[發明專利]一種基于雙線性累積損傷的時變疲勞可靠性分析方法

在審

• 申請號: 201710290972.2
• 申請日: 2017-04-28
• 公開（公告）號: CN107103140A
• 公開（公告）日: 2017-08-29
• 發明（設計）人: 黃洪鐘;彭兆春;李彥鋒;朱順鵬;米金華;郭駿宇;李賀
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 成都宏順專利代理事務所(普通合伙)51227
• 代理人: 周永宏

技術領域

本發明屬于疲勞可靠性分析與疲勞壽命評估技術領域，具體涉及一種疲勞失效的可靠性分析方法。

背景技術

疲勞破壞目前已成為大多數機械裝備結構的主要失效模式之一。據統計，機械零構件由疲勞而引發的斷裂破壞已高達50％～90％。疲勞現象已遍布航空航天、軌道交通、船舶海洋、橋梁建筑、機械制造等多個領域，由此引發的疲勞事故已層出不窮。疲勞破壞具有很強的隱蔽性和突發性，破壞前無明顯的征兆，對機械裝備的安全運行構成了嚴重威脅，一旦發生破壞易于造成重大事故和生命財產損失。機械裝備零構件或結構的疲勞壽命及其可靠性是制約裝備整機壽命和系統可靠性水平的關鍵因素。機械結構的疲勞失效是結構內部損傷不斷累積的過程，當累積損傷達到損傷閾值時即發生疲勞破壞。在工程實際中，疲勞損傷的特征表現為累積損傷的不可逆性和隨機性，其隨機性包含構成材料疲勞屬性的內在分散性和與服役載荷、環境等因素相關的外在分散性。由于疲勞失效過程具有隨機性和不確定性，疲勞可靠性分析是結構抗疲勞設計的重要內容之一。基于疲勞累積損傷的可靠性建模既要符合疲勞失效的物理機制，還要能正確描述累積損傷過程中的不確定性。

疲勞累積損傷理論為結構壽命預測和可靠性分析提供了有效途徑，根據累積損傷的形式，該理論可分為線性、非線性和雙線性損傷法則。其中，線性損傷法則或Miner法則因其形式簡單在結構疲勞分析中得到了廣泛應用，但該法則存在以下兩個缺陷：①它對疲勞失效機制進行了簡化，未考慮載荷加載的順序效應；②它是一個確定性的累積損傷理論，不能反映累積損傷的分散性和不確定性。針對第一個缺陷，許多學者提出了各種形式的非線性損傷理論對Miner法則進行修正，這些非線性模型具有特定的物理基礎，能夠較好地解釋載荷順序效應。但是，該理論同樣屬于確定性理論，且模型參數較多，可靠性建模過程復雜，難以在工程實際中得到應用。針對第二個缺陷，現有常用的方法是通過引入概率統計理論進行不確定性建模與分析，量化或表征累積損傷過程中的隨機性。但這些建模方法大多仍以Miner法則為依據，無法揭示失效過程的物理本質。

從微觀物理角度分析，疲勞全壽命周期包含疲勞裂紋萌生和疲勞裂紋擴展兩個階段。雙線性累積損傷理論正是以這兩個階段為基礎，在每個階段下均采用線性累積損傷法則進行建模。該理論形式簡單，能正確描述失效過程的兩階段特性，物理意義明確。為此，本發明以雙線性損傷理論為基礎建立概率累積損傷模型。同時，考慮到疲勞載荷作用的時變特性，結合應力-強度干涉模型，構建基于“累積損傷-臨界損傷”動態干涉模型，進行時變疲勞可靠性分析，為機械裝備的安全評定、維修決策和健康管理提供理論支撐。

發明內容

本發明為解決上述技術問題，提出了一種基于雙線性累積損傷的時變疲勞可靠性分析方法，綜合考慮疲勞失效過程裂紋萌生和裂紋擴展的兩階段特性以及累積損傷過程中的隨機性，構建基于“累積損傷-臨界損傷”時變可靠度模型，實現了疲勞全壽命周期內的可靠度預測。

本發明采用的技術方案是：一種基于雙線性累積損傷的時變疲勞可靠性分析方法，包括：

A、確定疲勞壽命數據的概率分布類型及其統計特征參量；

B、選取合適的參考壽命建立雙線性累積損傷物理模型；

C、根據雙線性累積損傷物理模型建立概率累積損傷模型；

D、根據應力-強度干涉理論建立時變疲勞可靠度模型；

E、繪制可靠度曲線并與試驗結果進行比較。

進一步地，所述步驟A具體包括：

A1、根據等幅加載疲勞試驗，分別收集整理不同應力級別下的若干組疲勞壽命試驗數據；

A2、將步驟A1收集到的疲勞壽命試驗數據按從小到大進行排序，計算各應力級別對應的疲勞壽命均值和疲勞壽命標準差；

A3、將步驟A1收集到的疲勞壽命試驗數據進行對數標準化處理，形成對數壽命數據序列，并計算得到各應力級別對應的疲勞壽命數據的統計特征參量，所述疲勞壽命數據的統計特征參量包括：疲勞壽命的對數均值和疲勞壽命的對數標準差；

A4、根據步驟A3的對數壽命數據序列繪制概率紙，確定疲勞壽命的概率分布類型。

進一步地，所述步驟B具體包括：

B1、將最大應力級別對應的疲勞壽命均值作為參考壽命水平；選取疲勞極限附近的壽命水平10⁷作為基準壽命水平，并繪制雙線性損傷中值曲線；