Прогнозирование циклической долговечности при малоцикловой усталости с использованием нелинейной модели Марко - Старки

Прогнозирование циклической долговечности при малоцикловой усталости с использованием нелинейной модели Марко - Старки

Автор: Лыкова А.В., Ильиных А.В., Вильдеман В.Э.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 3, 2022 года.

Бесплатный доступ

Исследован процесс деформирования и разрушения конструкционных сплавов при малоцикловой усталости в условиях одноосного нагружения с контролем по осевой деформации при сложной форме цикла и блочном нагружении. Полученные результаты экспериментальных исследований конструкционных сплавов использовались для оценки возможности использования нелинейной модели накопления повреждений Марко - Старки. Проведена обработка результатов циклических испытаний никелевого сплава при простой и сложной форме цикла. Подобрана комбинация показателей степени, входящих в нелинейную модель Марко - Старки, которая для случая малоцикловой усталости при сложной М-образной форме цикла позволила спрогнозировать долговечность, хорошо согласующуюся с экспериментальными данными испытаний. Основной проблемой при использовании нелинейной модели Марко - Старки для прогнозирования циклической долговечности при М-образной форме цикла является наличие множества комбинаций показателей степени, позволяющих с одинаковой точностью осуществить прогноз циклической долговечности. Для определения возможности получения единственности решения предложено проведение комплекса испытаний при простом и блочном циклическом нагружении. Получены экспериментальные результаты о процессах деформирования и разрушения сплава алюминия Д16Т в условиях малоцикловой усталости при простых формах цикла с постоянными параметрами и блочном нагружении с переменными параметрами цикла в испытаниях на одноосное нагружение с контролем по осевой деформации. На основе полученных экспериментальных результатов по новой методике произведен подбор комбинаций коэффициентов степеней m, поиск которых осуществлялся в диапазоне показателей степеней от 0,2 до 10 с шагом 0,2. Сопоставление результатов прогнозирования по блокам, состоящим из трёх групп, позволило найти несколько комбинаций общих показателей степеней m по двум группам, которые присутствуют во всех блоках. Окончательный выбор пары коэффициентов осуществлялся из условия близости прогнозируемого значения параметра поврежденности к единице в первом (проверочном) блоке. Выбранные значения коэффициентов позволили осуществить прогноз долговечности при блочном малоцикловом нагружении с использованием нелинейной модели Марко - Старки.

Еще

Экспериментальная механика, малоцикловая усталость, одноосное нагружение, поврежденность, долговечность, закономерности механического поведения, модели накопления повреждений, блочное нагружение, конструкционные сплавы

Короткий адрес: https://sciup.org/146282543

IDR: 146282543   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2022.3.02

Список литературы Прогнозирование циклической долговечности при малоцикловой усталости с использованием нелинейной модели Марко - Старки

