基于TCD的有限剩余厚度表面缺口件疲劳寿命预测

丁明超; 边曙光; 王黎明; 黄嘉兴; 杨利坡; 才龙

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2026.07.003

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基于TCD的有限剩余厚度表面缺口件疲劳寿命预测

·疲劳·损伤·断裂·失效分析· | 更新时间：2026-07-17

- 基于TCD的有限剩余厚度表面缺口件疲劳寿命预测
- Fatigue life prediction of surface notched specimens with finite residual thickness based on the theory of critical distances
- 机械强度 2026年48卷第7期页码：23-31
- 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：
  
  中央引导地方科技发展项目(23621019G;246Z2205G);河北省自然科学基金项目(E2021203106;E2024203147)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2026.07.003
  中图分类号： TB31;TB125
- 收稿：2024-09-06，
  
  修回：2024-10-18，
  
  网络首发：2026-07-17，
  
  纸质出版：2026-07-15
- 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

references

Ding M C ， Zhang Y L ， Lu H T ， et al . Numerical investigation on stress concentration of surface notch on blades ［J］. Engineering Failure Analysis ， 2021 ， 122 ： 105241 .

Ding M C ， Zhang Y L ， Li B ， et al . Total fatigue life prediction of TC4 titanium alloy based on surface notch ［J］. Engineering Failure Analysis ， 2022 ， 131 ： 105868 .

王金龙，高斯博，杨宇星，等 . 机械装备可再制造性评价研究综述［J］. 机械工程学报， 2022 ， 58 （ 3 ）： 221 - 234 .

Wang Jinlong ， Gao Sibo ， Yang Yuxing ， et al . Review of the remanu-facturability evaluation of mechanical equipment ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2022 ， 58 （ 3 ）： 221 - 234 . （In Chinese）

华亮 . 激光熔覆再制造产品疲劳寿命评估方法研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2017 ： 1 - 2 .

Hua Liang . Fatigue life evaluation on the laser cladding remanufactured product coupled with thermal damage ［D］. Nanjing ： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ， 2017 ： 1 - 2 . （In Chinese）

张国庆 . 零件剩余疲劳寿命预测方法与产品可再制造性评估研究［D］. 上海：上海交通大学， 2007 ： 101 - 102 .

Zhang Guoqing . Study on residual fatigue life prediction methods of remanufacturing parts and assessment of remanufacturability ［D］. Shanghai ： Shanghai Jiao Tong University ， 2007 ： 101 - 102 . （In Chinese）

Neuber H . Theory of stress concentration for shear-strained prismatical bodies with arbitrary nonlinear stress-strain law ［J］. Journal of Applied Mechanics ， 1961 ， 28 （ 4 ）： 544 - 550 .

Peterson R E . Notch sensitivity ［M］//Sines G，Waisman J L. Metal fatigue . New York ： McGraw-Hill ， 1959 ： 293 - 306 .

唐晶，王恭义，程凯，等 . 一种基于混合硬化本构模型的汽轮机轮盘榫槽疲劳寿命预测方法［J］. 材料科学与工程学报， 2022 ， 40 （ 1 ）： 77 - 82 .

Tang Jing ， Wang Gongyi ， Cheng Kai ， et al . A method for predicting fatigue life of turbine rotor wheel groove based on mixed hardening constitutive model ［J］. Journal of Materials Science and Engineering ， 2022 ， 40 （ 1 ）： 77 - 82 . （In Chinese）

刘俭辉，冉勇，韦尧兵，等 . 考虑应力梯度效应的多轴疲劳寿命预估方法研究［J］. 机械设计与研究， 2021 ， 37 （ 1 ）： 111 - 115 .

Liu Jianhui ， Ran Yong ， Wei Yaobing ， et al . Research on multiaxial fatigue life prediction method considering stress gradient effect ［J］. Machine Design & Research ， 2021 ， 37 （ 1 ）： 111 - 115 . （In Chinese）

刘香，王延荣，田爱梅，等 . 考虑尺寸效应的缺口疲劳寿命预测方法［J］. 航空动力学报， 2017 ， 32 （ 2 ）： 429 - 437 .

Liu Xiang ， Wang Yanrong ， Tian Aimei ， et al . A life prediction method for size effects on notched fatigue ［J］. Journal of Aerospace Power ， 2017 ， 32 （ 2 ）： 429 - 437 . （In Chinese）

王钟德，王瑞杰，刘国寿，等 . 7075/2A12异种铝合金搅拌摩擦焊搭接接头疲劳寿命预测研究［J］. 现代制造工程， 2023 （ 10 ）： 135 - 144 .

Wang Zhongde ， Wang Ruijie ， Liu Guoshou ， et al . Fatigue life prediction of 7075/2A12 dissimilar aluminum alloys friction stir welding lap joints ［J］. Modern Manufacturing Engineering ， 2023 （ 10 ）： 135 - 144 . （In Chinese）

方新文，管佳佳 . TC4钛合金在准静态拉伸下的本构模型及失效参数［J］. 机械强度， 2022 ， 44 （ 4 ）： 831 - 836 .

