【正文】 （ 8）變幅應變拉扭塊載荷：（當載荷為 0,0,0 ??? iix y mix y a i f??? 時為單軸拉壓，當載A B B A=2 A=1 B=1 B=3 B=1 B=3 C C C=4 C~=4 B=2 ⑶ ⑷ C=4 C~=4 ⑸ ⑹ 。 （ 6）常幅應力拉扭載荷：（當載荷為 0,0,0 ??? iix y mix y a i f??? 時為單軸拉壓，當載荷為0,0,0,0 ???? iix mix ai f??? 時為純扭） iix y mix mix y a ix ai f, ????? 。 （ 4）常幅應變拉扭載荷：（當載荷為 0,0,0 ??? iix y mix y a i f??? 時為單軸拉壓，當載荷為 0,0,0,0 ???? iix m ix a i f??? 時為純扭） iix y mix mix y a ix ai f, ????? 。 （ 2）隨機應力載荷： xyiyixi ??? , 。我們可以將多軸載荷分成按照如下分法分成 16 種情況。 E 取2 時為多級載荷。 E：按是否為塊循環(huán)載荷或多級載荷分為 2 類。即 D 取 1 時，為載荷歷程數(shù)據(jù)。當 C 為 4 時，為多軸拉拉。當 C 取 2 時，為純扭。 C：按加載類型是否為 單軸拉壓或純扭轉(zhuǎn)或多軸拉扭或多軸拉拉分為 4 種。 B 取 2 時，為變幅。 B：按載荷是否為常幅或變幅或隨機分為 3 類。 分類方式有以下 AE 幾種： A：按載荷是否應力或應變分成 2 類。本文克服了這種缺陷，對多軸載荷的各種情況進行了深入的研究， 包含單軸，多軸比例，多軸非比例，同頻和非同頻各種情況?；谌缟系膶嶋H情況，本文提供載荷輸入模塊，多軸載荷輸入形式多種多樣，對載荷輸入進行分析有助于使思路清晰和后面功能的實現(xiàn)，因為在后續(xù)的設計中可以對前面的載荷分類功能進行傳承。 多軸載荷輸入 目前的疲勞軟件在討論疲勞問題時，單軸載荷的分類方法已經(jīng)不容置疑。這里需要考慮用戶所有可能的輸入情況并對其進行分析，保證用戶輸入的便捷和效率，對于用戶的輸入錯誤要給出相應的提示。該工具箱主要包括 4 個功能模塊，多軸載荷輸入與顯示模塊；多軸臨界平面的確定模塊；多軸載荷處理和循環(huán)計數(shù)模塊；多軸疲勞的壽命預測模塊等。權(quán)值平均方向 ? ???? , 即為臨界平面的法向方向 [12]。本文采用直角應變花和等角應變花，通過應變花測得已知量 321 , ??? ??? 來獲得未知量 xyyx ??? , 的一個功能模塊，方便用戶進行測量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。在電測中， x? 和 y? 可以直接測出，而 xy? 不易直接測量，故通常增加測量某一方向上的線應變來轉(zhuǎn)換，即測定三個選定方向 321 , ??? 上線應變 321 , ??? ??? 。 應變花是一種具有兩個或兩個以上不同軸向敏感柵的電阻應變計，用于確定平面應力場中主應變的大小和方向。 Smith， Watson 和 Topper模型和拉伸機制的多軸疲勞壽命估算模型適用于裂紋擴展占主要壽命的情況。本文的基于臨界平面多軸疲勞壽命預測五種方法 [1115]分別為： Brown 和 Miller 模型； Fatemi 和 Socie 模型； Smith，Watson 和 Topper 模型；剪切機制的多軸疲勞壽命估 算模型；拉伸機制的多軸疲勞壽命估算模型，如圖 所示。隨機載荷壽命的計算方法引入權(quán)值平均的概念，它們分別以 CoffinManson 公式和三參數(shù) SN 曲線方程為依據(jù)，將權(quán)值系數(shù)與材料損傷相聯(lián)系，物理意義明確。本模塊主要是基于臨界平面法的多軸低周疲勞壽命預測，本模塊提供五種壽命預測方法。 圖 多軸載荷處理和循環(huán)計數(shù)的功能模塊 Fig. Function module of load multiaxial processing and cycle counting 多軸疲勞壽命預測模塊 在多軸疲勞研究中，目前多數(shù)做法是將多軸疲勞損傷等效成單軸損傷的形式，然后利用單軸疲勞理論來預測多軸疲勞壽命。 