摘要
实际工程中，大多数零构件是在循环载荷条件下工作的，根据载荷类型的不同可分为单轴载荷和多轴载荷两种情况。单轴载荷仅仅反映了构件单个方向的受力情况，而实际的零构件大多承受多向应力的作用，即多轴载荷。因此，为了准确描述零构件的实际受力情况，开展多轴载荷下的疲劳强度分析和寿命预估，对重大装备的设计优化和服役安全具有重要的意义。 临界面理论是多轴疲劳强度分析的主要方法，其认为裂纹萌生在一个危险平面，揭示了疲劳破坏机制，广泛应用于多轴载荷下的疲劳寿命预估中。从几何角度来说，实际的零构件可总结为薄壁圆管试件(光滑件)和几何不连续构件(缺口件)。对于薄壁圆管试件来说，疲劳破坏机制相对简单，但在多轴载荷作用下，零构件处于复杂的应力应变状态，准确预估疲劳寿命时需要考虑材料属性、加载形式、相位差及非比例附加强化效应的影响；对于几何不连续的缺口试件，由于缺口处存在应力集中现象，裂纹萌生和扩展机制更加复杂，且缺口处几何参数的变化，对缺口件的疲劳强度和寿命预估具有较大的影响。因此，提出与上述两种不同类型试件相适用的多轴疲劳寿命预估方法，能够为零构件的抗疲劳设计提供理论指导。 围绕上述问题，本文基于临界面理论，对薄壁圆管试件和缺口试件进行多因素、不同加载工况下的疲劳强度分析和寿命预估方法研究： (1)提出适用于薄壁圆管试件的多轴疲劳寿命预估模型。基于临界面理论，以薄壁圆管试件为研究对象，考虑临界平面上的应力/应变参量和相位差，探究非比例附加强化效应以及材料裂纹萌生和扩展机制，提出适用于薄壁圆管试件的多轴疲劳寿命预估模型。 (2)多轴载荷下缺口试件裂纹萌生位向的确定。将应变能密度最大的材料平面定义为裂纹萌生面，通过坐标变换原理和临界面理论分析缺口根部的应力应变状态，确定裂纹萌生位向，解决需要试验才能确定裂纹萌生面的这一难题，从而研究缺口件疲劳破坏机制和损伤演化过程。 (3)高应力影响区表征。基于能量-临界平面法，利用六次多项应力函数探究临界平面上应力/应变分布规律，分析相对应力梯度值和疲劳损伤区对疲劳损伤演化过程的影响，表征高应力影响区和整个疲劳损伤区，提出高应力影响区指数。 (4)建立考虑应力梯度和尺寸效应的缺口件多轴疲劳寿命预估模型。为了表征不同缺口几何参数的影响，引入尺寸效应影响因子来表征缺口处的几何尺寸效应，并考虑相对应力梯度对疲劳寿命的影响，结合Manson-Coffin方程，建立考虑相对应力梯度和尺寸效应的疲劳寿命方程，将其应用于缺口试件的疲劳寿命预估中。
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