结构疲劳寿命计算中的Miner损伤准则

文摘   科技   2025-01-29 11:48   吉林  
疲劳问题最早在19世纪初提出。德国工程师Wöhler通过对疲劳损伤问题进行系统的研究,提出了疲劳寿命与循环应力的关系,并确定应力幅是疲劳破坏的决定因素。在1871年,他提出了利用应力-寿命(S-N)曲线来分析疲劳问题的方法,为工程结构疲劳的研究奠定了理论基础。
零件的疲劳损伤是一个复杂的过程。通常可以分为三个阶段:
·   裂纹初始;
·   裂纹扩展;
·   断裂失效。
对于外形和材料分布比较均匀的零部件来说,局部变形通常是从表面应力集中区域开始。随着加载循环次数的增加,零件的裂纹长度随之增加。达到一定循环次数之后,裂纹将导致零件失效。
在实际工程中,结构所承受的载荷往往是随机变化的,是由不同应力水平的循环载荷组成。Miner 损伤准则基于这样的假设:每一级应力循环都会对材料造成一定程度的损伤,并且这些损伤是可以线性累积的。当累积损伤达到某一临界值时,材料就会发生疲劳破坏
在基于有限元方法计算结构的寿命中,用户需要准备有限元结果,载荷谱,材料疲劳性能曲线(SN或EN曲线),还需要引入一个计算结构疲劳损伤的准则。

疲劳损伤理论可归结为两个大类:线性损伤理论和非线性损伤理论。其中线性损失理论主要是Miner准则、修正Miner 法则及相对Miner 法则,非线性损伤累积理论主要有Manson 双线性累积理论、Corten-Dolan理论等。虽然Miner损伤准则不能考虑疲劳载荷的先后顺序,但是由于产品的疲劳寿命具有一定的分散性,而线性损伤计算方法可以基本反应出结构寿命的中位水平,此外该方法处理数据也较为方法,因此是目前工程中的一种常用方法,


线性累积损伤理论是当前预测疲劳寿命的重要工具。假设车辆在某段实际运行载荷中,某载荷幅值出现的次数为n1,其零件S-N曲线中,同载荷幅值对应的循环次数为N1,则这段运行信号中这种载荷对零件的损伤D= n1/N1。以此为基础,零件在应力水平Si下作用ni次循环下的损伤为Di=ni/Ni,若在k个应力水平Si作用下,各经受ni次循环,则可定义其总损伤为

当D=1,即损伤值进行相加求和等于1时,就可认为零部件出现了失效。


计算损伤的范例:


局限性

  • 未考虑载荷顺序效应:实际工程中,载荷的加载顺序对疲劳损伤累积有显著影响。例如,先施加高应力循环后施加低应力循环与先施加低应力循环后施加高应力循环,所造成的疲劳损伤可能不同。但 Miner 准则假设损伤是线性累积的,不考虑载荷顺序的影响,这在某些情况下会导致估算结果与实际情况存在较大偏差。

  • 临界损伤值的假设:Miner 准则假设临界损伤值 ,但实际上,临界损伤值会受到材料性能、加载条件、应力状态等多种因素的影响,不一定总是等于 1。

  • 忽略交互作用:该准则没有考虑各级应力循环之间的相互作用,如不同应力水平循环之间可能存在的裂纹扩展加速或减缓效应等

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