基于临界距离理论的缺口疲劳强度分析与寿命评估.pdf

摘要

为满足不同功能或装配需求，重大装备关键结构不可避免地引入不同类型缺

口和几何不连续性结构（如凹槽、切口、孔等），其在服役过程中致使上述部位呈

现出复杂的应力梯度与应力状态。随着重大装备均朝着复杂化、大型化、系统化等

方向发展，受全尺寸部件疲劳试验的成本与试验条件限制，常采用小尺寸缺口试样

疲劳试验数据推导实际结构疲劳性能分布，在此过程中通常忽略了部件疲劳强度

及寿命常随着结构与缺口尺寸的增大而降低。此外，在载荷波动、材料性能等因素

影响下，疲劳强度与寿命呈现较大分散性。因此，研究尺寸效应、缺口效应与不确

定因素对缺口件疲劳强度分析与寿命评估的影响具有重要意义。

围绕上述问题，本论文基于临界距离理论探讨了尺寸效应、缺口效应与不确定

性对疲劳寿命的影响规律，针对缺口疲劳强度分析与寿命评估开展了如下研究：

（1）研究了尺寸效应对疲劳寿命与临界距离的影响规律，并根据缺口尖端相

对应力梯度量化尺寸效应对疲劳寿命的影响，以此为基础提出了耦合考虑尺寸和

缺口效应的临界距离修正模型。利用GH4169、Al2024-T351与En3B缺口件疲劳

试验数据进行模型验证与对比，结果表明新提出的临界距离修正模型预测结果相

对于传统临界距离模型与实际值更吻合。

（2）基于应力梯度理论提出了考虑缺口效应的有效应力模型，并耦合Weibull

分布模型对疲劳寿命与临界距离的分散性进行量化分析，提出了同时考虑尺寸效

应、缺口效应与不确定性的缺口疲劳寿命评估方法，并结合不同材料缺口疲劳试验

数据开展模型验证与对比。

（3）建立某型压气机盘典型工况下的有限元模型，提取其危险区域内的应力

分布，并结合基于应力梯度修正的临界距离模型及有效应力模型开展寿命预测。运

预测结果表明本文所提出的新模型比传统临界距离方法与高应力体积方法预测精

度更高。

关键词：临界距离，应力梯度，尺寸效应，缺口效应，寿命预测

ABSTRACT

Differentkindsofnotchesandgeometricaldiscontinuities(suchasgrooves,notches,

holes,etc.)arecommonlyintroducedtosatisfyvariousfunctionalrequirements,anditis

oftenaccompaniedbycomplexstressandstressgradientstate.Withthedevelopmentof

majorequipmenttowardscomplexity,large-scaleandsystematization,duetothecostand

testconditionsoffull-sizecomponentfatiguetests,thefatiguelifedistributionof

engineeringcomponentsisusuallyderivedfromthefatiguetestingdataofsmall-scale

andequalproportionsamples,butthephenomenonthatthefatiguelimitandlifeare

usuallyreducedwiththestructureandgapsizesisignoredinthisprocess.Moreover,with

theinfluenceofloadfluctuationandmaterialpropertiesandotherfactors,fatiguestrength

andlifeusuallyshowgreatdispersion.Thus,itisnecessarytoanalyzetheinfluenceof

sizeeffect,notcheffectanduncertainfactorsonfatiguelifeassessmentofnotched

componen