[發明專利]一種金屬基復合材料在譜加載下基體裂紋擴展速率計算方法

在審

• 申請號: 202010894497.1
• 申請日: 2020-08-31
• 公開（公告）號: CN112257221A
• 公開（公告）日: 2021-01-22
• 發明（設計）人: 孫志剛;牛序銘;陳西輝;劉炎;宋迎東;鄒鵬健
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F113/26;G06F119/14
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 陳國強

本發明公開了一種金屬基復合材料在譜加載下基體裂紋擴展速率計算方法，包括步驟一：基于含局部裂紋的單胞模型和斷裂力學計算基體裂紋尖端的應力強度因子；步驟二：基于Dugdale模型求解基體裂紋尖端塑性區尺寸；步驟三：基于步驟二和Willenborg模型計算譜加載下金屬基復合材料有效應力強度因子；步驟四：結合步驟一和步驟三，基于Forman公式計算金屬基復合材料在譜加載下基體裂紋擴展速率；本發明為后續金屬基復合材料在譜載荷下疲勞斷裂的研究提供理論基礎；不僅可以計算金屬基復合材料在譜載荷下裂紋擴展速率，結合金屬基復合材料相關損傷理論還可以得到金屬基復合材料在譜載荷加載下的循環本構關系。

技術領域

本發明涉及一種常溫環境下金屬基復合材料在譜載荷下基體裂紋擴展速率模擬方法，具體涉及一種連續碳化硅纖維增強鈦基復合材料在常溫環境下拉-拉譜加載下基體裂紋擴展速率方法。

背景技術

連續碳化硅纖維增強鈦基復合材料(Titanium Matrix Composites，以下簡稱SiC_f/Ti)主要應用于航空發動機轉子部件，其具備高比強度、比剛度等特性。連續SiC增強Ti基復合材料結構在承受離心應力時，一般承受的是拉拉載荷，且在實際工況中，拉拉載荷是復雜隨機的，所以有必要研究SiC_f/Ti在譜載荷下的疲勞性能。SiC_f/Ti基復合材料基體開裂是疲勞加載中的主要損傷模式之一，所以準確模擬基體裂紋擴展速率對研究金屬基復合材料疲勞性能有著重要意義。

現有技術中，文獻“fatigue life prediction of fiber-reinfoced titaniummatrix composites”提出了一種金屬基復合材料在常幅下的疲勞裂紋擴展速率計算方法，但該方法適用常幅，變幅加載存在載荷次序的影響，對裂紋擴展速率有著很大的影響。文獻“Yielding of steel sheets containing slits”提出一種計算裂紋尖端塑性區尺寸的方法，簡稱Dugdale模型，該模型將裂紋尖端應力處理成外加應力和塑性裂紋區的壓應力之和，但復合材料基體裂紋還會受到纖維橋接作用產生的壓應力。文獻“A crack growthretardation model using an effective stress concept”提出一個預測裂紋擴展遲滯的模型，后面簡稱Willenborg模型，該模型能考慮載荷相互作用下金屬材料裂紋擴展速率，但尚未發現該模型在金屬基復合材料上的應用。文獻“Numerical analysis of crackpropagation in cyclic-loaded structure”提出了一種修正paris公式，簡稱Forman公式，該公式在計算裂紋擴展速率時考慮了應力比與材料斷裂韌性的影響，被廣泛應用于金屬材料，但尚未發現該公式在金屬基復合材料上的應用。

綜上所述，有必要提供一種能有效計算金屬基復合材料在譜載荷下裂紋擴展速率的方法。

發明內容

本發明提供了一種金屬基復合材料在譜加載下基體裂紋擴展速率計算方法，以解決現有技術中的問題。

為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種金屬基復合材料在譜加載下基體裂紋擴展速率計算方法，包括以下步驟：

步驟一：基于含局部裂紋的單胞模型和斷裂力學計算基體裂紋尖端的應力強度因子；

步驟二：基于Dugdale模型求解基體裂紋尖端塑性區尺寸；

步驟三：基于步驟二和Willenborg模型計算譜加載下金屬基復合材料有效應力強度因子；

步驟四：結合步驟一和步驟三，基于Forman公式計算金屬基復合材料在譜加載下基體裂紋擴展速率。

進一步的，所述步驟一的具體步驟為：