强化和损伤共同作用下剩余强度和寿命的评价方法 【技术领域】
本发明涉及一种用于材料或机械零件剩余强度和寿命的评价方法，具体涉及一种用于不同强度级别材料或零件，强化和损伤共同作用下的低载强化规律、剩余强度和寿命的评价方法。
背景技术
在车辆工程领域，传统的线性和非线性疲劳损伤理论仅以S-N曲线或应变-寿命曲线为基础，几乎不考虑使用过程中的低幅载荷对结构造成的强度强化，只考虑大载荷对结构造成的损伤，据此进行的结构剩余强度和寿命评价往往是偏于安全的，不利于汽车的轻量化结构设计。
汽车使用中遇到的随机载荷，80％是低幅载荷(即幅值低于疲劳极限)，结构出现裂纹萌生前，这些载荷可能对结构造成强化。(在车辆行业，结构萌生可见裂纹后，即认为失效)所谓低载强化，指低幅载荷反复作用后，结构强度(包括静强度和疲劳强度)增高的现象。尽管半个多世纪以来，国内外研究人员不断发现低载强化现象的存在，至今未见到有应用低载强化进行汽车结构轻量化设计的具体报道。
目前，全球都在探讨汽车轻量化的有效方法和途径，但是至今仍未见到既轻量化又低成本的汽车面市。鉴于我国资源贫乏的现状，探索和研究既减重又低成本的汽车结构设计理论和方法具有重大意义；深入研究并掌握载荷特性和材料或零件的强度特性，是实现汽车结构轻量化设计的技术关键。
【发明内容】
本发明公开了一种强化和损伤共同作用下剩余强度和寿命的评价方法，基于车辆使用载荷谱中大量低幅载荷对零件强度的强化作用(即低载强化)的研究积累，提出从强化和损伤两方面来处理载荷，以接近真实物理过程，在设计阶段进行合理的减重，同时提高寿命预估精度；克服现有技术对结构剩余强度和寿命的评价，只考虑大载荷对结构造成的损伤，而不考虑使用过程中的低幅载荷对结构造成的强度强化，评价精度低，致使结构偏于安全、不利于结构的轻量化设计，以至于浪费材料、浪费能源。
一种强化和损伤共同作用下剩余强度和寿命的评价方法，其特征在于：所述方法的步骤如下：
(A)通过测试或参考相关技术资料获取材料或零件的原始应力-寿命曲线，并确定零件的疲劳强度及使用过程中的低幅载荷范围；
(B)通过已有的低强度和高强度材料或零件的低载强化特性数据，借助样条插值的数值方法建立不同强度级别材料或零件低载强化的一般规律；
(C)结合材料或零件的应力-寿命曲线和低载强化规律，建立强化和损伤共同作用下的疲劳强度变化规律；并根据载荷谱的载荷等级和频次特征参数，计算出给定使用里程下零件的瞬时疲劳强度值，即剩余疲劳强度；
(D)根据不断变化的剩余疲劳强度建立瞬时应力-寿命曲线，据此瞬时应力-寿命曲线按Miner线性损伤理论进行材料或零件寿命评价。
利用这种方法，可以通过分析材料或零件的强度等级及在强化和损伤共同作用下低载强化规律实现材料或零件剩余强度和寿命的评价。
本发明为正确评估随机载荷谱中强度和损伤共同作用下的剩余强度和寿命评价技术提供了理论和方法，克服了Miner理论仅“将大载荷作的功看作损伤，忽略低幅载荷作的功”的缺陷，解决了传统疲劳损伤累积理论单向考虑材料强度衰减的弊端，使结构设计工程师在设计阶段能准确评估零件的耐久性，保证在满足使用寿命的前提下使结构设计轻量化，节约资源。
【附图说明】
图1为低载强化的力学模型。
【具体实施方式】
以下结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述。
以拖拉机的半轴(中强度零件。材料为40Cr，屈服极限905.5MPa，抗拉强度1000.3MPa)在随机载荷谱下寿命实验为例，所有试验均在电液伺服扭转疲劳试验机上进行。试样装夹方式为左端花键固定，右端花键施以纯扭转载荷，加载过程中不限制试件轴向的轻微移动，以保证试样受扭时的轴向变形不受限制。拖拉机半轴强化和损伤共同作用下的剩余强度和寿命的评价方法如下：
(A)通过测试或参考相关技术资料获取材料或零件地原始应力-寿命曲线，并确定零件的疲劳强度及使用过程中的低幅载荷范围；
对拖拉机半轴原始载荷谱处理后得到的试验5级应力谱见表1。
表1拖拉机半轴试验(未强化)应力谱
未强化试验载荷谱S-N曲线如下：
τm＝134.72，lgNf＝17.3897-5.7244lgτa；