  • Schijve J. Fatigue of structures and materials in the 20th century and the state of the art // Int J Fatigue. – 2003. – Vol. 25, no. 8. – P. 679–702. DOI: 10.1016/S0142-1123(03)00051-3.
  • Bhaumik S., Sujata M., Venkataswamy M. Fatigue failure of aircraft components // Engineering Failure Analysis. – 2008. – Vol. 15, no 6. – P. 675–694. doi: 10.1016/j.engfailanal.2007.10.001.
  • Скибин В.А., В.И. Солонина. Научный вклад ЦИАМ в создание авиационных двигателей. – М.: Машиностроение, 2000. – Т. 1. – 725 с.
  • Нихамкин М.Ш., Вятчанин Д.А. Вероятностная оценка циклической долговечности дисков ГТД из гранулируемых материалов // Известия вузов. Авиационная техника. – 2008. – № 1. – С. 70–71.
  • Кузнецов Н.Д., Цейтлин В.И. Эквивалентные испытания газотурбинных двигателей. – М.: Машиностроение, 1976. – 219 с.
  • Багмутов В.П., Столярчук А.С., Коробов А.В. Исследование повреждаемости конструкционных материалов при малоцикловой усталости после предварительного упрочнения поверхности // Известия Волгоградского государственного технического университета. – 2012. – Т. 9, № 6. – С. 105–109.
  • Беляев М.С., Горбовец М.А., Бакрадзе М.М. Изменение параметров упругопластического деформирования в процессе испытаний на МЦУ при жестком нагружении жаропрочного сплава ВЖ175 // Труды ВИАМ. – 2015. – № 12. – С. 30–35.
  • Экспериментальная проверка модели суммирования повреждений при циклическом нагружении дисков турбин / А.А. Иноземцев, М.Ш. Нихамкин, А.В. Ильиных, А.М. Ратчиев // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2012. – Т. 14, № 4–5. – С. 1372–1375.
  • Deformation mechanism and fatigue life of an Al-12Si alloy at different temperatures and strain rates / M. Wang, J.C. Pang, H.Q. Liu, C.L. Zou, S.X. Li, Z.F. Zhang // International Journal of Fatigue. – 2019. – Vol. 127. – P. 268–274. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2019.06.023
  • Ильиных А.В., Вильдеман В.Э., Третьяков М.П. Экспериментальное исследование механического поведения конструкционных сплавов при двухосном циклическом нагружении // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2017. – № 51. – С. 115–123.
  • Механическое поведение конструкционной стали ЭП517Ш при двухосной малоцикловой усталости в условиях нормальных и повышенных температур / Е.В. Ломакин, М.П. Третьяков, А.В. Ильиных, А.В. Лыкова // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2019. – № 1. – С. 77–86.
  • Low cycle fatigue and Creep-Fatigue behavior on Nibased alloy 230 at 850ºC / X. Chen, Z. Yang, M.A. Sokolov [et al.] // Mater. Sei. and Eng. A. – 2013. – Vol. 563. – P. 152–162. DOI: 10.1016/j.msea.2012.11.063
  • Jianjun He, Jian Chen, Qingmin Sun Effect of Loading Rate on Low-cycle Fatigue Properties of Turbine Rotor Steel // Procedia Materials Science. – 2014. – Vol. 3. – P. 1773–1779. DOI: 10.1016/j.mspro.2014.06.286.
  • Mishnev R., Dudova N., Kaibyshev R. Effect of the strain rate on the low cycle fatigue behavior of a 10Cr-2W-Mo-3Co-NbV steel at 650 °C // International Journal of Fatigue. – 2017. – Vol. 100. – Part 1. – P. 113–125. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2017.03.025.
  • S.M. Humayun Kabir, Tae-in Yeo Influence of temperature on a low-cycle fatigue behavior of a ferritic stainless steel // Journal of Mechanical Science and Technology. – 2014. – Vol. 28, no 7. – P. 2595–2607.
  • Han Q., Wang P., Lu Y. Low-cycle multiaxial fatigue behavior and life prediction of Q235B steel welded material // International Journal of Fatigue. – 2019. – Vol. 127. – P. 417–430. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2019.06.027.
  • Evaluation of low cycle fatigue life in AZ31 magnesium alloy / S. Hasegawa, Y. Tsuchida, H. Yano, M. Matsui // International Journal of Fatigue. – 2007. – Vol. 29. – P. 1839–1845. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2014.08.006.
  • Романов А.Н. Разрушение при малоцикловом нагружении. – М.: Наука, 1988. – С. 279.
  • Brown M.W., Miller K.J. A theory for fatigue under multiaxial stress–strain conditions // Proc Inst Mech Eng. – 1973. – Vol. 187. – P. 745–756.
  • Fatemi, D.F. Socie A critical plane approach to multiaxial fatigue damage including out-of-phase loading // Fatigue Fract Eng Mater Struct. – 1988. – Vol. 11. – P. 149–165.
  • Glinka G., Shen G., Plumtree A. Mean stress effect in multiaxial fatigue // Fatigue Fract Eng Mater Struct. – 1995. – Vol. 18. – P. 755–764.
  • Wang C.H., Brown M.W. A path-independent parameter for fatigue under proportional and non-proportional loading // Fatigue Fract Eng Mater Struct. – 1993. – Vol. 16. – P. 1285–1298.
