[發明專利]一種多軸熱機械載荷下基于短裂紋的壽命預測方法

有效

• 申請號: 202110322882.3
• 申請日: 2021-03-26
• 公開（公告）號: CN113109190B
• 公開（公告）日: 2022-09-09
• 發明（設計）人: 尚德廣;王海潮;侯庚;陳烽;常東帥;尹翔;夏銘
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01N3/32
• 分類號: G01N3/32;G01N3/04
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

1.一種多軸熱機械載荷下基于短裂紋的壽命預測方法，其特征在于：具體步驟如下，

步驟1)：薄壁管件的多軸疲勞短裂紋萌生與擴展試驗中，疲勞短裂紋多在剪應力范圍最大，且法向應力范圍較大的平面上產生并擴展，因此將此平面作為臨界平面，并在此平面上將法向應力范圍與剪切應力范圍通過Mises公式進行合成，將多軸應力等效為單軸應力用于計算裂紋擴展驅動力；

其中，Δσ_eq為等效應力，Δτ為剪切應力范圍，Δσ為最大剪切應力范圍平面的較大法向應力范圍；

其中，ΔK_eq為裂紋擴展驅動力，Y為形狀因子，a為半裂紋長度；

步驟2)：依據Newman裂紋閉合公式計算裂紋閉合效應對短裂紋擴展的影響，進而根據Paris公式計算疲勞裂紋擴展速率；

ΔK_eff＝UΔK_eq

其中，ΔK_eq為有效裂紋擴展驅動力，U為通過Newman裂紋閉合公式計算得到的裂紋閉合系數；

其中，是裂紋擴展速率，C，m為單軸Paris常數；

步驟3)：將機械載荷與溫度載荷按時間區間分割，并計算每個區間上溫度載荷對裂紋擴展的貢獻量；

其中，C^*為蠕變當量，ε為單軸失效應變；

其中，A為溫度影響系數，由等溫疲勞試驗得到，σ_ref為名義應力；

A＝α*e^βT

其中，α和β由單軸高溫疲勞試驗得到；

步驟4)：將每個區間的蠕變裂紋擴展量進行累加得到整個循環的蠕變裂紋擴展量；

步驟5)：將機械載荷下疲勞裂紋擴展量與溫度載荷下蠕變裂紋擴展量相加得到每個循環下總的裂紋擴展量；

步驟6)：將每個循環下裂紋的擴展量與之前的裂紋長度相加作為下一個循環的初始裂紋長度，循環直至裂紋長度超過臨界裂紋長度，將總循環次數作為疲勞裂紋擴展壽命。

2.根據權利要求1所述的一種多軸熱機械載荷下基于短裂紋的壽命預測方法，其特征在于：所述步驟1)中由多軸疲勞試驗證實，裂紋會在某一臨界平面上產生并擴展，選取剪應力范圍最大，且法向應力范圍較大的平面作為臨界面，認為裂紋在此平面上產生并擴展。

3.根據權利要求1所述的一種多軸熱機械載荷下基于短裂紋的壽命預測方法，其特征在于：所述步驟3)中將機械載荷與溫度載荷分為了若干個合適的區間，認為當法向應力為正值時，溫度載荷對裂紋擴展有一定的貢獻，將區間的法向應力最大值與剪切應力最大值依據Mises公式進行合成作為名義應力σ_ref，同樣取區間最大溫度值作為溫度載荷進行計算，計算溫度載荷對裂紋擴展的貢獻量，當正應力為負值時，認為溫度載荷對裂紋的擴展沒有影響，此時名義應力取0；

4.根據權利要求1所述的一種多軸熱機械載荷下基于短裂紋的壽命預測方法，其特征在于：所述步驟3)中A為溫度影響系數，由不同溫度下單軸疲勞裂紋擴展實驗得出；

A＝α*e^βT。

5.根據權利要求1所述的一種多軸熱機械載荷下基于短裂紋的壽命預測方法，其特征在于：所述步驟5)中從初始裂紋開始，每進行一個循環將機械載荷下疲勞裂紋擴展量與溫度載荷下蠕變裂紋擴展量進行相加作為此循環的裂紋擴展量，將其與循環之前的裂紋長度相加作為下一個循環的初始裂紋長度，如此進行迭代直至裂紋長度達到臨界裂紋長度。

6.根據權利要求1所述的一種多軸熱機械載荷下基于短裂紋的壽命預測方法，其特征在于：所述步驟6)中裂紋擴展壽命的計算，初始裂紋長度與材料晶粒尺寸相關，由試驗證實一般取材料的平均微觀結構尺寸；最終裂紋長度與材料的斷裂韌性密切相關；