(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210765997.4 (22)申请日 2022.07.01 (71)申请人 南京航空航天大 学 地址 210000 江苏省南京市秦淮区御道街 29号 (72)发明人 孙志刚　刘洪涛　牛序铭　常亚宁　 宋迎东　 (74)专利代理 机构 南京鑫之航知识产权代理事 务所(特殊普通 合伙) 32410 专利代理师 姚兰兰 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 119/04(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种金属材料在谱载荷下疲劳寿命计算方 法 (57)摘要 本发明公开了一种金属材料在谱载荷下疲 劳寿命计算方法， 利用等损伤线理论， 导仿真控 制方程组， 利用仿真软件进行温度场仿真， 得到 基于此理论下的材料等损伤线， 提取循环 ‑应力‑ 损伤的离散点， 进行曲面拟合， 得到多项式形式 的循环‑应力‑损伤关系式， 利用无穷级数转换成 指数函数形式， 得到材料疲劳损伤累积模型， 采 用名义应力法， 将材料的S ‑N曲线转换为结构的 S‑N曲线， 将结构的S ‑N曲线代替原曲线进行仿 真， 得到应用于结构件的疲劳寿命预测模型。 本 发明充分考虑了载荷的次序效应对疲劳寿命的 影响且适用于多级载荷和随机谱， 使得发动机谱 载荷疲劳寿命计算更加准确， 具有宏观唯相的特 点， 不涉及微观机理研究， 形式简洁， 使用方便 。 权利要求书3页 说明书8页 附图2页 CN 115310311 A 2022.11.08 CN 115310311 A 1.一种金属材 料在谱载荷下疲劳寿命计算方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤1、 基于等损伤线理论， 推导仿真控制方程组； 步骤2、 基于仿真控制方程组， 利用仿真软件进行温度场仿真， 得到材料实际等损伤线 图； 步骤3、 从材料实际等损伤线图中提取循环 ‑应力‑损伤的离散点， 进行曲面拟合， 得到 多项式形式的循环 ‑应力‑损伤关系表达式： T＝P(x， y)； 步骤4、 利用无穷级数将循环 ‑应力‑损伤关系表达式T＝P(x， y)转换成指数函数， 得到 材料疲劳损伤累积模型， 指数函数表达形式为： 式中， Di为第i级载荷造成的损伤， Ne为疲劳极限循环， Ni为第i级载荷加载次数， q(σ i) 为载荷及材料力学性能相关的影响因子， ni为第i级加载循环数； 步骤5、 对结构件的疲劳寿命预测模型， 利用基于等损伤线理论的材料疲劳损伤累积模 型， 结合名义应力法， 将材料的S ‑N曲线转换为结构的S ‑N曲线， 将结构的S ‑N曲线代替材料 的S‑N曲线进行仿真， 之后重复之前的步骤， 得到应用于结构件的疲劳寿命预测模型。 2.根据权利要求1所述的一种金属材料在谱载荷下疲劳寿命计算方法， 其特征在于， 所 述步骤1中， 基于等损伤线理论， 推导仿真控制方程组的过程 为： 1)、 材料在低循环载荷下的疲劳损伤累积与材料本身的力学性能、 载荷的应力大小与 加载循环数分布呈指数相关， 用 表示， 对上式进行积分， 得到log(D)＝f(m， σ )log(n)+λ   (2)， 式中， m为材料本身 的力学性能， σ 为材料所受应力大小， n为加载循环数， D为材料的损 伤， λ为和材 料有关的积分 常数； 2)、 令m不变， 采用主元法， 令T＝log(D)， x ＝log(n)， 将上式转换为线性方程： T＝a2( σ )x +λ   (3)， (3)式表明在材料本身的力学性能和材料所受应力大小确定的情况下， 损伤D与加载循 环数n的对数线性相关， 令y＝log(σ )， 得到T＝α3(n)y+μ， 损伤D的对数认为是加载循环数n 的对数和应力σ的对数的线性函数， 即T＝a1+a2x+a3y， 用矩阵形式表达， 得到： 式中， μ为和材料本身力学性能有关的积分常数， x， y， T分别为应力， 循环和损伤状态值 的对数， a1， a2， a3分别为和材 料本身力学性能， 载荷应力及加载循环数有关的参数； 3)、 对(4)式运用二维平面传热模型形式进行建模， 建模得到温度场仿真结果， 在建模 过程中， 采用OH线描述疲劳极限， OK线描述加载循环数n的极小值， 采用10‑8来表示极小值， 使用材料S ‑N曲线作为T＝(log(D)＝0， D＝1)的边界条件， 令OH线及OK线上T＝ ‑8， D＝10‑8， 从而得到材料有限元模型的边界条件， 在有限元建模的过程中， 选取三个节点， 得到仿 真控 制方程组：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115310311 A 2式中， 下标i， j， m为 等损伤线图中三个不同的节点。 3.根据权利要求2所述的一种金属材料在谱载荷下疲劳寿命计算方法， 其特征在于， 所 述步骤2中， 利用仿真软件进行温度场仿真， 求取 材料实际等损伤线图的方法为： 利用二维稳态热传导的温度泛函形式： 使用C0型插 值函数 作为自变函数， 经过数学变换， 得到 dA＝dxdy为有限元 单元面积微分， 结合(5)式， 得到： 令 其中κx和κy表示材料在x和y方向上的导热系数， 与材料本身力学性 能以及a2、 a3有关， 求泛函极小值 得到有限元求 解方程： [K]{T}＝{R}     (7)， 其中， [K]为刚度矩阵， {R}为载荷向量矩阵， 此处表示热冲击和蠕变因素对损伤的影 响； 将材料的S ‑N曲线作为损伤 的边界条件带入到有限元求解方程中进行计算， 得到材料 实际等损伤线图。 4.根据权利要求3所述的一种金属材料在谱载荷下疲劳寿命计算方法， 其特征在于， 所 述步骤3中， 提取循环 ‑应力‑损伤的离散点， 基于材料实际等损伤线图， 导出实际等损伤线， 得到损伤点坐标图， 将损伤值相同的损伤点放置于一个组中， 得到实际等损伤线的坐标点， 连接等损伤点并画出实际等损伤线， 得到实际等损伤线上 的损伤值T， 通过曲面拟合， 得到 多项式T＝P(x， y)形式的循环 ‑应力‑损伤关系表达式。 5.根据权利要求1所述的一种金属材料在谱载荷下疲劳寿命计算方法， 其特征在于， 所 述步骤5， 结构件的疲劳寿命 预测模型中， 使用名义应力法和S ‑N曲线， 通过改动材料有限元 模型的边界条件， 将材料的S ‑N曲线替换为结构的S ‑N曲线， 并进 行有限元计算， 得到应用于 结构件的疲劳寿命预测模型。 6.根据权利要求5所述的一种金属材料在谱载荷下疲劳寿命计算方法， 其特征在于， 所 述步骤5， 结构件的疲劳寿命预测模型中， 对材料的S ‑N曲线进行修改， 结构的S ‑N曲线与材 料的S‑N曲线转换公式： 权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115310311 A 3