本發(fā)明涉及金屬材料疲勞壽命預(yù)測領(lǐng)域，具體而言，涉及基于應(yīng)力控制的高強度結(jié)構(gòu)鋼材料疲勞壽命的預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

1、疲勞失效是近代船舶失效的主要原因之一，因疲勞破壞往往是經(jīng)過一段時間發(fā)生突然性脆性斷裂，會導(dǎo)致災(zāi)難性后果和及其嚴重的損失，因而船體結(jié)構(gòu)鋼的疲勞問題在工程應(yīng)用中顯得尤為重要，對船體結(jié)構(gòu)進行的疲勞強度設(shè)計、校核對裝備安全服役具有重要意義。而材料的s-n曲線是結(jié)構(gòu)疲勞強度設(shè)計與校核的基礎(chǔ)參數(shù)之一，在強度與壽命設(shè)計中廣泛應(yīng)用，應(yīng)力-壽命(s-n)曲線方程是表征在應(yīng)力控制加載條件下材料疲勞性能的常用手段，是評價材料疲勞性能的主要依據(jù)之一，s-n曲線方程的獲取方法通常為：在不同的應(yīng)力水平下通過在疲勞試驗機上對材料試樣進行疲勞試驗，得到試樣的應(yīng)力水平數(shù)據(jù)和疲勞壽命數(shù)據(jù)對，通過數(shù)據(jù)處理擬合得到材料的s-n曲線，其形式一般為σmn＝常數(shù)。但是這種方法試驗周期長，需耗費大量的人力與物力，效率較低，因而預(yù)測材料的疲勞性能是學(xué)術(shù)界和工程界一直關(guān)注的熱點問題。

2、在相關(guān)技術(shù)中研究者提出利用預(yù)測模型來預(yù)測材料的疲勞壽命。

3、現(xiàn)有技術(shù)中申請?zhí)朿n202011489152.4的專利公開了一種基于修正塑性應(yīng)變能的金屬材料疲勞壽命預(yù)測方法，其主要適用于應(yīng)變控制條件下的壽命預(yù)測。

4、現(xiàn)有技術(shù)中申請?zhí)朿n202310866213.1的專利公開了一種考慮平均應(yīng)力效應(yīng)的疲勞壽命預(yù)測方法，通過等效應(yīng)變能密度與疲勞壽命的關(guān)系，建立了考慮平均應(yīng)力效應(yīng)的疲勞壽命預(yù)測模型，但是該預(yù)測模型不僅需要靜態(tài)材料參數(shù)，還需要較多的循環(huán)材料參數(shù)和平均應(yīng)力敏感性參數(shù)，獲取這些性能參數(shù)需要開展較繁瑣的物理試驗。

5、現(xiàn)有技術(shù)中申請?zhí)柹暾坈n202311558000.9的專利公開了一種預(yù)測不同溫度金屬疲勞壽命關(guān)系的方法，步驟如下：(1)進行扭轉(zhuǎn)疲勞試驗或使用已有的疲勞壽命數(shù)據(jù)庫得到不同溫度下金屬疲勞壽命；(2)對比使用成熟的s-n曲線模型擬合出不同溫度下的應(yīng)力-壽命(s-n)曲線；(3)通過kohout提出的基于basquin方程的疲勞強度隨溫度變化的公式對得到的不同溫度下的s-n曲線進行基于室溫下的s-n曲線進行修正，得到不同溫度下的溫度敏感系數(shù)c隨溫度變化的關(guān)系，由此可以擬合出各溫度下的s-n曲線，達到預(yù)測不同溫度金屬疲勞壽命的目的。該發(fā)明構(gòu)建的預(yù)測模型以扭轉(zhuǎn)疲勞試驗為基礎(chǔ)，為實現(xiàn)預(yù)測目的，仍需要開展基礎(chǔ)性的扭轉(zhuǎn)疲勞試驗，而非便捷的替代性試驗，因而其應(yīng)用具有一定的局限性。

