一种高效的等高线框架，用于在混合模式I/II载荷下进行疲劳可靠性评估，并考虑载荷序列效应

《Structural Safety》：An efficient contour framework for fatigue reliability assessment under mixed mode I/II loading considering load sequence effects

疲劳可靠性评估框架研究：提出混合模式I/II载荷下考虑载荷序列效应的轮廓框架，结合子集模拟与代理建模优化计算效率，通过主动学习与新型填充准则实现低概率失效预测，并以含孔单边缺口试样为案例验证其有效性。

　　

埃文·魏文·卓（Evan Wei Wen Cheok）|程晨（Cheng Chen）|钱旭东（Xudong Qian）|塞尔·通·柯克（Ser Tong Quek）|迈克尔·布恩·英·西（Michael Boon Ing Si）

新加坡国立大学土木与环境工程系，117576，新加坡

摘要

本文提出了一种新颖且高效的等高线框架，用于在混合模式I/II载荷下进行疲劳可靠性评估，并明确考虑了载荷序列的影响。由于混合模式载荷历史导致的裂纹扩展方向不规则，组件的失效机制可能因施加载荷的顺序而异。传统的评估方法（如S-N方法和Palmgren-Miner规则）无法提供这些潜在失效机制的见解。因此，进行全面的疲劳可靠性评估需要采用断裂力学方法，并进行适当的修改以降低计算成本。通过使用带有孔的改进型单边缺口拉伸试样的案例研究，所提出的框架首先利用子集模拟来估计给定疲劳裂纹扩展参数集在随机载荷序列下的失效概率。然后，通过主动学习的替代建模输出目标失效概率等高线，将失效概率表示为疲劳裂纹扩展参数的函数。一种新颖的基于等高线的填充标准促进了探索性行为，以揭示这些等高线，同时确保自适应样本的数量较少，但仍能保证准确性。该等高线框架在计算效率和准确性方面均优于旨在揭示全局解空间的标准高斯过程替代模型。所提出的框架为随机载荷谱下的全面疲劳可靠性评估提供了前景。

引言

疲劳是由反复的应力波动引起的渐进性结构退化，在许多工程系统中是一种普遍的失效模式，例如在浮动结构[1]、[2]、飞机[3]、[4]和桥梁[5]中。在疲劳敏感的组件中（例如焊缝[6]、[7]、铆接接头[8]和几何不连续处[9]、[10]），局部应力集中会导致微裂纹的产生，这些微裂纹会聚集成宏观裂纹。如果不加以控制，这些裂纹的扩展将带来严重的安全风险，可能导致灾难性失效，甚至人员伤亡[11]、[12]。因此，尽管疲劳裂纹扩展（FCG）速率和应力序列存在不确定性，结构仍必须可靠地设计以防止疲劳失效。

传统上，S-N损伤累积方法和Palmgren-Miner[14]、[15]方法是组件疲劳可靠性评估的基础。尽管这种方法简单，但它本质上是经验性的，并没有完全考虑载荷序列[16]、[17]、[18]和不规则混合模式载荷历史[19]的影响，从而导致预测的不确定性和误差较大。因此，系统需要高度保守的设计。Dowling[20]证明，当较高应力范围的载荷块先于较低应力范围的载荷块时，疲劳失效的可能性更大，这突显了载荷序列对疲劳失效的深远影响。此外，Cheok等人[21]表明，在混合模式条件下，载荷序列显著影响含有孔的改进型单边缺口拉伸（SE(T)）试样的失效机制，进而影响疲劳可靠性。目前，研究载荷序列和模式混合综合效应的疲劳可靠性研究仍然很少[22]。这些效应可以通过断裂力学方法进行建模，通过适当的FCG模型（如幂律[23]、[24]、[25]）跟踪载荷序列下的裂纹演变。$\frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dN}}=C_J{\left(\Delta J\right)}^{m_J}$

引言

疲劳是由于反复的应力波动引起的结构逐渐恶化，在许多工程系统中是一种普遍的失效模式，例如在浮动结构[1]、[2]、飞机[3]、[4]和桥梁[5]中。在疲劳敏感的组件中（例如焊缝[6]、[7]、铆接接头[8]和几何不连续处[9]、[10]），局部应力集中会导致微裂纹的产生，这些微裂纹会聚集成宏观裂纹。如果不予控制，这些裂纹的扩展将带来严重的安全风险，可能导致灾难性失效，甚至人员伤亡[11]、[12]。因此，尽管疲劳裂纹扩展（FCG）速率和应力序列存在不确定性，结构仍必须可靠地设计以防止疲劳失效。

