一種基于臨界面法的多軸短裂紋擴展壽命預測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及多軸疲勞強度理論領域,特指一種基于臨界面法的多軸短裂紋擴展壽 命預測方法。
【背景技術】
[0002] 在許多工程領域如核電站、汽車、飛機、和壓力容器等,結構部件承受復雜的多軸 載荷作用,多軸疲勞研究已成為各國研究的一項重要內容。多軸載荷下的損傷累積、裂紋萌 生與擴展、壽命預測方法等與單軸加載相比需要考慮更多因素的影響。所以,進行多軸載荷 下的短裂紋擴展模型與壽命預測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、亞微觀的層次去認識疲勞,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,裂紋萌生和早期擴展以及疲勞各個階段的物理 本質。對于多軸短裂紋擴展,由于缺乏應力強度因子的精確解,再加上獲得多軸疲勞短裂紋 的試驗數據較困難,多軸疲勞短裂紋擴展模型的研究進展緩慢。因此,深入研究低周多軸小 裂紋擴展機理與壽命預測方法,并能擴展應用到實際工程領域,是一項非常有意義的工作。
【發明內容】
[0004] 本發明目的在于針對多軸疲勞強度設計的需求,提出了一種基于臨界面法的多軸 短裂紋擴展壽命預測方法。
[0005] 本發明所提供的一種基于臨界面法的多軸短裂紋擴展模型,其步驟為:
[0006] 步驟1):薄壁管件在多軸恒幅加載狀態下,裂紋主要萌生于最大剪應變范圍所在 的平面;選取最大剪應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 紋擴展驅動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,建立適用于多軸應力狀態下的等效裂紋 應力強度因子;選取最大剪應變范圍A ymax為主要的裂紋擴展驅動力參量;該方法以最大 剪應變范圍所在平面為臨界面,而且相鄰的最大剪應變轉折點之間的法向應變范圍Δ<對 裂紋擴展有著重要影響;該等效應力強度因子A Krff公式為:
[0008]
[0009] 其中,Δ ymax為最大剪應變范圍,為相鄰最大剪應變轉折點之間的法向應變 范圍,a為半裂紋長度,G為剪切模量;
[0010] 步驟3):通過擬合單軸加載下的短裂紋擴展速率與應力強度因子數據,得出單軸 短裂紋擴展曲線,并以此為基線進行下一步計算;Paris形式的裂紋擴展曲線公式如下:
[0011]
Λ?
[0012] 其中,^是裂紋擴展速率,C,m為單軸Paris常數;
[0013] 步驟4):通過斷裂力學方法計算短裂紋擴展壽命:
[0014] (1)確定裂紋初始尺寸,選取材料微觀結構障礙尺度為短裂紋初始長度,該尺寸與 材料晶粒尺寸相關;
[0015] (2)采用Dugdale模型對裂紋尖端塑性區尺寸進行修正,如下式:
[0016]
[0017]
[0018] 其中,p為裂紋尖端塑性區尺寸,Δσ;;為臨界面上的法向應力,RF為流變應力, R'Pq.2為屈服強度,Ru為斷裂強度;法向應力八< 定義為相鄰最大剪應變轉折點之間的法向 應變范圍Δ%對應的應力,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'為材料循環強度系數,r/為材料循環應變硬化指數;
[0021] 這:際裂紋R寸Y為
[0022]
[0023] (3)計算不同應變比、相位角等加載狀態下等效應力強度因子范圍AKeff,計算臨 界面上的法向應力,進行塑性修正;對下式進行積分,可得短裂紋擴展壽命:
[0024]
[0025] 其中,N為試樣裂紋擴展壽命,ai為初始長度,af為最終裂紋長度。