6、綜上，現(xiàn)有疲勞壽命預(yù)測模型復(fù)雜，需要大量的材料性能參數(shù)，而這些材料性能參數(shù)往往是隨材料種類、試驗溫度的變化而變化，獲取這些性能參數(shù)需要開展較繁瑣的物理試驗，出于便捷的考慮，往往參考已有的文獻資料對這些參數(shù)做近似處理，從而造成預(yù)測精度的不足。此外，應(yīng)用于低溫或高溫環(huán)境下的材料疲勞壽命評估，對試驗設(shè)備能力要求高、資金投入大，相關(guān)試驗數(shù)據(jù)少，不便于工程應(yīng)用。

7、有鑒于此，特提出本發(fā)明。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提出一種基于應(yīng)力控制的高強度結(jié)構(gòu)鋼材料疲勞壽命的預(yù)測方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中現(xiàn)有疲勞壽命預(yù)測模型復(fù)雜，需要大量的材料性能參數(shù)，而這些材料性能參數(shù)往往是隨材料種類、試驗溫度的變化而變化，獲取這些性能參數(shù)需要開展較繁瑣的物理試驗，出于便捷的考慮，往往參考已有的文獻資料對這些參數(shù)做近似處理，從而造成預(yù)測精度的不足的問題。

2、為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：

3、一種基于應(yīng)力控制的高強度結(jié)構(gòu)鋼材料疲勞壽命的預(yù)測方法，所述基于應(yīng)力控制的高強度結(jié)構(gòu)鋼材料疲勞壽命的預(yù)測方法包括以下步驟：

4、s1、對高強度結(jié)構(gòu)鋼試樣進行拉伸試驗，獲得材料的屈服強度rp0.2、抗拉強度rm、斷后伸長率a和斷面收縮率z；

5、s2、計算材料的斷裂強度σf、斷裂應(yīng)變εf；

6、s3、根據(jù)斷后伸長率a、斷裂應(yīng)變εf構(gòu)建塑性參量dp；

7、s4、通過疲勞壽命預(yù)測模型來預(yù)測材料的疲勞壽命；

8、在步驟s3中，根據(jù)斷后伸長率a、斷裂應(yīng)變εf構(gòu)建塑性參量dp的公式(3)如下：

9、

10、在步驟s4中疲勞壽命預(yù)測模型如公式(4)所示：

11、

12、在公式(4)中，s為最大循環(huán)應(yīng)力，n為材料的疲勞壽命，m為第一疲勞參數(shù)，c為第二疲勞參數(shù)；

13、m＝0.3887×dp-1.1276；

14、c＝0.2325×dp+3.679。

15、本發(fā)明所述的一種基于應(yīng)力控制的高強度結(jié)構(gòu)鋼材料疲勞壽命的預(yù)測方法，步驟s1～s4相互關(guān)聯(lián)，不可分割，起到了多重的作用：第一、預(yù)測方法簡單，不需要大量的材料性能參數(shù)，節(jié)約了試驗時間和費用；第二、該預(yù)測方法基于應(yīng)力控制，便于工程應(yīng)用；第三、可適用于不同溫度下的高強度結(jié)構(gòu)鋼材料疲勞壽命的預(yù)測。

16、進一步的，在步驟s2中，計算材料的斷裂強度σf的公式(1)如下：

17、σf＝rm(1+z)?(1)。

18、進一步的，在步驟s2中，計算材料的斷裂應(yīng)變εf的公式(2)如下：

19、

20、進一步的，在步驟s4中，材料的疲勞極限σe＝0.55rm。

21、進一步的，在步驟s4中，最大循環(huán)應(yīng)力s的取值范圍為σe≤s≤rp0.2。

22、進一步的，在步驟s1中，所述拉伸試驗過程符合標準gb/t228.1。

23、進一步的，在步驟s1中，所述試樣尺寸采用r4型標準試樣。

24、本發(fā)明提出所述的一種基于應(yīng)力控制的高強度結(jié)構(gòu)鋼材料疲勞壽命的預(yù)測方法，相對于現(xiàn)有技術(shù)而言，本發(fā)明所述的一種基于應(yīng)力控制的高強度結(jié)構(gòu)鋼材料疲勞壽命的預(yù)測方法具有以下有益效果：

