一種基于臨界面法的多軸短裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及多軸疲勞強(qiáng)度理論領(lǐng)域，特指一種基于臨界面法的多軸短裂紋擴(kuò)展壽 命預(yù)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在許多工程領(lǐng)域如核電站、汽車、飛機(jī)、和壓力容器等，結(jié)構(gòu)部件承受復(fù)雜的多軸 載荷作用，多軸疲勞研究已成為各國(guó)研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。多軸載荷下的損傷累積、裂紋萌 生與擴(kuò)展、壽命預(yù)測(cè)方法等與單軸加載相比需要考慮更多因素的影響。所以，進(jìn)行多軸載荷 下的短裂紋擴(kuò)展模型與壽命預(yù)測(cè)方法研究有重要的工程意義。
[0003] 研究短裂紋問題，有利于從微觀、亞微觀的層次去認(rèn)識(shí)疲勞，從而了解疲勞的全過 程;有利于深入理解疲勞極限、疲勞門檻值，裂紋萌生和早期擴(kuò)展以及疲勞各個(gè)階段的物理 本質(zhì)。對(duì)于多軸短裂紋擴(kuò)展，由于缺乏應(yīng)力強(qiáng)度因子的精確解，再加上獲得多軸疲勞短裂紋 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)較困難，多軸疲勞短裂紋擴(kuò)展模型的研究進(jìn)展緩慢。因此，深入研究低周多軸小 裂紋擴(kuò)展機(jī)理與壽命預(yù)測(cè)方法，并能擴(kuò)展應(yīng)用到實(shí)際工程領(lǐng)域，是一項(xiàng)非常有意義的工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的在于針對(duì)多軸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)的需求，提出了一種基于臨界面法的多軸 短裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)方法。
[0005] 本發(fā)明所提供的一種基于臨界面法的多軸短裂紋擴(kuò)展模型，其步驟為：
[0006] 步驟1):薄壁管件在多軸恒幅加載狀態(tài)下，裂紋主要萌生于最大剪應(yīng)變范圍所在 的平面;選取最大剪應(yīng)變范圍所在平面為臨界面，利用該臨界面上的損傷參量來表征短裂 紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力具有明確的物理意義；
[0007] 步驟2):基于剪切型多軸疲勞損傷參量，建立適用于多軸應(yīng)力狀態(tài)下的等效裂紋 應(yīng)力強(qiáng)度因子;選取最大剪應(yīng)變范圍A ymax為主要的裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力參量;該方法以最大 剪應(yīng)變范圍所在平面為臨界面，而且相鄰的最大剪應(yīng)變轉(zhuǎn)折點(diǎn)之間的法向應(yīng)變范圍Δ<對(duì) 裂紋擴(kuò)展有著重要影響;該等效應(yīng)力強(qiáng)度因子A Krff公式為：
[0008]
[0009] 其中，Δ ymax為最大剪應(yīng)變范圍，為相鄰最大剪應(yīng)變轉(zhuǎn)折點(diǎn)之間的法向應(yīng)變 范圍，a為半裂紋長(zhǎng)度，G為剪切模量；
[0010] 步驟3):通過擬合單軸加載下的短裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子數(shù)據(jù)，得出單軸 短裂紋擴(kuò)展曲線，并以此為基線進(jìn)行下一步計(jì)算;Paris形式的裂紋擴(kuò)展曲線公式如下：
[0011]
Λ?
