Fatigue life prediction of surface notched specimens with finite residual thickness based on the theory of critical distances

DING Mingchao; BIAN Shuguang; WANG Liming; HUANG Jiaxing; YANG Lipo; CAI Long

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2026.07.003

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Fatigue life prediction of surface notched specimens with finite residual thickness based on the theory of critical distances

·Fatigue·Damage·Fracture·Failure Analysis· | 更新时间：2026-07-17

- Fatigue life prediction of surface notched specimens with finite residual thickness based on the theory of critical distances
- Journal of Mechanical Strength Vol. 48, Issue 7, Pages: 23-31(2026)
- 作者机构：
  
  1.燕山大学机械工程学院，秦皇岛 066004
  2.中国铁路沈阳局集团有限公司山海关工务段，秦皇岛 066200
  3.秦皇岛优益重工科技有限公司，秦皇岛 066200
- 作者简介：
  
  DING Mingchao, E-mail: dingmc@ysu.edu.cn
- 基金信息：
  
  Central Guiding Local Science and Technology Development Fund Project(23621019G;246Z2205G);Hebei Provincial Natural Science Foundation(E2021203106;E2024203147)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2026.07.003
  CLC： TB31;TB125
- Received：06 September 2024，
  
  Revised：2024-10-18，
  
  Online First：17 July 2026，
  
  Published：15 July 2026
- 稿件说明：
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丁明超，边曙光，王黎明，等. 基于TCD的有限剩余厚度表面缺口件疲劳寿命预测［J］. 机械强度，2026，48（7）：23-31.

Ding Mingchao，Bian Shuguang，Wang Liming，et al. Fatigue life prediction of surface notched specimens with finite residual thickness based on the theory of critical distances［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（7）：23-31.
丁明超，边曙光，王黎明，等. 基于TCD的有限剩余厚度表面缺口件疲劳寿命预测［J］. 机械强度，2026，48（7）：23-31. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.07.003.

Ding Mingchao，Bian Shuguang，Wang Liming，et al. Fatigue life prediction of surface notched specimens with finite residual thickness based on the theory of critical distances［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（7）：23-31. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.07.003.

摘要

目的

针对现有临界距离理论（Theory of Critical Distances

TCD）在有限剩余厚度表面缺口件疲劳寿命预测中存在明显预测过大的问题，探究缺口根部有限剩余厚度对应力分布及疲劳特性的主导机制。

方法

首先，设计了缺口位于基体表面的有限剩余厚度表面缺口试件，开展了室温轴向拉伸疲劳试验，并通过线弹性有限元仿真提取了整个剩余厚度方向的应力场曲线。然后，基于传统TCD的点法（Point Method

PM）和线法（Line Method

LM）思想，提出了适用于表面缺口件等效应力评估的交点法（Intersection Method

IM）和全应力场法（Total Stress Field Method

TSFM），联立材料

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曲线，进行了疲劳寿命预测。

结果

试验结果表明，传统TCD点法和线法的寿命预测结果均在2倍离散带以外，整体偏于危险。而所提交点法通过求解大厚度与有限厚度应力场曲线的交点，并引入交点应力修正系数（TC4钛合金取0.855 76），将表面缺口件的寿命预测精度显著提升至1.5倍离散带以内；全应力场法通过积分整个剩余厚度范围内的应力场，其寿命预测结果主要分布在2倍离散带以内，尤其适用于应力集中程度更高（

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）的结构。两种新方法仅需线弹性应力场曲线和材料

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曲线，操作简便且精度高。

Abstract

Objective

To address the overestimation issue of the classical theory of critical distances (TCD) in predicting the fatigue life of surface notched components with finite residual thickness

the influence of finite residual thickness on the stress fields and fatigue life was investigated.

Methods

Firstly

surface notched specimens wi

th various finite residual thicknesses were designed

and room-temperature axial tensile fatigue tests were conducted. Linear elastic finite element analysis was performed to extract the stress field curves along the thickness direction. Then

based on the fundamental concepts of the point method (PM) and line method (LM) in TCD

an intersection method (IM) and a total stress field method (TSFM) were proposed for equivalent stress evaluation and lifetime prediction in combination with the material

curve.

Results

Test verification indicates that the prediction results of traditional TCD methods fall outside the 2-fold scatter band. In contrast

the proposed intersection method

incorporating an intersection stress correction factor (0.855 76 for TC4 titanium alloy)

significantly enhances the prediction accuracy to within the 1.5-fold scatter band. The total stress field method

which integrates the stress field over the entire remaining thickness range

yields predictions predominantly within the 2-fold scatter band and exhibits superior applicability for specimens with higher stress concentration (

2.1). Both methods require only the linear elastic stress field curves and the material

curve

offering high accuracy and simplified operations.

关键词

Keywords

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