25、1)本發(fā)明所述的一種基于應(yīng)力控制的高強度結(jié)構(gòu)鋼材料疲勞壽命的預(yù)測方法，一方面、可以簡單有效的預(yù)測出高強度結(jié)構(gòu)鋼的疲勞壽命s-n曲線，無需再進行應(yīng)力疲勞壽命測試，節(jié)約了試驗時間和費用，具有簡單、高效的特點，為高強度結(jié)構(gòu)鋼材料的疲勞性能研究和結(jié)構(gòu)剩余壽命的評估提供了技術(shù)支持；另一方面、該預(yù)測方法基于應(yīng)力控制，便于工程應(yīng)用，精度較高。

26、2)本發(fā)明所述的一種基于應(yīng)力控制的高強度結(jié)構(gòu)鋼材料疲勞壽命的預(yù)測方法，可適用于不同溫度下的高強度結(jié)構(gòu)鋼材料疲勞壽命的預(yù)測。

27、3)本發(fā)明所述的一種基于應(yīng)力控制的高強度結(jié)構(gòu)鋼材料疲勞壽命的預(yù)測方法，可以替代試驗用以評價材料在低溫或高溫下的疲勞壽命，工程應(yīng)用意義顯著。

技術(shù)特征：

1.一種基于應(yīng)力控制的高強度結(jié)構(gòu)鋼材料疲勞壽命的預(yù)測方法，其特征在于，所述基于應(yīng)力控制的高強度結(jié)構(gòu)鋼材料疲勞壽命的預(yù)測方法包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于應(yīng)力控制的高強度結(jié)構(gòu)鋼材料疲勞壽命的預(yù)測方法，其特征在于，在步驟s2中，計算材料的斷裂強度σf的公式(1)如下：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于應(yīng)力控制的高強度結(jié)構(gòu)鋼材料疲勞壽命的預(yù)測方法，其特征在于，在步驟s2中，計算材料的斷裂應(yīng)變εf的公式(2)如下：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于應(yīng)力控制的高強度結(jié)構(gòu)鋼材料疲勞壽命的預(yù)測方法，其特征在于，在步驟s4中，材料的疲勞極限σe＝0.55rm。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于應(yīng)力控制的高強度結(jié)構(gòu)鋼材料疲勞壽命的預(yù)測方法，其特征在于，在步驟s4中，最大循環(huán)應(yīng)力s的取值范圍為σe≤s≤rp0.2。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于應(yīng)力控制的高強度結(jié)構(gòu)鋼材料疲勞壽命的預(yù)測方法，其特征在于，在步驟s1中，所述拉伸試驗過程符合標準gb/t228.1。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于應(yīng)力控制的高強度結(jié)構(gòu)鋼材料疲勞壽命的預(yù)測方法，其特征在于，在步驟s1中，所述試樣尺寸采用r4型標準試樣。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供基于應(yīng)力控制的高強度結(jié)構(gòu)鋼材料疲勞壽命的預(yù)測方法，所述基于應(yīng)力控制的高強度結(jié)構(gòu)鋼材料疲勞壽命的預(yù)測方法包括以下步驟：S1、對高強度結(jié)構(gòu)鋼試樣進行拉伸試驗，獲得材料的屈服強度R<subgt;P0.2</subgt;、抗拉強度R<subgt;m</subgt;、斷后伸長率A和斷面收縮率Z；S2、計算材料的斷裂強度σ<subgt;f</subgt;、斷裂應(yīng)變ε<subgt;f</subgt;；S3、根據(jù)斷后伸長率A、斷裂應(yīng)變ε<subgt;f</subgt;構(gòu)建塑性參量D<subgt;P</subgt;；S4、通過疲勞壽命預(yù)測模型來預(yù)測材料的疲勞壽命。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述的基于應(yīng)力控制的高強度結(jié)構(gòu)鋼材料疲勞壽命的預(yù)測方法，第一、預(yù)測方法簡單，不需要大量的材料性能參數(shù)；第二、該預(yù)測方法基于應(yīng)力控制，便于工程應(yīng)用；第三、可適用于不同溫度下的高強度結(jié)構(gòu)鋼材料疲勞壽命的預(yù)測。

技術(shù)研發(fā)人員：朱官朋,宮旭輝,孫磊,高珍鵬,郭少飛
受保護的技術(shù)使用者：洛陽船舶材料研究所（中國船舶集團有限公司第七二五研究所）
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/9