[0012] 其中，^是裂紋擴(kuò)展速率，C，m為單軸Paris常數(shù)；
[0013] 步驟4):通過斷裂力學(xué)方法計(jì)算短裂紋擴(kuò)展壽命：
[0014] (1)確定裂紋初始尺寸，選取材料微觀結(jié)構(gòu)障礙尺度為短裂紋初始長(zhǎng)度，該尺寸與 材料晶粒尺寸相關(guān)；
[0015] (2)采用Dugdale模型對(duì)裂紋尖端塑性區(qū)尺寸進(jìn)行修正，如下式：
[0016]
[0017]
[0018] 其中，p為裂紋尖端塑性區(qū)尺寸，Δσ；；為臨界面上的法向應(yīng)力，RF為流變應(yīng)力， R'Pq.2為屈服強(qiáng)度，Ru為斷裂強(qiáng)度;法向應(yīng)力八< 定義為相鄰最大剪應(yīng)變轉(zhuǎn)折點(diǎn)之間的法向 應(yīng)變范圍Δ%對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，可以通過Ramberg-Osgood公式來求得，該公式如下：
[0019]
[0020]其中，E為彈性模量，K'為材料循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)，r/為材料循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)；
[0021] 這:際裂紋R寸Y為
[0022]
[0023] (3)計(jì)算不同應(yīng)變比、相位角等加載狀態(tài)下等效應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍AKeff，計(jì)算臨 界面上的法向應(yīng)力，進(jìn)行塑性修正;對(duì)下式進(jìn)行積分，可得短裂紋擴(kuò)展壽命：
[0024]
[0025] 其中，N為試樣裂紋擴(kuò)展壽命，ai為初始長(zhǎng)度，af為最終裂紋長(zhǎng)度。
[0026] 所述步驟2)中選取的裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力參量為最大剪應(yīng)變范圍△ ymax和臨界面上 相鄰剪應(yīng)變轉(zhuǎn)折點(diǎn)之間法向應(yīng)變范圍。
[0027] 所述步驟4)中選擇材料微觀結(jié)構(gòu)障礙尺度作為初始裂紋尺寸，符合裂紋萌生與擴(kuò) 展機(jī)理。
[0028] 所述步驟4)中將法向應(yīng)力定義為臨界面上相鄰剪應(yīng)變轉(zhuǎn)折點(diǎn)之間法向應(yīng)變 范圍Δ.&對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，通過Ramberg-Osgood公式來求得。
[0029] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:提出了一種基于臨界面法的多軸短裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)方法。 該方法用等效應(yīng)力強(qiáng)度因子來表征多軸載荷狀態(tài)下短裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力，并利用單軸裂紋擴(kuò) 展曲線為基線來預(yù)測(cè)多軸疲勞短裂紋擴(kuò)展壽命。本方法基于臨界面理論，物理意義明確，且 不包含其他材料常數(shù)，便于工程應(yīng)用。
【附圖說明】
[0030] 圖1本發(fā)明方法提供的基于臨界面法的多軸短裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)方法的流程圖。
[0031] 圖2薄壁管件在多軸加載下表面裂紋受力狀態(tài)與萌生位置的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]結(jié)合【附圖說明】本發(fā)明。
[0033] 本發(fā)明通過疲勞試驗(yàn)對(duì)本發(fā)明作了進(jìn)一步說明，試驗(yàn)分為兩部分，一部分是單軸 恒幅加載下的短裂紋試驗(yàn)，應(yīng)力比為-1，觀測(cè)短裂紋擴(kuò)展數(shù)據(jù)。在高周疲勞壽命范圍內(nèi)，主 要為單一主導(dǎo)裂紋，便于測(cè)量計(jì)算裂紋擴(kuò)展曲線。另一部分是多軸比例與非比例加載試驗(yàn)， 計(jì)算多軸載荷條件下的等效應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍。
[0034] -種基于臨界面法的多軸短裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)方法，具體計(jì)算方法如下：
[0035] 步驟1):如圖2所示，薄壁管件在拉扭多軸加載狀態(tài)下，裂紋主要萌生于最大剪應(yīng) 變幅度所在的平面，該平面與試件軸向之間有一夾角Θ;利用該臨界面上的損傷參量來表征 短裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力具有明確的物理意義；
