ｒ ｃ ｒ ａ ｆ ｔ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ Ｃ ｏ ｍ ａ ｎ Ｌ ｉ ｍ ｉ ｔ ｅ ｄ ｇ ｐ ｙ ，Ｓ ； Ａ ｖ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ Ｃ ｏ ｒ ｏ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｈ ａ ｎ ｈ ａ ｉ ２ ０ ０ ２ ４ ０，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｙ ｐ ｇ ， ２．Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｅ ｏ ｆ Ａ ｅ ｒ ｏ ｓ ａ ｃ ｅ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ｐ ｇ ｇ ，Ｎ ） Ｎ ａ ｎ ｉ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｏ ｆ Ａ ｅ ｒ ｏ ｎ ａ ｕ ｔ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄ Ａ ｓ ｔ ｒ ｏ ｎ ａ ｕ ｔ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｉ ｎ ２ １ ０ ０ １ ６，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｊ ｇ ｙ ｊ ｇ ：Ｓ Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ｏ ｍ ｅ ｃ ｏ ｍｍ ｏ ｎ ｌ ｕ ｓ ｅ ｄ ｆ ａ ｔ ｉ ｕ ｅ ｌ ｉ ｆ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ａ ｒ ｏ ａ ｃ ｈ ｅ ｓ ｆ ｏ ｒ ｎ ｏ ｔ ｃ ｈ ｅ ｄ ｃ ｏ ｍ ｏ ｎ ｅ ｎ ｔ ｓ ｙ ｇ ｙ ｐ ｐ ｐ ， ｗ ｅ ｒ ｅ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｒ ｅ ｖ ｉ ｅ ｗ ｅ ｄ ．Ａ ｃ ｃ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ｔ ｏ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｄ ｅ ｓ ｃ ｒ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｎ ｏ ｔ ｃ ｈ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｔ ｈ ｅ ｆ ａ － ｙ ｙ ｇ ｐ ， ｔ ｉ ｕ ｅ ｌ ｉ ｆ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ ａ ｒ ｏ ａ ｃ ｈ ｅ ｓ ｆ ｏ ｒ ｎ ｏ ｔ ｃ ｈ ｅ ｄ ｃ ｏ ｍ ｏ ｎ ｅ ｎ ｔ ｗ ｅ ｒ ｅ ｃ ｌ ａ ｓ ｓ ｉ ｆ ｉ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｏ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ ｃ ａ ｔ ｅ ｏ ｒ ｉ ｅ ｓ ｇ ｙ ｐ ｐ ｐ ｇ ， ，ｓ ｎ ａ ｍ ｅ ｌ ｌ ｏ ｃ ａ ｌ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ａ ｒ ｏ ａ ｃ ｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ａ ｒ ｏ ａ ｃ ｈ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ ｃ ｒ ｉ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｚ ｏ ｎ ｅ ａ ｒ ｏ ａ ｒ ａ ｄ ｉ ｅ ｎ ｔ － － ｙ ｐ ｐ ｐ ｐ ｐ ｐ ｇ ｃ ｈ ｅ ｓ ．Ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｏ ｆ ｅ ａ ｃ ｈ ａ ｒ ｏ ａ ｃ ｈ ｗ ａ ｓ ｄ ｉ ｓ ｃ ｕ ｓ ｓ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｅ ｘ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｌ ｃ ｈ ｅ ｃ ｋ ｅ ｄ ｂ ｆ ｏ ｕ ｒ ｐ ｙ ｐ ｐ ｐ ｙ ｙ （ ） ｒ ｏ ｕ ｓ ｏ ｆ Ｌ Ｃ Ｆ ｌ ｏ ｗ ｃ ｃ ｌ ｅ ｆ ａ ｔ ｉ ｕ ｅｔ ｅ ｓ ｔ ｄ ａ ｔ ａ ｏ ｆ Ｌ Ｙ １ ２ Ｃ Ｚ ａ ｌ ｕ ｍ ｉ ｎ ｕ ｍ ａ ｌ ｌ ｏ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｎ ｏ ｔ ｃ ｈ ｇ ｐ ｙ ｇ ｙ ｅ ｏ ｍ ｅ ｔ ｒ ． Ｉ ｔ ｓ ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｗ ｉ ｔ ｈ ｒ ｅ ａ ｒ ｄ ｔ ｏ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ａ ｎ ｄ ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｒ ａ ｄ ｉ ｅ ｎ ｔ ｇ ｙ ｐ ｇ ｇ （ ） ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｅ ．