[發(fā)明專利]一種金屬結(jié)構(gòu)高周疲勞起裂壽命的非線性估算方法

有效

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• 申請日: 2020-11-25
• 公開（公告）號: CN112580235B
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李曉虹;孫秦;劉瀟然
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/15
• 代理公司: 蘇州中合知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 32266
• 代理人: 阮梅

1.一種金屬結(jié)構(gòu)高周疲勞起裂壽命的非線性估算方法，其特征在于，包括如下步驟：

1)將金屬材料在恒幅循環(huán)加載下的非線性混合硬化模型按M/(1-M)比例分為非線性隨動硬化項(xiàng)和各向同性硬化項(xiàng)，并運(yùn)用循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到非線性硬化模型的塑性硬化增量、指數(shù)因子和比例參數(shù)；

2)對估算的結(jié)構(gòu)疲勞危險部位進(jìn)行有限元建模，并根據(jù)結(jié)構(gòu)疲勞危險部位的受載情況施加模型邊界條件，形成可計算危險點(diǎn)交變應(yīng)力應(yīng)變歷程的力學(xué)計算模型；

3)建立含非線性硬化彈塑性行為特性的細(xì)觀弱夾雜計算模型，結(jié)合步驟2)中得到的危險點(diǎn)的彈性應(yīng)力應(yīng)變歷程數(shù)據(jù)，計算危險點(diǎn)處的細(xì)觀弱夾雜應(yīng)力應(yīng)變歷程，獲得可計及彈性高載對低載的力學(xué)影響量；

4)Lemaitre型損傷演化模型中引入指數(shù)項(xiàng)q來修正的累積塑性應(yīng)變增量，利用等壽命原理，將不同循環(huán)比不同應(yīng)力幅值下的高周疲勞載荷等效為同一循環(huán)比下的應(yīng)力幅值，通過固定循環(huán)比不同恒幅應(yīng)力水平下的高周疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合改進(jìn)的損傷演化模型中的參數(shù)，獲得模型參數(shù)與應(yīng)力幅值之間的線性關(guān)系；

5)在步驟4)的疲勞損傷演化模型中引入壓損傷修正系數(shù)來表述微缺陷受壓作用下的閉合效應(yīng)，在隨機(jī)交變載荷序列的疲勞損傷累積計算中，當(dāng)遇到反復(fù)載荷在危險點(diǎn)處的平均應(yīng)力為負(fù)時，則在其損傷增量上乘以小于1的壓損傷修正系數(shù)，從而計及了壓載荷損傷小的物理特性；

6)按隨機(jī)載荷譜的反復(fù)序列，逐個按步驟3)至步驟5)計算本次反復(fù)的細(xì)觀彈塑性應(yīng)力應(yīng)變，代入疲勞損傷演化模型計算損傷增量，進(jìn)而累積至前期載荷歷程所產(chǎn)生的疲勞損傷量，得到直至本次疲勞載荷的結(jié)構(gòu)危險點(diǎn)處總的疲勞損傷量，從而結(jié)構(gòu)危險點(diǎn)在隨機(jī)序列反復(fù)作用下的起裂壽命由總損傷量去除損傷門檻值計算得到。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬結(jié)構(gòu)高周疲勞起裂壽命的非線性估算方法，其特征在于，步驟1)中將金屬材料在恒幅循環(huán)加載下的非線性混合硬化模型按M/(1-M)比例分為非線性隨動硬化項(xiàng)和各向同性硬化項(xiàng)，

對于單軸循環(huán)加載，非線性隨動硬化的單軸背應(yīng)力X可表示為：

其中，Q_∞是塑性硬化最大變化量；b是隨著塑性應(yīng)變變化的屈服面尺寸的變化率；M為非線性硬化中隨動硬化部分的比例參數(shù)，由循環(huán)加載中隨性硬化的大小決定；表示等效塑性應(yīng)變增量，假設(shè)t_n時等效塑性應(yīng)變?yōu)閠_n+1時等效塑性應(yīng)變?yōu)閯t

由非線性混合硬化模型中的比例M/(1-M)，即混合硬化減去非線性隨動項(xiàng)得到各向同性硬化項(xiàng)R：

應(yīng)用恒幅循環(huán)加載疲勞試驗(yàn)的應(yīng)力和塑性應(yīng)變數(shù)據(jù)，并建立含約束非線性最小二乘模型，擬合獲得非線性混合硬化模型中的塑性硬化增量、指數(shù)因子和比例參數(shù)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬結(jié)構(gòu)高周疲勞起裂壽命的非線性估算方法，其特征在于，步驟3)中采用雙尺度橋聯(lián)方程計算危險點(diǎn)處的細(xì)觀弱夾雜應(yīng)力應(yīng)變歷程，

其中，σ、ε是已知的結(jié)構(gòu)危險點(diǎn)處宏觀應(yīng)力張量和總應(yīng)變張量，上標(biāo)μ表示細(xì)觀尺度下的量，σ^μ、ε^μ、ε^μe和ε^μp是未知的細(xì)觀應(yīng)力張量、總應(yīng)變張量、彈性應(yīng)變張量和塑性應(yīng)變張量，f^μ是屈服函數(shù)，X^μ是隨動強(qiáng)化背應(yīng)力，R^μ是由于等向強(qiáng)化引起的屈服面半徑的增量，D^μe是細(xì)觀彈性模量，是細(xì)觀初始屈服應(yīng)力，是細(xì)觀等效塑性應(yīng)變，E是彈性模量，v是泊松比，β＝[2(4-5v)]/[15(1-v)]為Eshelby因子，α＝(1-β)/(1+v)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬結(jié)構(gòu)高周疲勞起裂壽命的非線性估算方法，其特征在于，步驟4)中引入指數(shù)項(xiàng)q，則修正后的疲勞損傷演化模型的率形式表示如下：

其中，

上式中，Y^μ稱為細(xì)觀應(yīng)變能密度釋放率，S、s、q是損傷演化模型中的參數(shù)，其為材料常數(shù)，A和B是常數(shù)，是細(xì)觀平均應(yīng)力，是細(xì)觀等效應(yīng)力，是循環(huán)比R下的宏觀等效應(yīng)力幅值，是細(xì)觀累積塑性應(yīng)變率，是細(xì)觀塑性應(yīng)變率張量，E是彈性模量，D是疲勞損傷量，v是泊松比。