[發明專利]一種用于材料損傷計算的方法

在審

• 申請號: 201710751231.X
• 申請日: 2017-08-28
• 公開（公告）號: CN107729596A
• 公開（公告）日: 2018-02-23
• 發明（設計）人: 陳浩;楊亞莉;張勝偉;高坤
• 申請（專利權）人: 上海工程技術大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G01N23/04
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司31225
• 代理人: 王小榮

技術領域

本發明涉及材料疲勞損傷技術領域，具體涉及一種用于材料損傷計算的方法。

背景技術

隨著鋁合金大量應用的同時，使用過程中疲勞載荷也越來越高，汽車安全法規也越來越嚴格，因此，對鋁合金在循環載荷下的疲勞力學行為研究就變得越來越迫切和重要。但是，目前對材料疲勞損傷評價的方法有限，無法準確獲取材料內部微觀缺陷特性，且評價的結果往往與真實值產生較大的差別。

近來常規的無損檢測技術：射線檢測、超聲檢測、磁粉檢測、渦流探傷等可以在不破壞材料的前提下直接得到內部缺陷，如專利CN 106770692A公開了一種材料內部疲勞損傷檢測方法，包括：采用相位相反的兩路激勵信號測試待測試樣，得到兩路接收信號；將所述兩路接收信號疊加，得到接收信號的高次諧波信號；對所述高次諧波信號進行傅立葉變換得到其幅值，并依據高次諧波的幅值和基波的幅值計算待測試樣的非線性系數；重復上述步驟，得到待測試樣的各疲勞周次非線性系數的變化曲線；上述方法述與超聲檢測。再如專利CN 105973732A公開了一種溫度振動疲勞試驗的在線加載裝置和方法，所述裝置包括：溫度箱、阻抗頭、激振桿、激振器和測控系統；所述溫度箱與所述測控系統連接，所述溫度箱的預設高度處四周設有玻璃窗口；所述阻抗頭固定于溫度箱內部的試驗件表面，同時與所述激振桿的第一端和所述測控系統連接；所述激振桿的第一端穿過所述溫度箱側壁上方的孔與所述阻抗頭連接，第二端與所述激振器連接；所述激振器設于所述溫度箱帶孔的一側，與所述測控系統連接，上述方法述與射線檢測。但是，上述檢測方法所用儀器成本較高。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種低成本的用于材料損傷計算的方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：一種用于材料損傷計算的方法，該方法包括以下步驟：

(1)將待測材料進行CT掃描，獲取材料內部微觀缺陷特性的二維連續切片圖像，并將二維切片圖像重構為包含微觀缺陷特性的三維模型，這種重構可以通過CT掃描設備自行完成，統計得到待測材料的掃描區域的材料體素N_m、裂紋體素數量N_c以及掃描區域某一截面上材料體素A_m和裂紋體素的數量A_c；

(2)通過Diego算法將步驟(1)獲取的參數計算得到待測材料掃描區域的孔隙率ρ和損傷面積分數r_a，然后得到最大的損傷面積分數

(3)將步驟(1)所得參數以及步驟(2)所得結算結果輸入MIMICS軟件，并通過MIMICS將步驟(1)的三維模型轉化為三維有限元模型，利用Abaqus進行損傷仿真分析，計算得到有效彈性模量；

(4)將步驟(3)有限元分析計算得到的有效彈性模量與數據庫進行比較，得到待測材料的疲勞損傷的程度。

通過工業CT無損檢測、三維重構以及有限單元法可以在不破壞材料的情況下，快速的計算材料損傷值并進行壽命預測。

所述CT掃面為X-Ray CT掃描。

從三維模型統計得到N_m、N_c、A_m和A_c采用VG Studio軟件統計得到。

所述的Diego算法包括以下公式：

其中，i、j、k為掃描區域中相互垂直的三個方向。

所述Abaqus軟件進行損傷仿真分析時采用以下公式計算得到：

其中，F為待測材料使用時的加載力，A為試樣測試區橫截面積，L為試樣測試區長度，ΔL為待測材料所受應力下的縱向變形量。

所述數據庫通過以下方法得到：取與待測材料相同材質的標準材料，進行階段性疲勞加載直至標準材料完全破壞，并計算每個階段的有效彈性模量，得到有效彈性模量與疲勞階段的對應關系，即為數據庫。

所述待測材料的疲勞損傷的程度通過以下方法得到：將有限元分析計算得到的有效彈性模量與數據庫中的有效彈性模量進行比較，確定待測材料對應的疲勞階段。有效彈性模量與損傷程度呈負相關。

與現有技術相比，本發明的有益效果體現在以下幾方面：

(1)本發明利用工業CT無損檢測、三維重構以及有限單元法，可以在不破壞材料的情況下，快速的計算材料損傷值并進行壽命預測；

(2)檢測結果與真實結果相比，誤差在10％以內。

附圖說明