ｇ ． ｃ ｒ ｉ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｚ ｏ ｎ ｅ ａ ｒ ｏ ａ ｃ ｈ ａ ｎ ｄ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｒ ａ ｄ ｉ ｅ ｎ ｔ ａ ｒ ｏ ａ ｃ ｈ ｓ ｈ ｏ ｗ ａ ｏ ｏ ｄ ａ ｒ ｅ ｅ － ｐ ｐ ｇ ｐ ｐ ｇ ｇ ｍ ｅ ｎ ｔ ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｅ ｓ ｔ ｄ ａ ｔ ａ ａ ｓ ｗ ｅ ｌ ｌ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｉ ｎ ｔ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ａ ｒ ｏ ａ ｃ ｈ ｃ ａ ｎ ｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｒ ｒ ｅ ｃ ｔ ｆ ａ ｉ ｌ － ｙ ｐ ｐ ｐ ， ｏ ｏ ｒ ｕ ｒ ｅ ｌ ｏ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｗ ｈ ｉ ｌ ｅ ｔ ｈ ｅ ｌ ｏ ｃ ａ ｌ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ａ ｒ ｏ ａ ｃ ｈ ｓ ｈ ｏ ｗ ｅ ｓ ｆ ｉ ｔ ｎ ｅ ｓ ｓ ａ ｎ ｄ ｌ ｏ ｗ ａ ｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｃ ． － ｐ ｐ ｐ ｙ ：ｓ ；ｎ ；ｓ ；ｓ ； Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｃ ｏ ｎ ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｔ ｃ ｈ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ａ ｄ ｉ ｅ ｎ ｔ ｇ ｙ ｆ ａ ｔ ｉ ｕ ｅ ｌ ｉ ｆ ｅ ｇ 工程构件的疲劳失效通常发生在 众所周知 ， 孔洞等不连续特征所导致的应力集中部位 ， 缺口 、
图 ２ 缺口附近的应力分布与裂纹萌生 Ｆ ｉ ． ２ Ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｔ ａ ｎ ｏ ｔ ｃ ｈ ａ ｎ ｄ ｃ ｒ ａ ｃ ｋ ｇ ｆ ｒ ｏ ｍ ｔ ｈ ｅ ｎ ｏ ｔ ｃ ｈ ｉ ｎ ｉ ｔ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
摘 要 ： 通过对典型缺口件疲劳 寿 命 分 析 方 法 进 行 系 统 的 回 顾 ， 按照疲劳缺口效应描述参数的不同将 缺口件疲劳分析方法划 分 为 ３ 类 ： 局 部 应 力 应 变 法、 应 力 梯 度 法 和 临 界 域 法． 结合４种不同缺口几何下的 对上述 ３ 类 方 法 进 行 的 验 证 对 比 可 以 发 现 ： 考虑了应力梯度和 Ｌ Ｙ １ ２ Ｃ Ｚ 铝合金缺口件的低周疲劳试验数据 ， 如临界域法和应力梯度法 ） 对缺口件 疲 劳 寿 命 的 预 测 结 果 与 试 验 结 果 吻 合 较 好 而 局 部 应 应力场分布的方法 （ 其中应力场强法还能够正确地预测疲劳破坏位置 ． 力wenku.baidu.com变法预测精度较差 ， 关 键 词 ： 应力集中 ； 缺口效应 ； 应力梯度 ； 应力分布 ； 疲劳寿命 中图分类号 ：Ｖ ２ ５ ０ ． ３；Ｏ ３ ４ ６ ． ２ 文献标志码 ：Ａ
因此对应力集中部位的疲劳寿命评估是工程抗疲
］ １］ ２ ６ － ， 而 相 关 研 究 已 发 现［ 具有应 劳设计的关 键 ［ ．
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航 空 动 力 学 报
第２ ８卷
力集中特征的疲劳行为并不唯一由局部最大应力 或应变 ） 控 制， 还与缺口几何以及局部应力 σ ｍ ａ ｘ （ 应变分布有关 ． 如对于缺口几何相似的缺口件 ， 若 减小缺口尺寸 ， 在相同载荷作用下 ， 其疲劳寿命会 特 别 在 保 持 理 论 应 力 集 中 系 数 Ｋｔ 不 变 的 增加 ． 随着缺口尺寸趋于 ０， 缺口件的疲劳性能 情况下 ， 对于这种小缺口相 ． 比大缺口疲劳寿命提高的缺口效应 ， 目前已有很多
DOI:10.13224/j.cnki.jasp.2013.06.017
航空动力学报 第２ ８卷 第６期 Ｖ ｏ ｌ ． ２ ８ Ｎ ｏ ． ６ ２ ０ １ ３年 ６月 Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ａ ｅ ｒ ｏ ｓ ａ ｃ ｅ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｊ ｕ ｎ． ２ ０ １ ３ ｐ