[發明專利]基于晶體塑性的疲勞裂紋萌生與擴展的損傷壽命評估方法

有效

• 申請號: 202010586845.9
• 申請日: 2020-06-24
• 公開（公告）號: CN111721787B
• 公開（公告）日: 2021-07-27
• 發明（設計）人: 張宏;張瑋;王林森;王清遠;劉永杰;李浪;何超;王寵
• 申請（專利權）人: 四川大學;東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司
• 主分類號: G01N23/046
• 分類號: G01N23/046
• 代理公司: 成都正華專利代理事務所(普通合伙) 51229
• 代理人: 陳選中

1.一種基于晶體塑性的疲勞裂紋萌生與擴展的損傷壽命評估方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、根據CT金屬試件，構建微觀結構信息的介觀尺度網格計算模型；

S2、根據介觀尺度網格計算模型，計算剪切應變增量，構建介觀尺度材料本構模型；

S3、基于介觀尺度材料本構模型，構建裂紋擴展驅動力模型；

S4、基于裂紋擴展驅動力模型，構建以能量為基準的疲勞損傷模型，進行損傷壽命評估；

所述步驟S1包括以下分步驟：

S11、確定CT金屬試件的宏觀尺度應力/應變熱點區域，得到該區域的材料微觀結構信息EBSD圖像；

S12、對該區域的材料微觀結構信息EBSD圖像進行離散化處理，得到局部區域晶界坐標信息及其微觀結構分布坐標信息；

S13、根據局部區域晶界坐標信息及其微觀結構分布坐標信息，繪制二維介觀晶體模型；

S14、將二維介觀晶體模型輸入有限元網格劃分軟件進行網格劃分；

S15、將劃分后的二維介觀晶體模型導入有限元計算軟件中，并設置材料屬性、載荷信息和在邊界施加周期性載荷邊界，構建介觀尺度網格計算模型；

所述步驟S2包括以下步驟：

S21、根據CT金屬試件的類型，即面心立方、體心立方和密排立方，確定滑移系數量n；

S22、根據CT金屬試件的彈性模量與泊松比，構建彈性矩陣計算旋轉增量、膨脹應變增量和施密特因子張量；

S23、根據CT金屬試件的晶粒、晶界屬性、彈性矩陣計算旋轉增量、膨脹應變增量和施密特因子張量，構建數量等于滑移系數量n的線性方程；

晶界屬性包括：滑移系矢量方向和法線方向、強度及初始值；

S24、將n個線性方程代入介觀尺度網格計算模型，采用迭代算法求解n個線性方程，得到剪切應變增量；

S25、根據剪切應變增量和滑移系數量n，構建介觀尺度材料本構模型；步驟S3中裂紋擴展驅動力模型的公式為：

其中，Θ為裂紋擴展驅動力，σ為裂紋加載應力，α裂紋加載長度，E為材料彈性模量，f(∈_p)為塑性應變函數關系；

步驟S4中疲勞損傷模型為：

其中，D_total為累計損傷變量，w_k為k次迭代的塑性能量，w₀為總的塑性能量，N為疲勞壽命，β為損傷敏感指數；

步驟S13中繪制二維介觀晶體模型的方程為：

f＝axⁿ+by^m+cz^k (1)

其中，f為二維介觀晶體模型的邊，(x，y，z)為局部區域晶界坐標信息，n為x坐標的擬合次數，m為y坐標的擬合次數，k為z坐標的擬合次數，a為x方向的位置系數，b為y方向的位置系數，c為z方向的位置系數。

2.根據權利要求1所述的基于晶體塑性的疲勞裂紋萌生與擴展的損傷壽命評估方法，其特征在于，所述步驟S14中的劃分規則為：根據二維介觀晶體模型上裂紋萌生區域和擴展區域的相對尺寸，將裂紋萌生區域的區域網格細化，將擴展區域采用大網格進行劃分。

3.根據權利要求1所述的基于晶體塑性的疲勞裂紋萌生與擴展的損傷壽命評估方法，其特征在于，所述步驟S24中得到剪切應變增量包括以下步驟：

S241、將n個線性方程代入介觀尺度網格計算模型，通過公式(2)計算迭代過程誤差ε；

其中，為第k次迭代第i個剪切應變增量，為第k+1次迭代第i個剪切應變增量，i為剪切應變增量個數；

S242、判斷迭代過程誤差ε是否小于誤差閾值，若是，則滿足收斂條件，得到剪切應變增量，并進入步驟S25，若否，則跳轉至步驟S243；

S243、按公式(3)進行k＝0，i＝1時的剪切應變增量初值的計算；

其中，a_ij為第i個剪切應變增量的第j個方程系數，b_i為第i個剪切應變增量的方程變量值，λ為線性方程求解收斂性控制參數，j為疊加變量；

S244、判斷線性方程求解收斂性控制參數λ是否等于0，若否，則按原n個線性方程進行迭代，得到剪切應變增量，若是，則按公式(4)進行計算，得到剪切應變增量；

其中，為應力應變變量的增量，其導數為JScoSi矩陣。