[0026] 所述步驟2)中選取的裂紋擴展驅動力參量為最大剪應變范圍△ ymax和臨界面上 相鄰剪應變轉折點之間法向應變范圍。
[0027] 所述步驟4)中選擇材料微觀結構障礙尺度作為初始裂紋尺寸,符合裂紋萌生與擴 展機理。
[0028] 所述步驟4)中將法向應力定義為臨界面上相鄰剪應變轉折點之間法向應變 范圍Δ.&對應的應力,通過Ramberg-Osgood公式來求得。
[0029] 本發明的優點在于:提出了一種基于臨界面法的多軸短裂紋擴展壽命預測方法。 該方法用等效應力強度因子來表征多軸載荷狀態下短裂紋擴展驅動力,并利用單軸裂紋擴 展曲線為基線來預測多軸疲勞短裂紋擴展壽命。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,便于工程應用。
【附圖說明】
[0030] 圖1本發明方法提供的基于臨界面法的多軸短裂紋擴展壽命預測方法的流程圖。
[0031] 圖2薄壁管件在多軸加載下表面裂紋受力狀態與萌生位置的示意圖。
【具體實施方式】
[0032]結合【附圖說明】本發明。
[0033] 本發明通過疲勞試驗對本發明作了進一步說明,試驗分為兩部分,一部分是單軸 恒幅加載下的短裂紋試驗,應力比為-1,觀測短裂紋擴展數據。在高周疲勞壽命范圍內,主 要為單一主導裂紋,便于測量計算裂紋擴展曲線。另一部分是多軸比例與非比例加載試驗, 計算多軸載荷條件下的等效應力強度因子范圍。
[0034] -種基于臨界面法的多軸短裂紋擴展壽命預測方法,具體計算方法如下:
[0035] 步驟1):如圖2所示,薄壁管件在拉扭多軸加載狀態下,裂紋主要萌生于最大剪應 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 短裂紋擴展驅動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,建立適用于多軸應力狀態下的等效裂紋 應力強度因子;該等效應力強度因子范圍AKrff公式為:
[0037]
[0038] 其中,Δ ymax為最大剪應變范圍,為臨界面上相鄰剪應變轉折點之間的法向 應變范圍,a為半裂紋長度,G為剪切模量;隨著相位角的變化而變化,因此可以反映出 非比例加載對短裂紋擴展的影響;
[0039] 步驟3):通過擬合單軸加載下的短裂紋擴展速率與應力強度因子數據,得出單軸 短裂紋擴展曲線,并以此為基線進行下一步計算;Paris形式的裂紋擴展曲線公式如下:
[0040]
[0041] 其中,是裂紋擴展速率,C,m為單軸Paris常數; (LN
[0042] 步驟4):通過斷裂力學方法計算短裂紋擴展壽命:
[0043] (1)確定裂紋初始尺寸,選取材料微觀結構障礙尺度為短裂紋初始長度;
[0044] (2)采用Dugdale模型對裂紋尖端塑性區尺寸進行修正,如下式:
[0045]
[0046]
[0047]其中,P為裂紋尖端塑性區尺寸,Rf為流變應力,R'po.2為屈服強度,Ru為斷裂強度; 法向應力Δσ,丨定義為與Δ£·Η相對應的應力,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'為材料循環強度系數,r/為材料循環應變硬化指數。
[0050] 實際裂紋尺寸a'為:
[0051]
[0052] (4)計算不同應變比、相位角等加載狀態下等效應力強度因子AKeff,計算臨界面 上的法向應力,進行塑性修正。對下式進行積分,可得短裂紋擴展壽命;
[0053]
[0054]其中,N為試樣壽命,ai為初始長度,af為最終裂紋長度;
[0055]為了驗證本發明提出的基于臨界面法的多軸短裂紋擴展壽命預測方法的效果,將 本方法所得的預測結果與多軸比例、非比例加載試驗所得的試驗觀測壽命進行比較。結果 表明,基于多軸短裂紋模型,通過本發明的計算方法得出的多軸比例、非比例加載下短裂紋 擴展壽命預測值與試驗實際觀測壽命相比,其結果在三倍誤差因子之內。該方法基于臨界 面法,不含其它材料常數,并考慮了非比例加載對裂紋擴展的影響。因此,提出的計算方法 可以較好的預測多軸比例、非比例加載下短裂紋擴展壽命。