Fang Xinwen ， Guan Jiajia . Constitutive model and failure parameters of TC4 titanium alloy under quasi-static tensile ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2022 ， 44 （ 4 ）： 831 - 836 . （In Chinese）

Taylor D . The theory of critical distances ［J］. Engineering Fracture Mechanics ， 2008 ， 75 （ 7 ）： 1696 - 1705 .

Susmel L ， Taylor D . A novel formulation of the theory of critical distances to estimate lifetime of notched components in the medium-cycle fatigue regime ［J］. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures ， 2007 ， 30 （ 7 ）： 567 - 581 .

龚帅，王文轩，王英玉，等 . 临界距离法在铝锂合金多轴缺口疲劳寿命预测中的应用［J］. 固体力学学报， 2023 ， 44 （ 4 ）： 470 - 482 .

Gong Shuai ， Wang Wenxuan ， Wang Yingyu ， et al . Application of theory of critical distance in multiaxial notch fatigue life prediction for Al-Li alloy ［J］. Chinese Journal of Solid Mechanics ， 2023 ， 44 （ 4 ）： 470 - 482 . （In Chinese）

徐友坤，鲁连涛，曾东方，等 . 基于临界距离法的含表面缺陷车轴试样疲劳强度预测［J］. 机械强度， 2022 ， 44 （ 4 ）： 825 - 830 .

Xu Youkun ， Lu Liantao ， Zeng Dongfang ， et al . Fatigue strength prediction of railway axle specimen with surface notch by TCD ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2022 ， 44 （ 4 ）： 825 - 830 . （In Chinese）

孙嵩松，万茂松，徐晓美 . 不同临界距离法在曲轴疲劳特性预测中的对比研究［J］. 机械强度， 2020 ， 42 （ 2 ）： 431 - 436 .

Sun Songsong ， Wan Maosong ， Xu Xiaomei . A comparative study of the application of different TCD in crankshaft fatigue property prediction ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2020 ， 42 （ 2 ）： 431 - 436 . （In Chinese）

廖鼎，朱顺鹏，高杰维，等 . 耦合临界平面-临界距离理论的缺口结构疲劳寿命预测［J］. 机械强度， 2023 ， 45 （ 2 ）： 454 - 461 .

Liao Ding ， Zhu Shunpeng ， Gao Jiewei ， et al . Fatigue life prediction of notched structure using combined critical plane-critical distance approach ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2023 ， 45 （ 2 ）： 454 - 461 . （In Chinese）

姜仁杰，杨晓光，石多奇，等 . 基于Abaqus二次开发的复杂结构寿命计算平台［J］. 机械强度， 2024 ， 46 （ 1 ）： 216 - 223 .

Jiang Renjie ， Yang Xiaoguang ， Shi Duoqi ， et al . Complex structure life calculation platform based on secondary development of Abaqus ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2024 ， 46 （ 1 ）： 216 - 223 . （In Chinese）

He J C ， Zhu S P ， Luo C Q ， et al . Probabilistic notch fatigue assessment under size effect using micromechanics-based critical distance theory ［J］. International Journal of Fatigue ， 2024 ， 183 ： 108280 .

Yu Y F ， Liu Y ， Jiang W C ， et al . Notch structural stress theory：part Ⅱ predicting total fatigue lives of notched structures ［J］. International Journal of Fatigue ， 2024 ， 182 ： 108201 .

Gao Z Y ， Chen X ， Zhu S Y ， et al . Notch fatigue behavior of a titanium alloy in the VHCF regime based on a vibration fatigue test ［J］. International Journal of Fatigue ， 2023 ， 172 ： 107608 .

寇海军 . 民航发动机高压压气机叶片多工况振动特性及疲劳研究［D］. 天津：天津大学， 2017 ： 109 .

Kou Haijun . Research on multi-point vibration characteristics and fatigue of civil aviation engine high-pressure compressor blade ［D］. Tianjin ： Tianjin University ， 2017 ： 109 . （In Chinese）

Tanaka K . Engineering formulae for fatigue strength reduction due to crack-like notches ［J］. International Journal of Fracture ， 1983 ， 22 （ 2 ）： R39 - R46 .

Taylor D ， Cornetti P ， Pugno N . The fracture mechanics of finite crack extension ［J］. Engineering Fracture Mechanics ， 2005 ， 72 （ 7 ）： 1021 - 1038 .

Salama M M . Fatigue crack growth behavior of titanium alloy Ti-6Al-4V and weldment ［J］. Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering ， 2001 ， 123 （ 3 ）： 141 - 146 .

《中国航空材料手册》编辑委员会 . 中国航空材料手册（第4卷）［M］. 北京：中国标准出版社， 2022 ： 121 - 141 .

Editorial Committee of China Aeronautical Materials Handbook . China aeronautical materials handbook：volume 4 ［M］. Beijing ： Standards Press of China ， 2022 ： 121 - 141 . （In Chinese）

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