[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

本發明公開的一種多尺度疲勞裂紋萌生壽命仿真預測方法，屬于工程材料疲勞失效分析領域。本發明的一種多尺度疲勞裂紋萌生壽命仿真預測方法：通過表面完整性、微觀組織以及化學成分的材料初始狀態分析，分子動力學仿真分析，剛度矩陣二維變換，取向因子確定，裂紋方向確定，有限元多晶模型仿真分析，最終確定疲勞裂紋萌生壽命。本發明采用坐標變換的方法，實現從三維剛度矩陣到二維剛度矩陣的轉換，同時實現晶粒取向因子的坐標變換；本發明采用原子尺度分子動力學模型、微觀尺度多晶有限元模型和宏觀尺度有限元模型不同尺度相結合的方法，能夠準確的預測疲勞裂紋萌生位置、方向、以及疲勞裂紋萌生壽命，對于疲勞失效分析具有巨大的應用價值。

技術領域

本發明涉及一種多尺度疲勞裂紋萌生壽命仿真預測方法，屬于工程材料疲勞失效分析領域。

背景技術

隨著對于設備運行可靠性要求的不斷提升，關鍵件的疲勞失效成為亟待解決的關鍵問題。疲勞失效通常分為兩個階段，分別為疲勞裂紋萌生階段和疲勞裂紋擴展階段。其中，疲勞裂紋萌生階段往往占據構件疲勞壽命的大部分，尤其針對高周和超高周疲勞問題，疲勞裂紋萌生壽命占據構件疲勞壽命的90％以上。因此，對構件的疲勞裂紋萌生壽命進行準確的預測有著十分重要的意義。

傳統的疲勞裂紋萌生壽命預測方法，主要有名義應力法、局部應變法、局部應力-應變法等。傳統疲勞裂紋萌生壽命預測方法以宏觀的應力場和應變場，針對缺陷區域進行分析，結合S-N曲線，最終得到缺陷區域的疲勞裂紋萌生壽命。傳統疲勞裂紋萌生壽命的預測方法依賴于S-N曲線，并且未能考慮到表層材料微觀組織、應力狀態對于疲勞壽命的影響，預測結果有較大的誤差，并且還需要大量的試驗數據。

針對上述缺陷，日本的Mura等人提出Tanaka-Mura模型，該模型從晶粒內的位錯運動出發，以裂紋萌生能作為判據，根據晶粒相應滑移系的分切應力得到疲勞裂紋萌生壽命。該方法相對于傳統預測模型，從微納觀尺度位錯運動出發，得到的結果更加具有說服力。但是由于材料的臨界分切應力、裂紋萌生能、晶粒材料本構等參數難以獲得的原因，極大的限制該模型的實際應用。

發明內容

針對傳統疲勞裂紋萌生壽命預測模型不能考慮微觀組織的影響、預測結果不準確的問題，本發明基于Tanaka-Mura模型，提出一種多尺度疲勞裂紋萌生壽命仿真預測方法，考慮微觀組織、殘余應力、表面粗糙度的影響，從原子尺度的分子動力學仿真分析出發，最終建立考慮實際微觀組織的有限元多晶模型，并在有限元多晶模型仿真的結果上，對疲勞裂紋萌生壽命進行預測，預測結果準確，仿真效率高。

本發明的目的是通過下述技術方案實現的。

本發明公開的一種多尺度疲勞裂紋萌生壽命仿真預測方法，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1的具體實現方法為：

步驟1.1、表面完整性分析：

通過白光干涉儀、激光共聚焦顯微鏡、粗糙度儀獲得材料的初始表面粗糙度。通過X射線衍射、超聲波對材料殘余應力進行測量，獲得殘余材料內殘余應力的分布。

步驟1.2、微觀組織分析：

采用光學顯微鏡、掃描電鏡、電子背散射，對材料的微觀組織進行觀察和測量，獲得材料的晶粒尺寸、晶體織構、組織結構信息。

步驟1.3、化學成分分析：

采用化學分析法、光譜分析法對材料的化學成分進行測量，得到材料內各化學元素的組分。

步驟2、分子動力學仿真分析：