摘要
在装备领域中机械结构失效往往为疲劳断裂造成，为满足实际机械结构（如航空发动机转子部件、动车组车轴等）具备高性能、高可靠服役需求，亟需明确疲劳失效背后的物理机制，但由于这些部件具有复杂的几何特征（包括倒/圆角、孔和凹槽等）和多变的服役环境（如高温高压、振动、随机/变幅载荷等），这些因素都将导致实际机械结构局部危险单元的复杂应力/应变响应，这种复杂的载荷路径影响以及载荷幅值时刻变化的特性都将对结构的疲劳评估带来棘手的问题。考虑在多轴恒幅载荷下的各种研究已经取得实质性成果，其中以临界面为基础的多轴疲劳方法最为流行，而对多轴变幅疲劳寿命预测研究极少。 本文旨在促进多轴疲劳从实验研究向实际工程应用发展，围绕多轴加载路径和变幅特性，梳理总结现有多轴疲劳寿命模型，结合相关实验数据与有限元计算结果，建立考虑多轴变幅和载荷路径相关的通用疲劳寿命预测方法，具体如下： （1）梳理总结多轴疲劳研究历史，介绍两种多轴应力/应变分析手段，结合弹塑性有限元分析和平面变换理论的方法更适用于机械结构多轴疲劳问题，对现有临界面法的三类多轴疲劳模型分别进行阐述，并基于多轴疲劳试验结果对现有经典模型进行评估，结果表明在多轴非比例和非对称载荷下的预测能力较差，为后续构建临界面损伤参数提供理论基础和研究方向。 （2）通过耦合临界面法与皮尔逊相关系数概念，建立新的载荷非比例度计算方法，基于此提出一种将临界面法与新的非比例因子相结合的多轴疲劳寿命预测模型。利用多种载荷路径下三种金属材料的疲劳实验数据进行验证，与FS、Chen和Itoh等人模型相比，所提模型预测数据点更集中地分布在2倍误差带内。 （3）在临界面法和能量模型的相关研究基础上，引入最大方差法的概念，提出一种基于虚拟应变能的最大方差法确定多轴临界面的方法。同时，耦合多轴循环计数法和损伤累积理论，构建一套基于临界面法的多轴变幅疲劳寿命预测框架及实施流程。结合两种金属材料的多轴变幅加载试验进行验证，该方法能有效地预测金属材料在多轴变幅载荷下的疲劳寿命，并合理地预测压气机盘的工作寿命，能为服役状态下机械结构疲劳设计与评估提供借鉴。
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