[0036] 步驟2):基于剪切型多軸疲勞損傷參量，建立適用于多軸應(yīng)力狀態(tài)下的等效裂紋 應(yīng)力強(qiáng)度因子;該等效應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍AKrff公式為：
[0037]
[0038] 其中，Δ ymax為最大剪應(yīng)變范圍，為臨界面上相鄰剪應(yīng)變轉(zhuǎn)折點(diǎn)之間的法向 應(yīng)變范圍，a為半裂紋長(zhǎng)度，G為剪切模量；隨著相位角的變化而變化，因此可以反映出 非比例加載對(duì)短裂紋擴(kuò)展的影響；
[0039] 步驟3):通過擬合單軸加載下的短裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子數(shù)據(jù)，得出單軸 短裂紋擴(kuò)展曲線，并以此為基線進(jìn)行下一步計(jì)算;Paris形式的裂紋擴(kuò)展曲線公式如下：
[0040]
[0041] 其中，是裂紋擴(kuò)展速率，C，m為單軸Paris常數(shù)； (LN
[0042] 步驟4):通過斷裂力學(xué)方法計(jì)算短裂紋擴(kuò)展壽命：
[0043] (1)確定裂紋初始尺寸，選取材料微觀結(jié)構(gòu)障礙尺度為短裂紋初始長(zhǎng)度；
[0044] (2)采用Dugdale模型對(duì)裂紋尖端塑性區(qū)尺寸進(jìn)行修正，如下式：
[0045]
[0046]
[0047]其中，P為裂紋尖端塑性區(qū)尺寸，Rf為流變應(yīng)力，R'po.2為屈服強(qiáng)度，Ru為斷裂強(qiáng)度； 法向應(yīng)力Δσ,丨定義為與Δ￡·Η相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，通過Ramberg-Osgood公式來求得，該公式如下：
[0048]
[0049] 其中，E為彈性模量，K'為材料循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)，r/為材料循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)。
[0050] 實(shí)際裂紋尺寸a'為：
[0051]
[0052] (4)計(jì)算不同應(yīng)變比、相位角等加載狀態(tài)下等效應(yīng)力強(qiáng)度因子AKeff，計(jì)算臨界面 上的法向應(yīng)力，進(jìn)行塑性修正。對(duì)下式進(jìn)行積分，可得短裂紋擴(kuò)展壽命；
[0053]
[0054]其中，N為試樣壽命，ai為初始長(zhǎng)度，af為最終裂紋長(zhǎng)度；
[0055]為了驗(yàn)證本發(fā)明提出的基于臨界面法的多軸短裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)方法的效果，將 本方法所得的預(yù)測(cè)結(jié)果與多軸比例、非比例加載試驗(yàn)所得的試驗(yàn)觀測(cè)壽命進(jìn)行比較。結(jié)果 表明，基于多軸短裂紋模型，通過本發(fā)明的計(jì)算方法得出的多軸比例、非比例加載下短裂紋 擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)實(shí)際觀測(cè)壽命相比，其結(jié)果在三倍誤差因子之內(nèi)。該方法基于臨界 面法，不含其它材料常數(shù)，并考慮了非比例加載對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響。因此，提出的計(jì)算方法 可以較好的預(yù)測(cè)多軸比例、非比例加載下短裂紋擴(kuò)展壽命。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于臨界面法的多軸短裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于:該步驟如下， 步驟1):薄壁管件在多軸恒幅加載狀態(tài)下，裂紋主要萌生于最大剪應(yīng)變范圍所在的平 面;選取最大剪應(yīng)變范圍所在平面為臨界面，利用該臨界面上的損傷參量來表征短裂紋擴(kuò) 展驅(qū)動(dòng)力具有明確的物理意義； 步驟2):基于剪切型多軸疲勞損傷參量，建立適用于多軸應(yīng)力狀態(tài)下的等效裂紋應(yīng)力 強(qiáng)度因子;該方法選取最大剪應(yīng)變范圍所在平面為臨界面，而且相鄰剪應(yīng)變轉(zhuǎn)折點(diǎn)之間的 法向應(yīng)變范圍對(duì)裂紋擴(kuò)展有著重要影響;該等下應(yīng)力強(qiáng)度因子△ Km公式為：其中，為最大剪應(yīng)變范圍，為臨界面上相鄰剪應(yīng)變轉(zhuǎn)折點(diǎn)之間的法向應(yīng)變范 圍，a為半裂紋長(zhǎng)度，G為剪切模量； 步驟3):通過擬合單軸加載下的短裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子數(shù)據(jù)，得出單軸短裂 