  • Manson S.S. Discussion of Tavernelli and Coffin // J Basic Eng, Trans ASME. – 1962. – Vol. 84. – P. 537–541.
  • Manson S.S. Fatigue: a complex subject – Some simple approximations // Experimental Mechanics. – 1965. – № 5. – P. 193–226.
  • Куранаков С.Я., Раимбердиев Т.П., Яковченко С.Г. О применимости кинетического уравнения повреждений энергетического типа для расчета момента разрушения металлических материалов // Известия вузов. Машиностроение. – 2007. – № 6. – С. 71–75.
  • Трощенко В.Т. Критерии усталостной прочности металлов и сплавов, основанные на учете рассеяния энергии // Рассеяние энергии при колебаниях упругих систем. – Киев: Наук. думка, 1966. – С. 168–177.
  • Smith N., Watson P., Topper T.H. A stress-strain function or the fatigue of materials // J. Mate. – 1970. – Vol. 5.
  • Ince A., Glinka G. A modification of Morrow and Smith- Watson-Topper mean stress correction models // Fatigue & Fracture Engineering Materials & Structures. – 2011. – Vol. 34, no. 11. – P. 854–867. DOI: 10.1111/j.1460-2695.2011.01577.x
  • Feltner J.D., Morrow C.E. Microplastic strain hysteresis energy as a criterion for fatigue fracture. Trans. ASMED, 1961. – Vol. 83, no 1. – P. 15–22.
  • Martin D.E. An energy criterion for low-cycle fatigue // J. Basic Eng., Trans. ASME. – 1961. – P. 565–571.
  • Benedetti M., Berto F., Santus C. A novel Strain-Energy- Density based fatigue criterion accounting for mean stress and plasticity effects on the medium-to-high-cycle uniaxial fatigue strength of plain and notched components // International Journal of Fatigue. – 2020. – Vol. 133. – 105397. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2019.105397.
  • A new energy-based method to evaluate low-cycle fatigue damage of AISI H11 at elevated temperature / W. Du, Y. Luo, Y. Wang, S. Chen, D. Yu // Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. – 2017. – Vol. 40. – P. 994–1004.
  • A strain energy density based life prediction model for notched components in low cycle fatigue regime / P. Zhao, T-Y Lu, J-G Gong, F-Z Xuan, F. Berto // International Journal of Pressure Vessels and Piping. – 2021. – Vol. 193. – 104458. DOI: 10.1016/j.ijpvp.2021.104458.
  • Marco S.M., Starkey W.L. A concept of fatigue damage // Trans ASME. – 1954. – Vol. 76. – P. 627–632.
  • Gatts R.R. Cumulative fatigue damage with random loading ASME Journal of Basic Engineering. – 1962. – Vol. 84. – P. 403–409.
  • Corten H.T., Dolon T.J. Cumulative fatigue damage // Proceedings of the International Conference on Fatigue of Metals Institution of Mechanical Engineering and American Society of Mechanical Engineers. – 1956. – P. 235–246.
  • A non-linear continuous fatigue damage model / J.L. Chaboche [et al.] // Fatigue Fract Engng Mater Struct. – 1988. – Vol. 11. – P. 1–17.
  • Huffman P.J., Beckman S.P. A non-linear damage accumulation fatigue model for predicting strain life at variable amplitude loadings based on constant amplitude fatigue data // International Journal of Fatigue. – 2013. – Vol. 48. – P. 165–169. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2012.10.016.
  • Shang D., Yao W.A nonlinear damage cumulative model for uniaxial fatigue // Int J Fatigue. – 1999. – Vol. 21. – P. 187–194.
  • Ma S., Yuan H. A continuum damage model for multiaxial low cycle fatigue of porous sintered metals based on the critical plane concept // Mech Mater. – 2017. – Vol. 104. – P. 13–25. DOI: 10.1016/j.mechmat.2016.09.013.
  • Моделирование процессов накопления усталостных повреждений в конструкционных сталях при блочном малоцикловом нагружении / И.А. Волков, Ю.Г. Коротких, В.А. Панов, Д.Н. Шишулин // Вычислительная механика сплошных сред. – 2014. – Т. 7, № 1. – С. 15–22. DOI: 10.7242/1999-6691/2014.7.1.2.
  • Багмутов В.П., Савкин А.Н., Седов А.А. Прогнозирование долговечности конструкционных сталей на основе моделирования поврежденности при переменном нагружении // Известия Волгоградского государственного технического университета. – 2010. – Т. 6, № 66. – С. 5–8.
  • Прогнозирование долговечности конструкционных сталей при циклическом нагружении / А.Н. Савкин, A.A. Седов, A.B. Сиромахин, A.B. Андроник // Изв. ВолгГТУ. Серия: Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении. Вып. 5: межвуз. сб. науч. ст. – Волгоград. – 2011. – № 5. – С. 99–105.
  • Вильдеман В.Э. Моделирование процессов деформирования и разрушения композитов. Ч. 1: Модели накопления повреждений: учеб. пособие / Перм. гос. техн. ун-т. Пермь, 2000. – 76 с.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp