[發(fā)明專利]一種預(yù)測(cè)材料疲勞壽命的方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410328687.1
• 申請(qǐng)日: 2014-07-10
• 公開（公告）號(hào): CN104156500A
• 公開（公告）日: 2014-11-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 謝里陽(yáng);白鑫;劉建中
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東北大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 沈陽(yáng)東大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

1.一種預(yù)測(cè)材料疲勞壽命的方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、對(duì)被測(cè)材料進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，采集各應(yīng)力下對(duì)應(yīng)的疲勞壽命數(shù)據(jù)，確定每級(jí)應(yīng)力下對(duì)數(shù)疲勞壽命均值的估計(jì)值，通過(guò)最小二乘法確定應(yīng)力與疲勞壽命之間的關(guān)系，并獲得各個(gè)應(yīng)力下的對(duì)數(shù)疲勞壽命均值的擬合值；

具體過(guò)程如下：

步驟1-1、選取所需材料作為被測(cè)材料，選擇在3級(jí)或3級(jí)以上應(yīng)力下對(duì)被測(cè)材料進(jìn)行疲勞壽命試驗(yàn)，獲得各應(yīng)力下對(duì)應(yīng)的疲勞壽命數(shù)據(jù)；

步驟1-2、根據(jù)獲得各應(yīng)力下對(duì)應(yīng)的疲勞壽命數(shù)據(jù)，將其取對(duì)數(shù)，得到各應(yīng)力下的對(duì)數(shù)疲勞壽命，并對(duì)其取平均值，獲得各應(yīng)力下對(duì)應(yīng)的對(duì)數(shù)疲勞壽命均值的估計(jì)值；

步驟1-3、根據(jù)獲得各應(yīng)力下對(duì)應(yīng)的對(duì)數(shù)疲勞壽命均值的估計(jì)值，采用最小二乘法擬合，得到應(yīng)力-疲勞壽命的曲線方程，即獲得疲勞壽命方程，并由疲勞壽命方程計(jì)算出各個(gè)應(yīng)力下的對(duì)數(shù)疲勞壽命均值的擬合值，疲勞壽命方程如下：

S＝CN^b????????????????(1)

其中，S為應(yīng)力；

N為疲勞壽命；

C、b為常數(shù)；

步驟2、通過(guò)等壽命轉(zhuǎn)換，將各低應(yīng)力下的疲勞壽命數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為目標(biāo)應(yīng)力下的等效疲勞壽命數(shù)據(jù)，比較等壽命轉(zhuǎn)換后的對(duì)數(shù)疲勞標(biāo)準(zhǔn)差與目標(biāo)應(yīng)力下的對(duì)數(shù)疲勞壽命標(biāo)準(zhǔn)差的相對(duì)差異，經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)及反復(fù)校正，直至相對(duì)差異符合設(shè)定范圍，即獲得各應(yīng)力下的對(duì)數(shù)疲勞壽命標(biāo)準(zhǔn)差最優(yōu)值和待定系數(shù)的最優(yōu)值；

步驟2-1、在α的取值范圍內(nèi)，將α平均分成1000～1500份，獲得每一個(gè)區(qū)間邊界點(diǎn)的α_i，在待定系數(shù)K的取值范圍內(nèi)，將K值平均分成與α相同的份數(shù)，獲得區(qū)間邊界點(diǎn)K_i，設(shè)定目標(biāo)應(yīng)力下的對(duì)數(shù)疲勞壽命標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)而獲得α_i與K_i構(gòu)成的所有組合情況，在每對(duì)α_i與K_i的情況下，獲得其他應(yīng)力下的對(duì)數(shù)疲勞壽命標(biāo)準(zhǔn)差，根據(jù)已知的應(yīng)力S_i與對(duì)數(shù)疲勞壽命標(biāo)準(zhǔn)σ_i的關(guān)系，所用的公式如下：