【主權項】
1. 一種基于臨界面法的多軸短裂紋擴展壽命預測方法,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下,裂紋主要萌生于最大剪應變范圍所在的平 面;選取最大剪應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 展驅動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,建立適用于多軸應力狀態下的等效裂紋應力 強度因子;該方法選取最大剪應變范圍所在平面為臨界面,而且相鄰剪應變轉折點之間的 法向應變范圍對裂紋擴展有著重要影響;該等下應力強度因子△ Km公式為:其中,為最大剪應變范圍,為臨界面上相鄰剪應變轉折點之間的法向應變范 圍,a為半裂紋長度,G為剪切模量; 步驟3):通過擬合單軸加載下的短裂紋擴展速率與應力強度因子數據,得出單軸短裂 紋擴展曲線,并以此為基線進行下一步計算;Paris形式的裂紋擴展曲線公式如下:其中,是裂紋擴展速率,C,m為單軸Par i s常數; 步驟4):通過斷裂力學方法計算短裂紋擴展壽命: (1) 確定裂紋初始尺寸,選取材料微觀結構障礙尺度為短裂紋初始長度,該尺寸與材料 晶粒尺寸相關; (2) 采用Dugdale模型對裂紋尖端塑性區尺寸進行修正,如下式:其中,P為裂紋尖端塑性區尺寸,為臨界面上的法向應力,Rf為流變應力為屈 服強度,Ru為斷裂強度;法向應力定義為對應的應力,通過循環應力應變關系 Ramberg-Osgood公式來求得,該公式如下:其中,E為彈性模量,為材料循環強度系數,為材料循環應變硬化指數; 實際裂紋尺寸為:(3) 計算不同應變比、相位角等加載狀態下等效應力強度因子AKeff,計算臨界面上的 法向應力,進行塑性修正;對下式進行積分,可得短裂紋擴展壽命:其中,N為試樣壽命,ai為初始長度,af為最終裂紋長度。2. 根據權利要求1所述的一種基于臨界面法的多軸短裂紋擴展壽命預測方法,其特征 在于:所述步驟2)中選取的裂紋擴展驅動力參量為最大剪應變范圍和臨界面上相鄰 剪應變轉折點之間法向應變范圍3. 根據權利要求1所述的一種基于臨界面法的多軸短裂紋擴展壽命預測方法,其特征 在于:所述步驟4)中選擇材料微觀結構障礙尺度作為初始裂紋尺寸,符合裂紋萌生與擴展 機理。4. 根據權利要求1所述的一種基于臨界面法的多軸短裂紋擴展壽命預測方法,其特征 在于:所述步驟4)中將法向應力定義為臨界面上相鄰剪應變轉折點之間法向應變范圍對應的應力,通過Ramberg-Osgood公式來求得。
【專利摘要】本發明提供了一種基于臨界面法的多軸短裂紋擴展壽命預測方法,涉及多軸疲勞強度理論領域,該算法步驟為:(1)選取最大剪應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展驅動力;(2)基于剪切型多軸疲勞損傷參量,建立適用于多軸應力狀態下的等效裂紋應力強度因子;(3)通過擬合單軸加載下的短裂紋擴展速率數據,得出單軸短裂紋擴展曲線;(4)對裂紋尖端進行塑性區尺寸修正,通過斷裂力學方法計算短裂紋擴展壽命。本方法基可以很好的描述非比例加載對裂紋擴展的影響。結果說明該方法可以較好的預測多軸比例、非比例加載下短裂紋擴展壽命。
【IPC分類】G01N3/08, G01N3/22
【公開號】CN105466772
【申請號】CN201510781549
【發明人】尚德廣, 趙相鋒, 宋明亮, 張嘉梁, 王曉瑋, 程煥
【申請人】北京工業大學
【公開日】2016年4月6日
【申請日】2015年11月15日