传统上，S-N损伤累积方法和Palmgren-Miner[14]、[15]方法是组件疲劳可靠性评估的基础。尽管这种方法简单，但它本质上是经验性的，并没有完全考虑载荷序列[16]、[17]、[18]和不规则混合模式载荷历史[19]的影响，从而导致预测的不确定性和误差较大。因此，系统需要高度保守的设计。Dowling[20]证明，当较高应力范围的载荷块先于较低应力范围的载荷块时，疲劳失效的可能性更大，这突显了载荷序列对疲劳失效的深远影响。此外，Cheok等人[21]表明，在混合模式条件下，载荷序列显著影响含有孔的改进型单边缺口拉伸（SE(T)）试样的失效机制，从而影响疲劳可靠性。目前，研究载荷序列和模式混合综合效应的疲劳可靠性研究仍然很少[22]。这些效应可以通过断裂力学方法进行建模，通过适当的FCG模型（如幂律[23]、[24]、[25]）跟踪载荷序列下的裂纹演变。$\frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dN}}=C_J{\left(\Delta J\right)}^{m_J}$

引言

疲劳是由于反复的应力波动引起的结构逐渐恶化，在许多工程系统中是一种普遍的失效模式，例如在浮动结构[1]、[2]、飞机[3]、[4]和桥梁[5]中。在疲劳敏感的组件中（例如焊缝[6]、[7]、铆接接头[8]和几何不连续处[9]、[10]），局部应力集中会导致微裂纹的产生，这些微裂纹会聚集成宏观裂纹。如果不予控制，这些裂纹的扩展将带来严重的安全风险，可能导致灾难性失效，甚至人员伤亡[11]、[12]。因此，尽管疲劳裂纹扩展（FCG）速率和应力序列存在不确定性，结构仍必须可靠地设计以防止疲劳失效。

传统上，S-N损伤累积方法和Palmgren-Miner[14]、[15]方法是组件疲劳可靠性评估的基础。尽管这种方法简单，但它本质上是经验性的，并没有完全考虑载荷序列[16]、[17]、[18]和不规则混合模式载荷历史[19]的影响，从而导致预测的不确定性和误差较大。因此，系统需要高度保守的设计。Dowling[20]证明，当较高应力范围的载荷块先于较低应力范围的载荷块时，疲劳失效的可能性更大，这突显了载荷序列对疲劳失效的深远影响。此外，Cheok等人[21]表明，在混合模式条件下，载荷序列显著影响含有孔的改进型单边缺口拉伸（SE(T)）试样的失效机制，从而影响疲劳可靠性。目前，研究载荷序列和模式混合综合效应的疲劳可靠性研究仍然很少[22]。这些效应可以通过断裂力学方法进行建模，通过适当的FCG模型（如幂律[23]、[24]、[25]）跟踪载荷序列下的裂纹演变。$\frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dN}}=C_J{\left(\Delta J\right)}^{m_J}$

引言

疲劳是由于反复的应力波动引起的结构逐渐恶化，在许多工程系统中是一种普遍的失效模式，例如在浮动结构[1]、[2]、飞机[3]、[4]和桥梁[5]中。在疲劳敏感的组件中（例如焊缝[6]、[7]、铆接接头[8]和几何不连续处[9]、[10]），局部应力集中会导致微裂纹的产生，这些微裂纹会聚集成宏观裂纹。如果不予控制，这些裂纹的扩展将带来严重的安全风险，可能导致灾难性失效，甚至人员伤亡[11]、[12]。因此，尽管疲劳裂纹扩展（FCG）速率和应力序列存在不确定性，结构仍必须可靠地设计以防止疲劳失效。

