确定性疲劳累积损伤理论进展VIP免费

2003年4月第5卷第4期中国工程科学EngineeringScienceApr.2003Vol�5No�4综合述评[收稿日期]�2002-07-19;修回日期�2002-12-31[作者简介]�杨晓华(1964-),男,江苏启东市人,博士,海军航空工程学院青岛分院教授确定性疲劳累积损伤理论进展杨晓华1,2,姚卫星1,段成美2(1.南京航空航天大学,南京�210016;2.海军航空工程学院青岛分院,山东青岛�266041)[摘要]�著名的Miner-Palmgren线性累积损伤理论的提出已有70余年,但由于疲劳问题的复杂性,迄今为止还没有一个模型的工程应用价值能与该理论媲美。疲劳累积损伤理论仍在发展与完善中。文章根据疲劳损伤与疲劳累积损伤理论的特点,将确定性疲劳累积损伤理论分成两大类,即线性累积损伤理论和非线性累积损伤理论,并将主要的非线性累积损伤理论分成五类:a.基于损伤曲线法的非线性累积损伤理论;b.基于材料物理性能退化概念的非线性累积损伤理论;c.基于连续损伤力学概念的非线性累积损伤理论;d.考虑载荷间相互作用效应的非线性累积损伤理论;e.基于能量法的非线性累积损伤理论。文章分析了每一类模型中有代表性模型的物理背景,回答了模型在疲劳累积损伤理论中存在的主要问题,简要评述了模型的优缺点,讨论了确定性疲劳累积损伤理论的几个关键问题。[关键词]�疲劳;线性与非线性;累积损伤;损伤力学;能量[中图分类号]V215�52��[文献标识码]A��[文章编号]1009-1742(2003)04-0081-071�引言大多数工程结构或机械的失效是由一系列变幅循环载荷产生的疲劳累积损伤造成的。疲劳累积损伤理论是研究在变幅疲劳载荷作用下疲劳损伤的累积规律和疲劳破坏准则,它对疲劳寿命的预测十分重要。2�疲劳损伤疲劳损伤的定义:受损物体在交变载荷作用下价值或用途减小。其物理解释通常是将损伤概念与失去完整性相联系,如形成微观裂纹、物理性能下降等。疲劳损伤在物理上的形式是多种多样的,这是造成疲劳强度和疲劳寿命分析困难的根本所在。目前定义损伤变量有两种途径:a.微观的或物理的;b.宏观的或维象的。不论采用何种损伤定义,疲劳损伤都有以下特点:1)不可逆性。疲劳损伤无论在空间上还是在时间上都是一个连续变化的内变量,是材料真实缺陷对材料力学行为影响的笼统表观量。因此,真实损伤与损伤状态变量之间有一定的函数关系。按照连续介质损伤力学的观点,疲劳累积损伤是在交变载荷作用下,材料内部结构不可逆变化过程的宏观连续变量;从能量观点看又是一种能量耗散的不可逆过程[1]。损伤力学从宏观角度用材料的微观裂纹和微孔洞数量,或材料弹性模量、屈服极限、质量、密度等的变化,来表征材料内部损伤变量[2],该变量与时间过程具有单调性。因此,无论宏观上还是微观上,疲劳损伤都是一个不可逆过程。2)随机性。疲劳损伤的随机性主要来自两方面[3]:a.材料内在因素的随机性。微观观测表明,材料的实际损伤是各向异性的,分布是随机的,演化过程也是随机的、不连续的;而宏观疲劳损伤正是微观结构与组织的分布不确定性引起大量微损伤的集体贡献。材料的内在因素同样引起材料宏观性能如弹性模量、屈服极限、抗拉强度、断裂韧性等物理性能的随机分布。b.外部因素的随机性。外载荷、加工工艺、伺服环境等外部条件在疲劳损伤过程中伴有随机性,这种随机性也可引起疲劳损伤的巨大分散性。在实验室可以通过控制实验条件把这种分散性降低到最小。然而,即使严格控制试验载荷谱、试验条件及试验件,疲劳寿命和疲劳特性数据仍表现出相当大的分散性。3�确定性疲劳累积损伤理论任何一个疲劳累积损伤理论必定以疲劳损伤D的定义为基石,以疲劳损伤的演化dD/dN为基础。一个合理的疲劳累积损伤理论,其疲劳损伤D应该有比较明确的物理意义,有与试验数据比较一致的疲劳损伤演化规律,以及使用比较简单。按照疲劳累积损伤规律,目前的疲劳累积损伤理论,从方法论上划分,可归纳为宏观维象的疲劳累积损伤理论和基于某种损伤机制的、半分析的疲劳累积损伤理论;从事物的不确定性上划分,有确定性疲劳累积损伤理论和用于疲劳可靠性分析的疲劳累积损伤统计理论。笔者在这里只研究确定性疲劳累积损伤理论。构造一个疲劳累积损伤理论,不论它有效与否,必须定量地回答三个问题:a.一个载荷循环对材料或结构造成多...