τm＝121.09，lgNf＝17.5389-5.7808lgτa；
τm＝107.32，lgNf＝17.6884-5.8371lgτa；
τm＝93.81，lgNf＝17.8340-5.8918lgτa。
对零件扭转疲劳试验，常以200万次为寿命基数估算的疲劳极限。按Goodman平均应力修正公式，表1中只有第5级为低幅载荷，当量应力幅值为81.21MPa，低于疲劳极限90.68MPa。
(B)通过已有的低强度和高强度材料或零件的低载强化特性数据，借助样条插值的数值方法建立不同强度级别材料或零件低载强化的一般规律；
(i)低强度零件低载强化试验
以国产某汽车前轴(低强度材料，疲劳极限为144.5MPa)为例，进行低载强化的定量试验，即在给定低幅载荷下采用不同的强化次数进行强化试验，得到不同平均验证寿命，试验结果见表2。试验载荷与最大名义应力的对应关系为：1KN相当于7.22MPa。
表2某汽车前轴低载强化定量试验结果
实验结果表明，强化载荷当量幅值130.01MPa，强化次数在2.0×105次左右，将对结构造成最佳强化效果。185.63MPa载荷下寿命为6.30×105，将此寿命代入前轴S-N曲线方程式，见式(1)：
lgs＝3.3481-0，1948lgN(1)
得到对应的S-N曲线上的应力为：S＝165.35MPa。也就是说，强化前载荷S＝165.35MPa与强化后载荷S＝185.63MPa有相同的寿命，即在最佳强化点强化后疲劳强度提高的比例为：
(185.63-165.35)/165.35×100％＝12.26％(2)
到达最佳强化点以后，继续施加低幅载荷到3.0×105、4.5×105和6.0×105次，平均验证寿命随强化次数增多而减小，分别为4.45×105、3.57×105、3.10×105次。因此，假定低幅载荷作用效果以最佳强化点为分界点，到达最佳强化点以前，低幅载荷有强化作用；到达最佳强化点以后低幅载荷有损伤作用。
实验表明，低强度零件低载强化以20万次为最佳强化次数，强化后疲劳强度提高的最大比例为12.26％。之后再继续强化，疲劳强度趋于降低，见表3。
表3最佳强化点以后强化次数与疲劳强度变化关系
进一步处理后可得到低强度零件低载强化后疲劳强度衰减规律，见表4。
表4强化次数与疲劳强度变化速率关系
注：表中“+”代表疲劳疲劳强度提高，“-”代表疲劳强度降低。
(ii)高强度零件的低载强化试验
以某汽车变速箱倒档圆柱齿轮(高强度材料，疲劳极限为359.22MPa)为例，通过低载强化的定量试验，得到不同的平均验证寿命，试验结果见表5。试验载荷与最大名义应力的对应关系为：1KN相当于86.35MPa。
表5某汽车变速箱齿轮低载强化定量试验结果
实验结果表明，强化载荷当量幅值287.55MPa强化次数在3.0×105次左右，将对结构造成最佳强化效果。422MPa载荷下寿命为2.25×105，将此寿命代入齿轮S-N曲线方程式，见式(3)：
S＝676.9075-50.4767lgN(3)
得到对应的S-N曲线上的应力为：S＝406.75MPa。强化前为406.75MPa的载荷与强化后为422MPa的载荷具有相同的寿命，即强化后疲劳强度提高的最大比例为：
(422-406.75)/406.75×100％＝3.75％(4)
到达最佳强化点以后，继续施加低幅载荷作用到4.0×105次，平均验证寿命随强化次数增多而减小到1.49×105次。这里，同样反映出了低幅载荷作用效果的两重性，即到达最佳强化点以前，低幅载荷有强化作用；到达最佳强化点以后低幅载荷有损伤作用。
实验表明，高强度零件低载强化以30万次为最佳强化次数，强化后疲劳强度提高的最大比例为3.75％。低载强化30万次以后，疲劳强度趋于降低，再作用10万次，强化后疲劳强度降低的比例为2.22％。进一步处理后，可得到高强度零件低载强化后疲劳强度衰减规律，见表6。
表6高强度零件强化次数与疲劳强度变化速率关系
注：表中“+”代表疲劳疲劳强度提高，“-”代表疲劳强度降低。
