[發明專利]一種基于小裂紋擴展速率模型的疲勞壽命預測方法

有效

• 申請號: 201810830301.5
• 申請日: 2018-07-24
• 公開（公告）號: CN109142049B
• 公開（公告）日: 2020-10-13
• 發明（設計）人: 孫國芹;徐國盛
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

1.一種基于小裂紋擴展速率模型的疲勞壽命預測方法，其步驟為：

步驟1)：對待測材料取標準疲勞試樣進行不同應力比，不同應力水平下的疲勞小裂紋擴展復型試驗，采用割線法計算小裂紋擴展速率，公式如下：

其中ΔN為循環區間，Δa為裂紋長度變化，a_i為在循環數為N_i時的裂紋長度；

步驟2)：采用Burdekin公式計算單調載荷下裂紋尖端張開位移φ_m：

其中a為表面裂紋長度，e為裂紋尖端處名義應變，e_s為屈服應變量；

e_s為屈服應變量，公式如下：

其中Y_s為屈服強度，E為彈性模量；

e為裂紋尖端處名義應變，采用試驗方法測得裂紋尖端的名義應變e或者采用試件結構的有限元模型計算裂紋尖端處名義應變e；

步驟3)：為了有效地計算裂尖張開位移大小，基于鄧國堅的求解循環載荷下引起的循環裂紋尖端張開位移φ_c，公式如下：

對裂紋尖端塑性張開位移進行修正，采用單軸拉伸曲線下的裂紋張開應力σ_op到最大外載應力σ_max過程中產生的循環載荷下有效平均裂紋尖端張開位移來表征裂紋擴展速率；循環載荷下有效平均裂紋尖端張開位移表示為：

其中R為應力比，σ_op為裂紋張開應力，σ_max為最大外載應力；

裂紋張開應力的求解，公式如下：

σ_op/σ_max＝A₀+A₁R+A₂R²+A₃R³,R≥0 (6)

σ_op/σ_max＝A₀+A₁R,R0 (7)

A表示塑性約束系數，可以由以下公式求得：

A₀＝(0.825-0.34α+0.05α²)[cos(πσ_max/2σ₀)]^1/α (8)

A₁＝(0.415-0.071α)σ_max/σ₀ (9)

A₂＝1-A₀-A₁-A₃ (10)

A₃＝2A₀+A₁-1 (11)

其中α為應力狀態約束系數，取α＝1；σ₀為流變應力，定義為材料的抗拉強度和屈服強度的平均值；

步驟4)：應用Shyam小裂紋擴展速率模型的表達式：

其中k、m為常數，da/dN為裂紋擴展速率，φ_m為單調載荷下裂紋尖端張開位移，為循環載荷下有效平均裂紋尖端張開位移；

根據小裂紋擴展速率和裂紋尖端張開位移與有效平均裂紋尖端張開位移的乘積對應的數據擬合得到k和m；

步驟5)：初始裂紋尺寸a₀和臨界裂紋尺寸a_c的確定；通過測量材料微結構中初始缺陷的平均長度作為初始裂紋長度a₀；臨界裂紋長度a_c通過斷裂韌性K_IC的定義得出，公式如下:

其中K_IC為材料斷裂韌性，σ_max為最大外載應力；

步驟6)：當確定后，通過材料的基線，

對公式(12)進行積分，得到構件的疲勞壽命，公式如下：