[發(fā)明專利]一種多尺度疲勞裂紋萌生壽命仿真預(yù)測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110058332.5
• 申請(qǐng)日: 2021-01-15
• 公開（公告）號(hào): CN112883602B
• 公開（公告）日: 2023-02-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 解麗靜;高飛農(nóng);郭智昊;王澤誠(chéng);程飛;龐思勤;王西彬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23;G16C10/00;G16C60/00;G01D21/02;G06F119/04;G06F119/14
• 代理公司: 北京正陽理工知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

1.一種多尺度疲勞裂紋萌生壽命仿真預(yù)測(cè)方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟1、材料初始狀態(tài)分析，針對(duì)具體工程材料，通過試驗(yàn)獲得材料的初始狀態(tài)；

步驟2、分子動(dòng)力學(xué)仿真分析，基于步驟1得到的材料微觀組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成，建立對(duì)應(yīng)的分子動(dòng)力學(xué)單晶模型，并對(duì)該模型進(jìn)行加載，獲得單晶模型的三維剛度矩陣、剪切模量、泊松比、臨界分切應(yīng)力、裂紋萌生能，晶體滑移系信息；

步驟3、剛度矩陣二維變換，根據(jù)步驟2得到的單晶模型三維剛度矩陣，根據(jù)實(shí)際模型內(nèi)的晶體取向，對(duì)三維剛度矩陣進(jìn)行坐標(biāo)變換，得到相應(yīng)的二維剛度矩陣；

步驟3的具體實(shí)現(xiàn)方法為：

步驟3.1、生成隨機(jī)取向：

根據(jù)步驟1中獲得的材料晶體織構(gòu)信息，采用相應(yīng)的隨機(jī)函數(shù)獲得隨機(jī)晶粒的歐拉角α,β,γ；

步驟3.2、坐標(biāo)變換矩陣：

根據(jù)步驟3.1中得到的歐拉角α,β,γ，得到相應(yīng)晶粒的坐標(biāo)變換矩陣T_R；

步驟3.3、剛度矩陣變換：

根據(jù)步驟3.2中得到的坐標(biāo)變換矩陣，對(duì)步驟2中得到的單晶材料三維剛度矩陣進(jìn)行坐標(biāo)變換，獲得任意取向晶粒的二維剛度矩陣；

步驟4、確定取向因子SF，根據(jù)步驟2中得到的晶體滑移系，根據(jù)材料的實(shí)際受力情況，確定材料的取向因子；

步驟4的具體實(shí)現(xiàn)方法為：

步驟4.1、確定滑移面和滑移方向：

根據(jù)步驟2中得到的晶體滑移系，得到晶體的滑移面{HKL}和滑移方向UVW；

步驟4.2、滑移系坐標(biāo)變換：

根據(jù)步驟3中得到的坐標(biāo)變換矩陣，對(duì)步驟4.1中得到的滑移面{HKL}做坐標(biāo)變換得到宏觀坐標(biāo)系下的滑移面{H₁K₁L₁}，同樣對(duì)UVW做坐標(biāo)變換得到宏觀滑移方向U₁V₁W₁；

{H₁K₁L₁}^T＝T_R{HKL}^T (1)

U₁V₁W₁^T＝T_RUVW^T (2)

步驟4.3、確定宏觀取向因子SF：

取向因子其中，為外加載荷方向與宏觀滑移面法向的夾角，θ為外加載荷與宏觀滑移方向之間的夾角；

當(dāng)外加載荷方向?yàn)閍bc，由步驟4.2得每個(gè)晶粒對(duì)應(yīng)的宏觀滑移面法向?yàn)閧H₁K₁L₁}，宏觀滑移方向?yàn)閁₁V₁W₁，采用向量表達(dá)得到相應(yīng)晶粒的取向因子：

步驟5、確定裂紋方向，根據(jù)步驟4.2中得到的宏觀滑移面法向{H₁K₁L₁}，當(dāng)宏觀有限元模型平面法向?yàn)閧MNP}時(shí)，二平面的交線即為裂紋位置和方向，通過兩個(gè)面法向叉乘得到裂紋方向向量{ABC}為：

{ABC}＝{H₁K₁L₁}×{MNP} (4)

步驟6、有限元多晶模型仿真分析，根據(jù)步驟1中獲得的晶粒尺寸，采用Voronoi多邊形方法，生成相應(yīng)晶粒大小的多晶模型，同時(shí)根據(jù)步驟3中獲得的剛度矩陣，仿真得到在給定載荷條件下的應(yīng)力分布；

步驟6的具體實(shí)現(xiàn)方法為：

步驟6.1、建立試樣等比例模型：

根據(jù)試樣的實(shí)際受力情況，建立等比例的有限元模型，仿真并得到材料在單次疲勞加載下的變形和應(yīng)力分布情況；

步驟6.2、建立多晶模型：

針對(duì)試樣裂紋萌生危險(xiǎn)區(qū)域，根據(jù)步驟1中獲得的晶粒尺寸和晶體織構(gòu)信息，采用Voronoi方法，建立相應(yīng)的多晶有限元幾何模型，同時(shí)，根據(jù)步驟3中獲得的晶粒剛度矩陣，建立相應(yīng)的各向異性本構(gòu)物理模型；

進(jìn)一步的，采用子模型的方法，根據(jù)步驟6.1中得到的變形情況，建立相應(yīng)的邊界約束條件；

步驟6.3、仿真分析：

提交步驟6.2中所建立的有限元模型，并得到各晶粒的應(yīng)變和應(yīng)力場(chǎng)，同時(shí)，提取并輸出節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)、應(yīng)力以及多晶模型幾何信息；

步驟7、確定疲勞裂紋萌生壽命，根據(jù)步驟2中分子動(dòng)力學(xué)仿真得到的晶粒剪切模量，裂紋萌生能，臨界分切應(yīng)力信息，根據(jù)Tanaka-Mura模型，得到疲勞裂紋萌生壽命；

步驟7的具體實(shí)現(xiàn)方法為：

步驟7.1、確定分切應(yīng)力

根據(jù)步驟6中輸出的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力信息，提取節(jié)點(diǎn)各個(gè)方向的受力情況，得到各節(jié)點(diǎn)所受合力F，同時(shí)，根據(jù)步驟4.3中得到的宏觀取向因子，得到節(jié)點(diǎn)的分切應(yīng)力：

步驟7.2、確定裂紋長(zhǎng)度d_s：

根據(jù)步驟6中輸出的多晶模型幾何信息和節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息，根據(jù)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)得到節(jié)點(diǎn)所在的晶粒編號(hào)和相應(yīng)晶粒的幾何信息，結(jié)合步驟4中得到的裂紋方向，得到裂紋和相應(yīng)晶粒的兩個(gè)交點(diǎn)P₁＝(x₁,y₁)和P₂＝(x₂,y₂)，由此得到模型內(nèi)各節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的裂紋長(zhǎng)度：

步驟7.3、確定疲勞裂紋萌生壽命N_s：

根據(jù)Tanaka-Mura模型，代入步驟2中得到的剪切模量μ，裂紋萌生能W_c，臨界分切應(yīng)力CRSS，泊松比v以及步驟7.1和步驟7.2中得到的各節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的分切應(yīng)力和裂紋長(zhǎng)度d_s，得到的疲勞裂紋萌生壽命：