传统上，S-N损伤累积方法和Palmgren-Miner[14]、[15]方法是组件疲劳可靠性评估的基础。尽管这种方法简单，但它本质上是经验性的，并没有完全考虑载荷序列[16]、[17]、[18]和不规则混合模式载荷历史[19]的影响，从而导致预测的不确定性和误差较大。因此，系统需要高度保守的设计。Dowling[20]证明，当较高应力范围的载荷块先于较低应力范围的载荷块时，疲劳失效的可能性更大，这突显了载荷序列对疲劳失效的深远影响。此外，Cheok等人[21]表明，在混合模式条件下，载荷序列显著影响含有孔的改进型单边缺口拉伸（SE(T)）试样的失效机制，从而影响疲劳可靠性。目前，研究载荷序列和模式混合综合效应的疲劳可靠性研究仍然很少[22]。这些效应可以通过断裂力学方法进行建模，通过适当的FCG模型（如幂律[23]、[24]、[25]）跟踪载荷序列下的裂纹演变。$\frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dN}}=C_J{\left(\Delta J\right)}^{m_J}$

引言

疲劳是由于反复的应力波动引起的结构逐渐恶化，在许多工程系统中是一种普遍的失效模式，例如在浮动结构[1]、[2]、飞机[3]、[4]和桥梁[5]中。在疲劳敏感的组件中（例如焊缝[6]、[7]、铆接接头[8]和几何不连续处[9]、[10]），局部应力集中会导致微裂纹的产生，这些微裂纹会聚集成宏观裂纹。如果不予控制，这些裂纹的扩展将带来严重的安全风险，可能导致灾难性失效，甚至人员伤亡[11]、[12]。因此，尽管疲劳裂纹扩展（FCG）速率和应力序列存在不确定性，结构仍必须可靠地设计以防止疲劳失效。

传统上，S-N损伤累积方法和Palmgren-Miner[14]、[15]方法是组件疲劳可靠性评估的基础。尽管这种方法简单，但它本质上是经验性的，并没有完全考虑载荷序列[16]、[17]、[18]和不规则混合模式载荷历史[19]的影响，从而导致预测的不确定性和误差较大。因此，系统需要高度保守的设计。Dowling[20]证明，当较高应力范围的载荷块先于较低应力范围的载荷块时，疲劳失效的可能性更大，这突显了载荷序列对疲劳失效的深远影响。此外，Cheok等人[21]表明，在混合模式条件下，载荷序列显著影响含有孔的改进型单边缺口拉伸（SE(T)）试样的失效机制，从而影响疲劳可靠性。目前，研究载荷序列和模式混合综合效应的疲劳可靠性研究仍然很少[22]。这些效应可以通过断裂力学方法进行建模，通过适当的FCG模型（如幂律[23]、[24]、[25]）跟踪载荷序列下的裂纹演变。$\frac{\mathrm{da}}{\mathrm{dN}}=C_J{\left(\Delta J\right)}^{m_J}$

引言

疲劳是由于反复的应力波动引起的结构逐渐恶化，在许多工程系统中是一种普遍的失效模式，例如在浮动结构[1]、[2]、飞机[3]、[4]和桥梁[5]中。在疲劳敏感的组件中（例如焊缝[6]、[7]、铆接接头[8]和几何不连续处[9]、[10]），局部应力集中会导致微裂纹的产生，这些微裂纹会聚集成宏观裂纹。如果不予控制，这些裂纹的扩展将带来严重的安全风险，可能导致灾难性失效，甚至人员伤亡[11]、[12]。因此，尽管疲劳裂纹扩展（FCG）速率和应力序列存在不确定性，结构仍必须可靠地设计以防止疲劳失效。

传统上，S-N损伤累积方法和Palmgren-Miner[14]、[15]方法是组件疲劳可靠性评估的基础。尽管这种方法简单，但它本质上是经验性的，并没有完全考虑载荷序列[16]、[17]、[18]和不规则混合模式载荷历史[19]的影响，从而导致预测的不确定性和误差较大。因此，系统需要高度保守的设计。Dowling[20]证明，当较高应力范围的载荷块先于较低应力范围的载荷块时，疲劳失效的可能性更大，这突显了载荷序列对疲劳失效的深远影响。此外，Cheok等人[21]表明，在混合模式条件下，载荷序列显著影响含有孔的改进型单边缺口拉伸（SE(T)）试样的失效机制，从而影响疲劳可靠性。目前，研究载荷序列和模式混合综合效应的疲劳可靠性研究仍然很少[22]。这些效应