一种基于临界面法的多轴短裂纹扩展寿命预测方法

摘要

本发明提供了一种基于临界面法的多轴短裂纹扩展寿命预测方法，涉及多轴疲劳强度理论领域，该算法步骤为：(1)选取最大剪应变范围所在平面为临界面，利用该临界面上的损伤参量来表征短裂纹扩展驱动力；(2)基于剪切型多轴疲劳损伤参量，建立适用于多轴应力状态下的等效裂纹应力强度因子；(3)通过拟合单轴加载下的短裂纹扩展速率数据，得出单轴短裂纹扩展曲线；(4)对裂纹尖端进行塑性区尺寸修正，通过断裂力学方法计算短裂纹扩展寿命。本方法基可以很好的描述非比例加载对裂纹扩展的影响。结果说明该方法可以较好的预测多轴比例、非比例加载下短裂纹扩展寿命。

主权项

一种基于临界面法的多轴短裂纹扩展寿命预测方法，其特征在于：该步骤如下，步骤1)：薄壁管件在多轴恒幅加载状态下，裂纹主要萌生于最大剪应变范围所在的平面；选取最大剪应变范围所在平面为临界面，利用该临界面上的损伤参量来表征短裂纹扩展驱动力具有明确的物理意义；步骤2)：基于剪切型多轴疲劳损伤参量，建立适用于多轴应力状态下的等效裂纹应力强度因子；该方法选取最大剪应变范围所在平面为临界面，而且相邻剪应变转折点之间的法向应变范围对裂纹扩展有着重要影响；该等下应力强度因子ΔK_eff公式为：${\mathrm{\Delta K}}_{eff}=G\sqrt{3{\left({\mathrm{\Delta ϵ}}_n^{*}\right)}^2+{\left({\mathrm{\Delta \gamma }}_{max}\right)}^2}\sqrt{\pi a}$其中，Δγ_max为最大剪应变范围，为临界面上相邻剪应变转折点之间的法向应变范围，a为半裂纹长度，G为剪切模量；步骤3)：通过拟合单轴加载下的短裂纹扩展速率与应力强度因子数据，得出单轴短裂纹扩展曲线，并以此为基线进行下一步计算；Paris形式的裂纹扩展曲线公式如下：$\frac{da}{dN}=C{\left(G\sqrt{3{\left({\mathrm{\Delta ϵ}}_n^{*}\right)}^2+{\left({\mathrm{\Delta \gamma }}_{max}\right)}^2}\sqrt{\pi a}\right)}^m$其中，是裂纹扩展速率，C,m为单轴Paris常数；步骤4)：通过断裂力学方法计算短裂纹扩展寿命：(1)确定裂纹初始尺寸，选取材料微观结构障碍尺度为短裂纹初始长度，该尺寸与材料晶粒尺寸相关；(2)采用Dugdale模型对裂纹尖端塑性区尺寸进行修正，如下式：$\rho =a(\sec \frac{{\mathrm{\pi \Delta \sigma }}_n^{*}}{2R_F}-1)$$R_F=\frac{R_{P0.2}^{\prime }+R_u}{2}$其中，ρ为裂纹尖端塑性区尺寸，为临界面上的法向应力，R_F为流变应力，R′_P0.2为屈服强度，R_u为断裂强度；法向应力定义为对应的应力，通过循环应力应变关系Ramberg‑Osgood公式来求得，该公式如下：$\frac{{\mathrm{\Delta \sigma }}_n^{*}}{2E}+{\left(\frac{{\mathrm{\Delta \sigma }}_n^{*}}{2K^{\prime }}\right)}^{\frac{1}{n^{\prime }}}=\frac{{\mathrm{\Delta ϵ}}_n^{*}}{2}$其中，E为弹性模量，K′为材料循环强度系数，n′为材料循环应变硬化指数；实际裂纹尺寸a′为：$a^{\prime }=a+\rho =a\sec \frac{{\mathrm{\pi \Delta \sigma }}_n^{*}}{2R_F}$(3)计算不同应变比、相位角等加载状态下等效应力强度因子ΔK_eff，计算临界面上的法向应力，进行塑性修正；对下式进行积分，可得短裂纹扩展寿命：$N={\int }_{a_i}^{a_f}\frac{1}{C{\left({\mathrm{\Delta K}}_{eff}\right)}^m}da$其中，N为试样寿命，a_i为初始长度，a_f为最终裂纹长度。