多轴疲劳近年发展综述

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1、多轴疲劳研究进展综述摘要：由于疲劳研究的重要性和多轴疲劳问题存在的普遍性，多轴疲劳理论及其应用的研究逐渐受到了广泛的重视。本文简要综述了近年来国内外关于多轴疲劳损伤准则的最新研究进展，并结合自身的学科背景与研究方向对几类主要模型进行点评。关键词：多轴疲劳临界面法疲劳损伤引言疲劳指材料在循环载荷作用下，某点或某些点产生了逐渐的永久结构变化，导致在一定的循环次数后形成裂纹或发生断裂的过程。疲劳理论发展至今，人们已经对单轴疲劳进行了全面、深入的研究，得到了一些比较成熟的理论和模型，例如名义应力法、局部应力应变法、场强法等。但是在工

2、程实际中，零部件大部分承受的是多轴载荷，一方面零部件本身形状复杂，即使在单轴受力下局部仍会出现多轴应力状态；另一方面，零部件本身就承受多轴组合载荷，这些载荷同步或不同步作用在构件上。多轴疲劳的研究比单轴疲劳更加接近工程实际，故受到了工程设计和研究人员的广泛关注，相应地提出了一些预测多轴疲劳寿命的方法，例如等效应变法、能量法、临界平面法等，但是迄今为止还没有找到一种能够被广泛接受的方法，大量地试验研究有待开展下去。本文试图将近几年的研究成果作一个总结，希望能对今后的研究工作有所帮助。现有的为数不多的多轴非比例加载下的疲劳寿命预

3、测模型，大多数是从单轴疲劳寿命预测模型发展而来的，并且都是在一些特定的试验条件和有限数据基础上得到的，目前普遍接受且具有研究前景的方法归纳起来大致分为两类：等效参数型和损伤力学型。1等效参数模型在单轴疲劳研究的基础上，Kanazawa、Brown和Miller[1，2]对多轴低周疲劳进行了大量的研究，研究表明，在固定应变幅的情况下，具有明显非比例加载的低周疲劳寿命低于比例加载的寿命，因此按照常规的疲劳寿命预测方法，将给出比较危险的预测值。对于多轴低周疲劳的寿命预测，等效参数模型主要包括等效应变法、能量法、临界面法、局部应力应

4、变法等，其中临界面法考虑到引起损伤的危险面，具有一定的物理意义，所以是目前应用比较普遍的一种寿命预测方法。1.1等效应变法通过定义合适的等效应变，对于多轴低周疲劳有（1）式中为等效塑性应变，K、j为材料常数。可以定义为八面体剪应变、最大剪应变、最大正应变、vonMises等效应变等。2.2能量法为了克服等效应变法在估算低周疲劳寿命时的不足，考虑到塑性形变功是引起材料不可逆损伤和疲劳破坏的主要原因，很多学者[3，6]提出低周疲劳寿命估算的能量方法，这一方法被应用于单轴低周疲劳获得成功后，将其推广到多轴低周疲劳。对于多轴非比例加

5、载低周疲劳，Garud[4，8]及Jordan[7]给出如下判据（2）（3）式中为塑性形变功，、为材料常数。1.3临界面法Brown和Miller于1973年提出临界面准则[9]，该方法假定材料失效发生在某一给定的损伤参数达到最大的平面，认为裂纹产生的平面就是最危险的平面，而大量试验表明裂纹一般都产生于最大切应变平面上，故该方法定义承受最大切应变的平面为临界平面。他们指出，在研究多轴疲劳损伤时，应当同时考虑在最大切应变平面上的循环切应变和法向正应变，因为循环切应变有助于裂纹成核，而正应变有助于裂纹扩展。临界面准则不仅考虑了应

6、力、应变的大小，而且还考虑应力、应变所在平面及其方向。他们同时把裂纹分成两种情况，在拉扭组合载荷中，第一和第三主应变平行于表面，裂纹沿表面扩展，称为A型裂纹；对于正的双轴应力，第三主应变垂直于自由面，裂纹在最大切应变面上起裂，进而沿纵深扩展称为B型裂纹。他们针对A型裂纹给出如下寿命估算模型：(4)式中：A=1.3+0.7k，B=1.5+0.5k；k–––材料常数；–––最大切应变，它决定裂纹所在面的方向和裂纹的类型，并对裂纹扩展速率和疲劳寿命起主要作用；–––作用在最大切应变平面上的正应变，它对裂纹扩展也起一定的影响作用。F

7、atemi和Socie在研究剪切损伤占主导地位的材料时发现[10]，非比例加载下附加强化对疲劳寿命的影响很大，必须给予一定的考虑，由于主轴旋转所产生的附加强化，建议以法向应力代替法向应变，提出如下剪切形式的寿命预测模型：（5）式中：–––临界面上的最大剪应变幅；–––临界面上的最大正应力；–––屈服强度；–––由单轴和扭转疲劳试验确定的常数；G是剪切模量；，，，–––纯扭循环加载下的疲劳材料常数。X.Chen指出，在非比例加载时，非比例附加强化是导致疲劳寿命降低的主要原因，与最大剪切平面垂直的拉伸应变影响疲劳裂纹的扩展速率，

8、基于临界面概念，提出如下剪切形式的疲劳寿命测模型[11]：(6)式中：–––最大剪切应变范围；–––与最大剪切平面垂直的拉伸应变范围；–––非比例度；–––附加强化因子。L.susme[12]等人于2001年提出了一种新的基于临界面法的多轴疲劳寿命预测方法。该方法是一种修正了的S一N曲线的