(C)结合材料或零件的应力-寿命曲线和低载强化规律，建立强化和损伤共同作用下的疲劳强度变化规律；并根据载荷谱的载荷等级和频次特征参数，计算出给定使用里程下零件的瞬时疲劳强度值，即剩余疲劳强度。
根据高强度和低强度零件低载强化试验，取高、低强度零件最佳强化次数和疲劳强度提高比例中间值为中强度零件最佳强化次数和疲劳强度提高比例。得到中强度零件以25万次为最佳强化次数，此时疲劳强度提高值为8.01％。即此得到强化和损伤共同作用下的疲劳强度变化规律列于表7和表8。
表7最佳强化点前强化次数与疲劳强度变化关系
根据高强度和低强度零件低载强化试验，不同强度等级零件最佳强化点后强化次数与疲劳强度变化关系列于表8。
表8最佳强化点以后强化次数与疲劳强度变化关系
根据表3可以得到不同强度等级零件强化次数与剩余强度变化关系。连续施加第5级低幅载荷，则强化次数与剩余强度变化关系如下表9所示。
表9强化次数与剩余强度变化关系
注：表中“+”代表剩余强度提高，“-”代表剩余强度降低。
(D)根据材料或零件低载强化规律与寿命评价技术之间的对应关系，进行材料或零件寿命评价。
根据低载强化理论对未强化试验载荷谱下的疲劳寿命进行估算时，将试验近似假设分成三个部分进行。
第一部分，将第5级应力施加25万次以得到最佳强化效果，对应此强化效果的谱块数为：
此时，零件疲劳强度提高的最大比例8.01％，其原来的S-N曲线I提高到新的S-N曲线II。由A点移动到D点，即相同应力下，疲劳寿命增加，如图1所示。
零件原来的S-N曲线为曲线I，强化后的新S-N曲线为曲线II。图1表明在同样载荷下，疲劳寿命延长，整个S-N曲线向右上方平移，S-N曲线的斜率基本不变。
假设试验首先施加低幅载荷。低幅载荷作用施加到最佳强化次数时，零件疲劳强度提高到最大，此时零件的S-N曲线由原来的曲线I提高到新曲线II。在相同应力σ1下，疲劳寿命由N1增加到N2，即由A点移动到D点。
具体找到D点的计算方法为(以应力级1为例)：
(1)在原来S-N曲线上，由B点对应的应力σ2过渡到D点对应的应力σ1，零件疲劳强度增加8.01％，即由公式：(σ1-σ2)/σ2×100％＝a％得到：
(127.99-σ2)/σ2×100％＝8.01％
已知σ1，可以求出B点对应的应力σ2＝118.50MPa。
(2)在原来S-N曲线上τm＝134.72时，lgNf＝17.3897-5.7244lgτa。已知B点对应的应力σ2可以求出B点对应的寿命N2＝3.31×105次。而B、D两点有相同的疲劳寿命N2。
(3)已知D点对应的应力σ1和疲劳寿命N2，又知新S-N曲线II斜率与原来S-N曲线I斜率相同，可求出新S-N曲线II的τm＝134.72，lgNf＝17.5821-5.7244lgτa。
由于第5级应力是应力幅值低于疲劳极限的低幅载荷作用，假设零件强化后第5级应力在S-N曲线上疲劳寿命Ni不变。其他各应力级在新S-N曲线II上对应的寿命如表10。
表10零件强化后载荷谱中各级应力所对应的寿命
还要注意，第一部分作用以后，半轴达到新的S-N曲线，运用Miner理论计算损伤量时，只需计算第二和第三部分损伤和为1。
第二部分，只施加152.44块应力级为1-4的大载荷。总损伤为：
XΣ14niNi=(173.31×105+544.47×105+1409.12×105+4472.51×106)×152.44=7.68×10-2]]>
式中X为循环块数。
第三部分，按照试验应力谱施加应力级为1-5的应力。直到半轴疲劳断裂。一个循环试验谱块的累计损伤为：
Σi-15niNi=173.31×105+544.47×105+1409.12×105+4472.51×106+16406.84×106=7.44×10-4]]>
总损伤等于上述第二、三部分损伤之和：
7.68×10-2+7.44×10-4X＝1
解得X＝1240.86块，总共循环1240.86+152.44＝1393.3块。谱载荷下试验寿命为
Nf＝1393.3×2298＝3.20×106(次)
此时考虑低载强化疲劳寿命为3.20×106次。根据文献提供的试验结果，与表1对应的随机载荷谱下半轴的试验寿命为3.05×106次，两者相比，误差为5％。