[發明專利]一種多尺度疲勞裂紋萌生壽命仿真預測方法

有效

• 申請號: 202110058332.5
• 申請日: 2021-01-15
• 公開（公告）號: CN112883602B
• 公開（公告）日: 2023-02-28
• 發明（設計）人: 解麗靜;高飛農;郭智昊;王澤誠;程飛;龐思勤;王西彬
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G16C10/00;G16C60/00;G01D21/02;G06F119/04;G06F119/14
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(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測方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟1、材料初始狀態分析，針對具體工程材料，通過試驗獲得材料的初始狀態；

步驟2、分子動力學仿真分析，基于步驟1得到的材料微觀組織結構和化學組成，建立對應的分子動力學單晶模型，并對該模型進行加載，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，根據步驟2得到的單晶模型三維剛度矩陣，根據實際模型內的晶體取向，對三維剛度矩陣進行坐標變換，得到相應的二維剛度矩陣；

步驟3的具體實現方法為：

步驟3.1、生成隨機取向：

根據步驟1中獲得的材料晶體織構信息，采用相應的隨機函數獲得隨機晶粒的歐拉角α,β,γ；

步驟3.2、坐標變換矩陣：

根據步驟3.1中得到的歐拉角α,β,γ，得到相應晶粒的坐標變換矩陣T_R；

步驟3.3、剛度矩陣變換：

根據步驟3.2中得到的坐標變換矩陣，對步驟2中得到的單晶材料三維剛度矩陣進行坐標變換，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，根據步驟2中得到的晶體滑移系，根據材料的實際受力情況，確定材料的取向因子；

步驟4的具體實現方法為：

步驟4.1、確定滑移面和滑移方向：

根據步驟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、滑移系坐標變換：

根據步驟3中得到的坐標變換矩陣，對步驟4.1中得到的滑移面{HKL}做坐標變換得到宏觀坐標系下的滑移面{H₁K₁L₁}，同樣對UVW做坐標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；

當外加載荷方向為abc，由步驟4.2得每個晶粒對應的宏觀滑移面法向為{H₁K₁L₁}，宏觀滑移方向為U₁V₁W₁，采用向量表達得到相應晶粒的取向因子：

步驟5、確定裂紋方向，根據步驟4.2中得到的宏觀滑移面法向{H₁K₁L₁}，當宏觀有限元模型平面法向為{MNP}時，二平面的交線即為裂紋位置和方向，通過兩個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，根據步驟1中獲得的晶粒尺寸，采用Voronoi多邊形方法，生成相應晶粒大小的多晶模型，同時根據步驟3中獲得的剛度矩陣，仿真得到在給定載荷條件下的應力分布；

步驟6的具體實現方法為：

步驟6.1、建立試樣等比例模型：

根據試樣的實際受力情況，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力分布情況；

步驟6.2、建立多晶模型：

針對試樣裂紋萌生危險區域，根據步驟1中獲得的晶粒尺寸和晶體織構信息，采用Voronoi方法，建立相應的多晶有限元幾何模型，同時，根據步驟3中獲得的晶粒剛度矩陣，建立相應的各向異性本構物理模型；

進一步的，采用子模型的方法，根據步驟6.1中得到的變形情況，建立相應的邊界約束條件；

步驟6.3、仿真分析：

提交步驟6.2中所建立的有限元模型，并得到各晶粒的應變和應力場，同時，提取并輸出節點的坐標、應力以及多晶模型幾何信息；

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

步驟7的具體實現方法為：

步驟7.1、確定分切應力

根據步驟6中輸出的節點應力信息，提取節點各個方向的受力情況，得到各節點所受合力F，同時，根據步驟4.3中得到的宏觀取向因子，得到節點的分切應力：

步驟7.2、確定裂紋長度d_s：

根據步驟6中輸出的多晶模型幾何信息和節點坐標信息，根據節點坐標得到節點所在的晶粒編號和相應晶粒的幾何信息，結合步驟4中得到的裂紋方向，得到裂紋和相應晶粒的兩個交點P₁＝(x₁,y₁)和P₂＝(x₂,y₂)，由此得到模型內各節點對應的裂紋長度：

步驟7.3、確定疲勞裂紋萌生壽命N_s：

根據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，臨界分切應力CRSS，泊松比v以及步驟7.1和步驟7.2中得到的各節點對應的分切應力和裂紋長度d_s，得到的疲勞裂紋萌生壽命：