[發(fā)明專利]一種基于點(diǎn)權(quán)函數(shù)法的表面裂紋強(qiáng)度因子數(shù)據(jù)庫(kù)建立方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110259966.7
• 申請(qǐng)日: 2021-03-10
• 公開（公告）號(hào): CN112989659B
• 公開（公告）日: 2022-03-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李果;丁水汀;周惠敏;劉俊博;劉曉靜
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23;G06F111/08;G06F119/04
• 代理公司: 北京航智知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11668
• 代理人: 黃川;史繼穎

本發(fā)明公開了一種基于點(diǎn)權(quán)函數(shù)的表面裂紋強(qiáng)度因子數(shù)據(jù)庫(kù)建立方法，通過對(duì)表面裂紋面上所有點(diǎn)的應(yīng)力和權(quán)函數(shù)進(jìn)行積分，高速計(jì)算表面裂紋在復(fù)雜應(yīng)力梯度下的應(yīng)力強(qiáng)度因子，從而為表面概率損傷容限評(píng)估中的線彈性斷裂力學(xué)分析提供基礎(chǔ)。具體地，采用有限元參數(shù)化建模，建立立方體結(jié)構(gòu)構(gòu)型，基于J積分應(yīng)力強(qiáng)度因子理論，計(jì)算給定應(yīng)力梯度下的參考應(yīng)力強(qiáng)度因子，計(jì)算精度不受裂紋尖端網(wǎng)格數(shù)量影響，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確；點(diǎn)權(quán)函數(shù)法相較于通用權(quán)函數(shù)法，克服了只考慮應(yīng)力在裂紋深度單向變化的局限性，適用于更復(fù)雜的應(yīng)力情況，彌補(bǔ)了應(yīng)力強(qiáng)度因子手冊(cè)的局限性，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件的概率損傷容限評(píng)估提供技術(shù)支撐，具有重要的工程意義和實(shí)際價(jià)值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于航空發(fā)動(dòng)機(jī)概率損傷容限評(píng)估技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于點(diǎn)權(quán)函數(shù)的表面裂紋強(qiáng)度因子數(shù)據(jù)庫(kù)建立方法。

背景技術(shù)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵安全件。在加工及使用維護(hù)過程中，不可避免地會(huì)在限壽件上引入小概率缺陷，這會(huì)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性帶來(lái)極大的威脅。因而美國(guó)適航規(guī)章FAR-33部及我國(guó)適航規(guī)章CCAR-33部R2版第33.70條款提出一套加強(qiáng)的壽命管理流程，用概率損傷容限評(píng)估方法來(lái)考慮限壽件中出現(xiàn)概率極小的缺陷對(duì)安全性的影響。該評(píng)估方法將表面缺陷視為結(jié)構(gòu)體中的表面裂紋，以線彈性斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)，以應(yīng)力強(qiáng)度因子作為裂紋應(yīng)力集中的表征量，并結(jié)合缺陷、載荷、無(wú)損檢測(cè)等隨機(jī)因素，處理限壽件在帶初始裂紋體的條件下低循環(huán)疲勞失效問題，從而計(jì)算航空發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件的失效風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)估限壽件安全性。

高效的裂紋擴(kuò)展計(jì)算方法是概率損傷容限評(píng)估的基礎(chǔ)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件工作應(yīng)力復(fù)雜，以航空發(fā)動(dòng)機(jī)輪盤轉(zhuǎn)子為例，其承受的工作載荷包括葉片拉力、離心力、熱應(yīng)力以及加工殘余應(yīng)力等，所承受的載荷在裂紋平面上具有任意應(yīng)力分布。因而需要發(fā)展可計(jì)算任意應(yīng)力分布下的裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的方法。工程常用的應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算方法為解析法和數(shù)值計(jì)算法。解析法的基本原理是求解滿足幾何、平衡和物理方程與邊界條件的應(yīng)力函數(shù)，該方法只對(duì)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)體上具有常規(guī)應(yīng)力分布的裂紋存在閉合解，因而具有一定的局限性。數(shù)值計(jì)算法主要采用有限元方法計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子，可計(jì)算任意結(jié)構(gòu)體中裂紋在任意應(yīng)力分布下的應(yīng)力強(qiáng)度因子，然而其效率受到建模和分網(wǎng)過程的影響，不適用于計(jì)算量大的概率損傷容限評(píng)估。

在此基礎(chǔ)上，基于Buckner和Rice提出的權(quán)函數(shù)理論，可以結(jié)合解析法與數(shù)值計(jì)算法，建立表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子數(shù)據(jù)庫(kù)。其中，對(duì)于二維平面上應(yīng)力分布主要隨裂紋深度變化的裂紋，Glinka和Shen提出了通用權(quán)函數(shù)公式，從而可計(jì)算裂紋在裂紋深度方向上任意應(yīng)力梯度下的應(yīng)力強(qiáng)度因子。然而，通用權(quán)函數(shù)方法只適用于應(yīng)力在裂紋深度單方向上變化的情況，而對(duì)于二維平面上應(yīng)力分布在裂紋深度和長(zhǎng)度兩個(gè)維度上都不均勻的裂紋，通用權(quán)函數(shù)法并不能適用。實(shí)際部件中存在多處二維應(yīng)力梯度，為解決具有復(fù)雜應(yīng)力分布的部件裂紋擴(kuò)展計(jì)算問題，Orynyak提出了點(diǎn)權(quán)函數(shù)公式，可高效計(jì)算具有復(fù)雜應(yīng)力分布的裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子。點(diǎn)權(quán)函數(shù)法與通用權(quán)函數(shù)法相比，描述的應(yīng)力分布形式從一維增加到二維，適用于存在復(fù)雜應(yīng)力梯度情況的航空發(fā)動(dòng)機(jī)限壽件，從而為限壽件概率損傷容限評(píng)估提供高效準(zhǔn)確的線彈性斷裂力學(xué)分析方法。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明提出一種基于點(diǎn)權(quán)函數(shù)的表面裂紋強(qiáng)度因子數(shù)據(jù)庫(kù)建立方法，用以提高缺陷裂紋擴(kuò)展計(jì)算效率，本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：

一種基于點(diǎn)權(quán)函數(shù)的表面裂紋強(qiáng)度因子數(shù)據(jù)庫(kù)建立方法，包括以下步驟：

S1：針對(duì)具有表面裂紋的結(jié)構(gòu)體，建立有限元模型，并在裂紋面上給定三種垂直于裂紋面的應(yīng)力，作為有限元模型的邊界條件；

S2：求解步驟S1建立的表面裂紋在三種應(yīng)力邊界條件下的參考應(yīng)力強(qiáng)度因子；

S3：結(jié)合點(diǎn)權(quán)函數(shù)公式，利用三種應(yīng)力邊界條件與參考應(yīng)力強(qiáng)度因子，求解點(diǎn)權(quán)函數(shù)公式中的權(quán)重系數(shù)；

S4：采用響應(yīng)面分析法，將步驟S3獲得的權(quán)重系數(shù)轉(zhuǎn)化為權(quán)重系數(shù)代理模型；