多軸疲勞工具箱 多軸疲勞壽命預測 多軸載荷輸入與顯示 多軸臨界平面的確定 多軸載荷處理和循環(huán)計數(shù) 東北大學碩士學位論文 第 2 章 多軸疲勞壽命預測工具箱的功能分析 11 圖 多軸載荷的輸入和顯示模塊 Fig. Input and module of multiaxial load and display module of multiaxial load 圖 多軸臨界平面的確定模塊 Fig. The determination module of multiaxial critical plane 材料平面上應力應變歷史的確定 臨界平面的確定 最大主應力幅平面 權(quán)值平均最大剪應變平面 權(quán)值平均最大主應力平面 最大剪應變幅平面 非同頻 非同相 比例 單軸應力應變 單軸拉壓 純扭 多軸應力應變 拉扭 雙向拉拉 載荷輸入 常幅 程序 隨機應力或應變 塊循環(huán)載荷 多級載荷 多軸載荷的顯示 最大剪應力 /變變化 加載路徑 最大主應力 /變變化 東北大學碩士學位論文 第 2 章 多軸疲勞壽命預測工具箱的功能分析 12 多軸載荷處理和循環(huán)計數(shù)模塊 多軸載荷處理和循環(huán)計數(shù)塊可以進行隨機載荷的處理，從而得到所需要的載荷譜，具體包括載荷譜的峰谷值提取、小載荷去除功能，最后進行多軸循環(huán)計數(shù)。本模塊提供的臨界平面的確定模塊還可以繪制任意材料平面上應力應變歷史，這樣就跳出了只能確定臨界平面的應力應變歷史的局限，使得使用者可以根據(jù)自己的要求來繪制所需材料平面的應力應變歷史。其中常幅載荷輸入下可以選擇最大剪應變幅平面和最大 主應力幅平面。第一，根據(jù)應力應變狀態(tài)確定臨界平面；第二，計算臨界平面上的應力應變歷史。臨界平面概念基于斷裂模型及裂紋萌生機理，認為疲勞失效發(fā)生在某一特定的平面上，疲勞損傷的累積，疲勞壽命的估算都在該平面上進行。載荷顯示的內(nèi)容為：加載路徑、最大剪應力變化、最大剪應變變變化、最大主應力變化、最大主應變變化等，多軸載荷的輸入與顯示模塊如圖 所 示。對于變幅載荷首先可以分為塊循環(huán)載荷和多級載荷，之后的分類方式和常幅載荷相同。 疲勞工具箱 多軸疲勞壽命預測 隨機載荷處理、計數(shù)與編譜 基于名義應力法的疲勞壽命預測 基于頻域的壽命預測 基于局部應力應變法的壽命預測 基于斷裂力學的壽命預測 疲勞曲線擬合 東北大學碩士學位論文 第 2 章 多軸疲勞壽命預測工具箱的功能分析 10 圖 多軸疲勞工具箱的功能模塊 Fig. Function module of multiaxial fatigue toolbox 多軸載荷的輸入與顯示模塊 對多軸疲勞工具箱進行功能分析首先對用戶可能輸入的各種局部應力應變進行解析，對于用戶沒有輸入的載荷系統(tǒng)將自動賦默認值。其中，本文工作是完成圖中陰影部分多軸疲勞壽命預測。本文開發(fā)的工具箱在各種參數(shù)的定義、材料的選擇、載荷的處理和壽命的預測等都進行了研究，適合廣大疲勞研究者的使用。 （ 5）多軸疲勞壽命預測，別使用五種壽命預測模型進行預測，它們分別是： Brown和 Miller 模型， Fatemi 和 Socie 模型， Smith， Watson 和 Topper 模型，剪切機制的多軸疲勞壽命估算模型，拉伸機制的多軸疲勞壽命估算模型。多軸循環(huán)計數(shù)包括基于臨界平面的等效變程法和雨流變 程法。同時可顯示臨界平面的應力應變歷史。 （ 3）臨界平面的確定，本文提供四種方法確定臨界平面：其中的最大剪應變幅平面應力幅平面，最大主應力幅平面用于常幅載荷。 圖 多軸隨機載荷疲勞壽命預測方法 Fig. Fatigue life prediction method under multiaxial random loading 課題研究內(nèi)容 本文研究的具體內(nèi)容如下： （ 1）首先對多軸疲勞壽命預測工具箱進行功能分析，確定工具箱的功能模塊，及其每個功能模塊的子功能。第二種是雨流變程計數(shù)法。 雖然多軸常幅疲勞壽命預測方法的研究取得了一些進展，并形成了以臨界平面法為主要研究手段的處理多軸常幅載荷的理論，但因沒有合適的多軸循環(huán)計數(shù)方法，使已有的研究成果無法應用到實際工程中去。 （ 3）多軸 隨機載荷的壽命預測 要把常幅載荷下估算多軸疲勞壽命的各種模型，應用到隨機多軸疲勞壽命的預測中去，需要合理的臨界平面確定方法和多軸循環(huán)計數(shù)方法。確定臨界平面的方法有多種，如高周疲勞中的最大主應力平面、最大剪應力平面及最大應力損傷平面，以及低周疲勞中的最大主應變平面、最大剪應變平面及最大應變損傷平面?；谂R界平面法分析多軸疲勞行為可分為兩步。他們提出必須考慮在最大剪應變平面上的循環(huán)剪應變和法向正應變，因為循環(huán)剪應變有助于裂紋成核，而正應變有助于裂紋擴展，這是一種基于局部應力應變的方法，就是所謂的臨界平面法。這種方法雖然有很高的預測精度，但是其本構(gòu)模型難以獲得。