紋擴(kuò)展曲線，并以此為基線進(jìn)行下一步計(jì)算;Paris形式的裂紋擴(kuò)展曲線公式如下：其中，是裂紋擴(kuò)展速率，C，m為單軸Par i s常數(shù)； 步驟4):通過斷裂力學(xué)方法計(jì)算短裂紋擴(kuò)展壽命： (1) 確定裂紋初始尺寸，選取材料微觀結(jié)構(gòu)障礙尺度為短裂紋初始長(zhǎng)度，該尺寸與材料 晶粒尺寸相關(guān)； (2) 采用Dugdale模型對(duì)裂紋尖端塑性區(qū)尺寸進(jìn)行修正，如下式：其中，P為裂紋尖端塑性區(qū)尺寸，為臨界面上的法向應(yīng)力，Rf為流變應(yīng)力為屈 服強(qiáng)度，Ru為斷裂強(qiáng)度；法向應(yīng)力定義為對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，通過循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 Ramberg-Osgood公式來求得，該公式如下：其中，E為彈性模量，為材料循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)，為材料循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)； 實(shí)際裂紋尺寸為：(3) 計(jì)算不同應(yīng)變比、相位角等加載狀態(tài)下等效應(yīng)力強(qiáng)度因子AKeff，計(jì)算臨界面上的 法向應(yīng)力，進(jìn)行塑性修正;對(duì)下式進(jìn)行積分，可得短裂紋擴(kuò)展壽命：其中，N為試樣壽命，ai為初始長(zhǎng)度，af為最終裂紋長(zhǎng)度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于臨界面法的多軸短裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)方法，其特征 在于:所述步驟2)中選取的裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力參量為最大剪應(yīng)變范圍和臨界面上相鄰 剪應(yīng)變轉(zhuǎn)折點(diǎn)之間法向應(yīng)變范圍3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于臨界面法的多軸短裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)方法，其特征 在于:所述步驟4)中選擇材料微觀結(jié)構(gòu)障礙尺度作為初始裂紋尺寸，符合裂紋萌生與擴(kuò)展 機(jī)理。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于臨界面法的多軸短裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)方法，其特征 在于:所述步驟4)中將法向應(yīng)力定義為臨界面上相鄰剪應(yīng)變轉(zhuǎn)折點(diǎn)之間法向應(yīng)變范圍對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，通過Ramberg-Osgood公式來求得。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于臨界面法的多軸短裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)方法，涉及多軸疲勞強(qiáng)度理論領(lǐng)域，該算法步驟為：(1)選取最大剪應(yīng)變范圍所在平面為臨界面，利用該臨界面上的損傷參量來表征短裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力；(2)基于剪切型多軸疲勞損傷參量，建立適用于多軸應(yīng)力狀態(tài)下的等效裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子；(3)通過擬合單軸加載下的短裂紋擴(kuò)展速率數(shù)據(jù)，得出單軸短裂紋擴(kuò)展曲線；(4)對(duì)裂紋尖端進(jìn)行塑性區(qū)尺寸修正，通過斷裂力學(xué)方法計(jì)算短裂紋擴(kuò)展壽命。本方法基可以很好的描述非比例加載對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響。結(jié)果說明該方法可以較好的預(yù)測(cè)多軸比例、非比例加載下短裂紋擴(kuò)展壽命。
【IPC分類】G01N3/08, G01N3/22
【公開號(hào)】CN105466772
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510781549
【發(fā)明人】尚德廣, 趙相鋒, 宋明亮, 張嘉梁, 王曉瑋, 程煥
【申請(qǐng)人】北京工業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年4月6日
【申請(qǐng)日】2015年11月15日