σi=σ^1+K(S1-Si)---(2)]]>

其中，σ_i表示第i應(yīng)力下的對(duì)數(shù)疲勞壽命標(biāo)準(zhǔn)差，i＝1，2，...；

S_i表示第i應(yīng)力的大小；

K為待定系數(shù)；

步驟2-2、根據(jù)在每對(duì)α_i與K_i的情況下獲得的所有應(yīng)力下的對(duì)數(shù)疲勞壽命標(biāo)準(zhǔn)差，將各低應(yīng)力下的疲勞壽命數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換為目標(biāo)應(yīng)力下的等效疲勞壽命數(shù)據(jù)，即等效壽命轉(zhuǎn)換，等效壽命轉(zhuǎn)換公式如下：

lgNkj=σkσi×(lgNij-μi)+μk---(3)]]>

其中，lgN_kj表示轉(zhuǎn)換到第k應(yīng)力下的j試樣的對(duì)數(shù)疲勞壽命；

σ_k表示第k應(yīng)力下的對(duì)數(shù)疲勞壽命標(biāo)準(zhǔn)差；

σ_i表示第i應(yīng)力下的對(duì)數(shù)疲勞壽命標(biāo)準(zhǔn)差；

lgN_ij表示第i應(yīng)力下的j試樣的對(duì)數(shù)疲勞壽命；

μ_i表示第i應(yīng)力下的對(duì)數(shù)疲勞壽命均值；

μ_k表示第k應(yīng)力下的對(duì)數(shù)疲勞壽命均值；

k表示第k應(yīng)力；

i表示第i應(yīng)力；

步驟2-3、根據(jù)在每對(duì)α_i與K_i的情況下獲得的高應(yīng)力下的等效疲勞壽命數(shù)據(jù)，通過(guò)等效壽命轉(zhuǎn)換，獲得目標(biāo)應(yīng)力下混合數(shù)據(jù)的對(duì)數(shù)疲勞壽命均值和對(duì)數(shù)疲勞壽命標(biāo)準(zhǔn)差；

步驟2-4、比較等效壽命轉(zhuǎn)換后目標(biāo)應(yīng)力下混合數(shù)據(jù)的對(duì)數(shù)疲勞壽命標(biāo)準(zhǔn)差與等效壽命轉(zhuǎn)換前設(shè)定目標(biāo)應(yīng)力下的對(duì)數(shù)疲勞壽命標(biāo)準(zhǔn)差的相對(duì)差異，獲得所有對(duì)α_i與K_i的情況下的相對(duì)差異，從中選擇相對(duì)差異最小值，即獲得最優(yōu)的目標(biāo)應(yīng)力水平下的對(duì)數(shù)壽命標(biāo)準(zhǔn)差α_right及與其對(duì)應(yīng)的K_right，其中計(jì)算相對(duì)差異的公式如下：

Δ=|σ1′-σ^1σ^1|---(4)]]>

其中，Δ表示等效壽命轉(zhuǎn)換后目標(biāo)應(yīng)力下對(duì)數(shù)疲勞壽命標(biāo)準(zhǔn)差σ₁′與等效壽命轉(zhuǎn)換前設(shè)定的目標(biāo)應(yīng)力下的對(duì)數(shù)疲勞壽命標(biāo)準(zhǔn)差的相對(duì)差異；

步驟2-5、根據(jù)獲得的最優(yōu)的目標(biāo)應(yīng)力水平下的對(duì)數(shù)疲勞壽命標(biāo)準(zhǔn)差α_right及與其對(duì)應(yīng)的K_right，對(duì)K的取值范圍進(jìn)行更新，將K更新后的取值范圍平均分成1000～1500份，每一個(gè)區(qū)間邊界點(diǎn)為K′_i，將α_right與每個(gè)K′_i分別代入公式(2)，更新其他應(yīng)力下的對(duì)數(shù)疲勞壽命標(biāo)準(zhǔn)差，并返回執(zhí)行步驟2-2～2-4，獲得更新后的K′_right；

步驟2-6，根據(jù)獲得的更新后的K′_right，反復(fù)執(zhí)行步驟2-5，直至達(dá)到設(shè)定次數(shù)，進(jìn)而獲得最優(yōu)的K″_right；