損傷逐步積累 ，一旦達到臨界值，零件便由于疲勞而發(fā)生失效。這種方法的核心思想是：在每一次循環(huán)中零件或構(gòu)件由于吸收了外界所施加的能量，從而在其內(nèi)部造成了不可逆轉(zhuǎn)的損傷。這種方法對比例加載具有很高的精度，但是對非比例加載誤差較大。第二個是 von Mises 等效應力∕應變準則。加載狀態(tài)轉(zhuǎn)化為最早的多軸疲勞估算方法。因此，早期的多軸疲勞破壞的失效準則都是從當時已有的理論出發(fā)，將其引入到多軸疲勞中。試驗機為雙軸四缸電液伺服系統(tǒng)，具有計算機電液伺服控制和中心定位控制能力，可進行薄板材料的雙軸疲勞裂紋擴展和雙軸疲勞壽命測試。 雙軸拉壓多軸疲勞試驗一般采用十字板狀試件，如圖 所示。 對于拉扭多軸疲勞，一般采用薄壁管試件進行多軸疲勞試驗。近年來，由于電液伺服多軸疲勞試驗機的出現(xiàn)，使得零構(gòu)件在實際服役中所受的復雜載荷歷史得到再現(xiàn)，為多軸疲勞研究提供了有力的手段，從而使人們能夠深入地研究多軸疲勞機制，尋找提高多軸疲勞抗力的途徑及精確地預測多軸疲勞壽命的方法，使多軸疲勞研究得到了很大的發(fā)展。 多軸疲勞的發(fā)展 （ 1）多軸疲勞試驗的發(fā)展 疲勞是指材料或零件在循環(huán)載荷作用下，經(jīng)過一段時間發(fā)生突然脆性斷裂的現(xiàn)象。但軟件體系結(jié)構(gòu)的研究目前還處于初級階段，不僅在軟件體系結(jié)構(gòu)的概念上存在著分歧，研究內(nèi)容和研究途徑也存在著較大的差異。所以，要想在疲勞系統(tǒng)開發(fā)上有所突破，首先必須在軟件體系結(jié)構(gòu)的設計上兼顧功能的可擴展性、組件的可更換性、源代碼的隱藏性以及開發(fā)過程的規(guī)范性。到目前為止，還沒有哪一個疲勞分析軟件可以設計成一個通用型 的系統(tǒng)。例如武漢科技大 學通過名義應力應變方法開發(fā)了一套移植性強的疲勞壽命分析軟件，并運用該軟件對卸船機懸臂梁的疲勞壽命進行了預測；天津大學陳旭等人通過 VB軟件編制了多軸低周疲勞壽命預測軟件，為多軸疲勞的預測提供解決的有力工具；西北工業(yè)大學開發(fā)的專門針對車載無人機在路面激勵下的疲勞壽命預測的分析軟件；中國北車集團公司和大連交通大學共同研制的基于 AAR 標準的鐵路貨車虛擬樣機疲勞仿真系統(tǒng)軟件。 以上的疲勞分析軟件在操作方面上都是靈活、功能強大、運算速度快，但是在進行分析前，往往需要預先知道該零部件的有限元分析結(jié)果，然后進行分析。 日前，全球二維和三維設計、工程及娛樂軟件的領導者歐特克有限公司（ “歐特克 ”或 “Autodesk”）宣布 ， 其仿真分析軟件 Autodesk ALGOR 和 Simulation 的 “Subscription維護暨服務合約 ”用戶現(xiàn)在將獲得一款全新的疲勞分析軟件 Fatigue Wizard，該軟件利用東北大學碩士學位論文 第 1 章 緒 論 5 向?qū)Ы缑嬉龑Р煌瑢I(yè)層次的設計師和工程師進行復雜的疲勞分析 。在 MSC 公司所倡導的產(chǎn)品虛擬開發(fā)流程中， 是一個關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。應用 DesignLife 可幫助企業(yè)在設計階段即對產(chǎn)品的疲勞耐久性能進行充分的分析和優(yōu)化，能開發(fā)出重量輕但能滿足耐久性要求的產(chǎn)品，減少物理樣機試驗的次數(shù)，提高最終的物理樣機一次試驗通過率，從而縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，眾多成功的汽車制造企業(yè)已經(jīng)從中獲益 [11]。需要說明的是，所有這些搭建并調(diào)試通過的流程都可保留下來，作為一個模板供后續(xù)類似分析任務的重復調(diào)用和編輯，而無需重新搭建整個流程 。 DesignLife 的構(gòu)架即是在經(jīng)典疲勞分析框 架思路下進行設計的，它在一個使用方便的圖形化工作環(huán)境下完全整合了試驗和 CAE 分析工具，實現(xiàn)了真正意義上的一體化 多軸 疲勞耐久性分析的需要。 ANSYS 集成的 DesignLife 是 nCode 公司開發(fā)的新一代 CAE 疲勞分析軟件。 nSoft―E 是 nSoft 軟件的核心平臺 ， 是連接數(shù)據(jù)采集、疲勞分析和實驗室模擬試驗的橋梁 ，主要功能有：數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)分類