[發明專利]激光沖擊強化構件裂紋擴展壽命快速預測方法和裝置

有效

• 申請號: 202110067373.0
• 申請日: 2021-01-19
• 公開（公告）號: CN112906258B
• 公開（公告）日: 2022-10-21
• 發明（設計）人: 孫汝劍;曹子文;車志剛;鄒世坤;吳俊峰
• 申請（專利權）人: 中國航空制造技術研究院
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;C21D10/00;G06F111/04;G06F119/02;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明實施例提供一種激光沖擊強化構件裂紋擴展壽命快速預測方法和裝置，該方法通過采用預設的激光參數對目標構件進行激光沖擊強化試驗，獲得殘余應力深度分布結果，然后根據所述得殘余應力深度分布結果在有限元數值模擬環境中進行模擬，并根據激光參數確定外荷載，由外荷載與裂紋強度因子值、裂紋強度因子范圍和疲勞壽命之間的理論推導關系，最終獲得從激光沖擊參數到疲勞壽命的快速一體化預測，最終解決上述技術不足，填補激光沖擊強化構件的裂紋擴展壽命預測的技術空白。

技術領域

本發明涉及抗疲勞制造技術領域，特別是涉及一種激光沖擊強化構件裂紋擴展壽命快速預測方法和裝置。

背景技術

抗疲勞制造是指在不改變零件材料和尺寸的前提下，通過在制造工藝過程中改變材料的微觀組織及應力分布狀態來提高零部件疲勞壽命的制造技術。激光沖擊強化作為一種先進的高能束表面改性抗疲勞制造技術，通過強脈沖激光轟擊覆蓋有吸收層和約束層的金屬材料表面，產生向材料內部傳遞的高溫、高壓等離子體沖擊波，并與材料發生快速、非平衡、劇烈交互作用，在材料表面誘導產生高幅值、大深度的殘余壓應力和細化的梯度微觀組織，進而有效抑制疲勞裂紋擴展，提高構件的疲勞壽命。然而，就激光沖擊強化工程應用中關注的疲勞延壽問題，目前仍缺乏有效的壽命預測方法，且其他工程領域的壽命預測方法又未能將激光沖擊強化過程考慮其中，無法類比應用。

專利CN109725123B公布了一種考慮噴丸強化表層晶粒細化的裂紋擴展壽命確定方法，基本步驟為：(1)基于J-C模型應力應變數據進行擬合，得到材料的位錯演化模型參數；(2)利用ABAQUS有限元軟件的VUSDFLD子程序進行編程，基于位錯演化模型建立微細觀參量與宏觀參量的聯系，完成程序編寫；(3)基于ABAQUS軟件進行噴丸強化數值仿真，獲取強化之后表層晶粒尺寸與殘余應力場；(4)根據相同材料不同應力下未噴丸的裂紋擴展試驗數據，擬合得到N-R模型參數，建立裂紋擴展模型；(5)將殘余應力與晶粒細化考慮到N-R裂紋擴展模型中，建立考慮噴丸誘導晶粒細化的裂紋擴展模型。首先噴丸強化與激光沖擊強化明顯不同，其誘導產生殘余應力的機理不同，其次該專利主要關注的是噴丸強化誘導的晶粒細化效應對疲勞壽命的影響，且其壽命預測模型也僅僅是基于擬合關系建立的模型，實用性較低。

因此，發明人提供了一種激光沖擊強化構件裂紋擴展壽命快速預測方法和裝置。

發明內容

(1)要解決的技術問題

本發明實施例提供了一種激光沖擊強化構件裂紋擴展壽命快速預測方法和裝置，通過試驗驗證、有限元數值模擬和理論推導求解，建立激光沖擊強化工藝參數與疲勞壽命的關聯，獲取從激光沖擊參數到疲勞壽命的快速一體化檢測，解決了現有疲勞壽命預測準確度不高、實用性較低的技術問題，填補激光沖擊強化構件的裂紋擴展壽命預測的技術空白。

(2)技術方案

第一方面，本發明的實施例提出了一種激光沖擊強化構件裂紋擴展壽命快速預測方法，該方法包括：

采用預設的激光參數對目標構件進行激光沖擊強化，并獲得激光沖擊強化后的所述目標構件的殘余應力深度分布結果；

在有限元數值分析軟件中，對設計的、與所述目標構件等厚度的試件進行激光沖擊強化數值模擬，并依據所述殘余應力深度分布結果進行校準，獲得殘余應力單元；根據所述殘余應力單元的幾何特征，提取并存儲所述殘余應力單元的本征應變，生成本征矩陣；

采用固有應變法，將所述本征矩陣對應的荷載施加至所述目標構件，獲得與所述殘余應力單元一致的殘余應力分布；

在有限元數值分析軟件中，對所述試件施加外荷載，完成裂紋擴展的數值模擬，獲得預設裂紋長度下的裂紋強度因子值和裂紋強度因子范圍；

根據所述裂紋強度因子值和裂紋強度因子范圍反向計算得出裂紋擴展壽命。