執(zhí)行次數(shù)公式如下：

m＝50×2^p-1????????????????(5)

其中，m表示步驟2-5執(zhí)行次數(shù)；

p表示α_right變化的次數(shù)；

步驟2-7、根據(jù)獲得的最優(yōu)的目標(biāo)應(yīng)力下的對(duì)數(shù)疲勞壽命標(biāo)準(zhǔn)差α_right與步驟2-6獲得的最優(yōu)的K″_right，計(jì)算相對(duì)差異值并判斷相對(duì)差異值是否小于設(shè)定誤差值，若相對(duì)差異值小于設(shè)定誤差，則α_right與K″_right即為所求的最優(yōu)值；若相對(duì)差異值大于或等于設(shè)定誤差，則將K的范圍取為初始范圍，即步驟2-1中K的范圍，并設(shè)定α的新的取值范圍，將α更新后的取值范圍和K的范圍平均分成1000～1500份，利用公式(2)，更新其他應(yīng)力下的對(duì)數(shù)疲勞壽命標(biāo)準(zhǔn)差，返回執(zhí)行步驟2-2～步驟2-7，最終獲得最優(yōu)的目標(biāo)應(yīng)力下的對(duì)數(shù)疲勞壽命標(biāo)準(zhǔn)差α_right與其對(duì)應(yīng)的K″_right；

步驟3、根據(jù)最終獲得最優(yōu)的目標(biāo)應(yīng)力下的對(duì)數(shù)疲勞壽命標(biāo)準(zhǔn)差α_right與其對(duì)應(yīng)的待定系數(shù)K″_right，利用公式(2)，更新獲得其他應(yīng)力下的對(duì)數(shù)疲勞壽命標(biāo)準(zhǔn)差；

步驟4、根據(jù)獲得的所有應(yīng)力下的對(duì)數(shù)疲勞壽命標(biāo)準(zhǔn)差，返回執(zhí)行步驟2-2～2-3，并根據(jù)獲得的等效壽命轉(zhuǎn)換后目標(biāo)應(yīng)力下混合數(shù)據(jù)的對(duì)數(shù)疲勞壽命均值和其他應(yīng)力水平下的對(duì)數(shù)疲勞壽命均值，采用最小二乘法擬合應(yīng)力-疲勞壽命的曲線，獲得中值應(yīng)力-疲勞壽命的曲線方程；

步驟5、根據(jù)獲得的等效壽命轉(zhuǎn)換后目標(biāo)應(yīng)力下混合數(shù)據(jù)的對(duì)數(shù)疲勞壽命均值和標(biāo)準(zhǔn)差、等效壽命轉(zhuǎn)換后其他應(yīng)力水平下的對(duì)數(shù)疲勞壽命均值和標(biāo)準(zhǔn)差，確定各應(yīng)力下，對(duì)應(yīng)于存活率和置信度的對(duì)數(shù)疲勞壽命，采用最小二乘法擬合存活率-應(yīng)力-疲勞壽命曲線，獲得存活率-應(yīng)力-疲勞壽命的曲線方程，根據(jù)獲得的存活率-應(yīng)力-疲勞壽命曲線方程預(yù)測(cè)材料疲勞壽命；

各應(yīng)力下，對(duì)應(yīng)于存活率P和置信度C的對(duì)數(shù)疲勞壽命公式如下：

lgN_i，p＝μ_i+h(C，P，n)×σ_i????????????(6)

其中，lgN_i，p表示對(duì)應(yīng)于存活率P的對(duì)數(shù)疲勞壽命；

h(C，P，n)表示新單側(cè)容限系數(shù)，其中n為各級(jí)應(yīng)力下的試樣總數(shù)；

步驟6、工作人員根據(jù)預(yù)測(cè)的壽命結(jié)果進(jìn)行工程選材，根據(jù)預(yù)測(cè)的本材料零部件的失效時(shí)間，提前估計(jì)更換準(zhǔn)備。