[發(fā)明專利]基于裂紋擴(kuò)展熵的金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202211724035.0
• 申請(qǐng)日: 2022-12-30
• 公開（公告）號(hào): CN116246738A
• 公開（公告）日: 2023-06-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李果;丁水汀;左亮亮;夏舒洋;李振磊;劉曉靜;邱天;包紹宸
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G16C60/00
• 分類號(hào): G16C60/00;G06F30/20;G06F111/10;G06F119/02;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 北京天匯航智知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11987
• 代理人: 黃川

1.一種基于裂紋擴(kuò)展熵的金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：將包含裂紋本身和裂紋尖端塑性區(qū)可能途徑位置的局部區(qū)域定義為熱力學(xué)系統(tǒng)；

步驟2：經(jīng)由理論分析、仿真模擬或?qū)嶒?yàn)，獲取金屬材料初始裂紋長度下經(jīng)受循環(huán)載荷作用時(shí)裂紋尖端塑性區(qū)內(nèi)應(yīng)力張量、應(yīng)變張量和溫度演化數(shù)據(jù)，并基于應(yīng)力張量、應(yīng)變張量和溫度演化數(shù)據(jù)計(jì)算裂紋尖端塑性區(qū)內(nèi)時(shí)間熵產(chǎn)率、循環(huán)熵產(chǎn)率；

步驟3：經(jīng)由理論分析、仿真模擬或?qū)嶒?yàn)，將裂紋擴(kuò)展Δa裂紋長度增量或ΔN循環(huán)壽命增量，并確定該段裂紋擴(kuò)展對(duì)應(yīng)的ΔN循環(huán)壽命增量或Δa裂紋長度增量；

步驟4：裂紋擴(kuò)展Δa裂紋長度增量或ΔN循環(huán)壽命增量后，獲取金屬材料經(jīng)受循環(huán)載荷作用時(shí)裂紋尖端塑性區(qū)內(nèi)應(yīng)力張量、應(yīng)變張量和溫度演化數(shù)據(jù)，計(jì)算該裂紋長度對(duì)應(yīng)的裂紋尖端塑性區(qū)時(shí)間熵產(chǎn)率、循環(huán)熵產(chǎn)率；

步驟5：重復(fù)實(shí)施步驟3～4，直至金屬材料發(fā)生斷裂失效或裂紋擴(kuò)展至某一給定長度；

步驟6：結(jié)合裂紋擴(kuò)展至各裂紋長度時(shí)的循環(huán)壽命增量數(shù)據(jù)，整體建立或分段建立循環(huán)熵產(chǎn)率與循環(huán)壽命函數(shù)關(guān)系，對(duì)循環(huán)熵產(chǎn)率求和或積分以計(jì)算裂紋擴(kuò)展不同時(shí)刻的裂紋擴(kuò)展熵；

步驟7：基于裂紋擴(kuò)展熵構(gòu)建金屬材料裂紋擴(kuò)展過程的熵產(chǎn)-損傷參量，建立熵產(chǎn)-損傷參量與壽命消耗的演化規(guī)律，基于熵產(chǎn)-損傷參量與壽命消耗的演化規(guī)律進(jìn)行金屬材料的裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟1，整個(gè)裂紋擴(kuò)展過程中裂紋本身、裂紋尖端塑性區(qū)始終保持在所選擇的熱力學(xué)系統(tǒng)內(nèi)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟2、4中應(yīng)力張量、應(yīng)變張量和溫度演化數(shù)據(jù)，可采用理論公式計(jì)算、數(shù)值仿真模擬或疲勞實(shí)驗(yàn)中任一方法或其中幾種方法的組合，獲取循環(huán)載荷加載條件下，金屬材料裂紋尖端塑性區(qū)內(nèi)的應(yīng)力張量、應(yīng)變張量和溫度演化數(shù)據(jù)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟2、4中時(shí)間熵產(chǎn)率，基于所獲得的應(yīng)力張量、應(yīng)變張量和溫度演化數(shù)據(jù)，經(jīng)由熱力學(xué)理論分析推導(dǎo)，采用以下公式計(jì)算裂紋尖端塑性區(qū)內(nèi)微元的單位體積時(shí)間熵產(chǎn)率：

其中，為時(shí)間熵產(chǎn)率，σ、T分別為應(yīng)力張量、應(yīng)變張量變化率和溫度，且應(yīng)力張量、應(yīng)變張量變化率的數(shù)學(xué)形式在三維裂紋擴(kuò)展問題和二維裂紋擴(kuò)展問題中不同。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟2、4中循環(huán)熵產(chǎn)率，通過選取一個(gè)或多個(gè)載荷循環(huán)，將時(shí)間熵產(chǎn)率在所選載荷循環(huán)數(shù)對(duì)應(yīng)的加載時(shí)間上進(jìn)行體積分或面積分，并將該積分值對(duì)所選載荷循環(huán)數(shù)取平均值，獲得單位體積的循環(huán)熵產(chǎn)率：

其中，dω表示時(shí)間熵產(chǎn)率所對(duì)應(yīng)的微元體積或微元面積，Ω表示裂紋尖端塑性區(qū)的體積或面積，為循環(huán)熵產(chǎn)率，表示單個(gè)載荷循環(huán)內(nèi)的比體積熵產(chǎn)，n與t(n)分別表示所選取的載荷循環(huán)數(shù)及對(duì)應(yīng)的加載時(shí)間，其中n取正整數(shù)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟3，采用理論公式計(jì)算、數(shù)值仿真模擬或疲勞實(shí)驗(yàn)中任一方法或其中幾種方法的組合，實(shí)現(xiàn)裂紋擴(kuò)展Δa裂紋長度增量或ΔN循環(huán)壽命增量，并通過所采用的方法確定對(duì)應(yīng)的裂紋擴(kuò)展ΔN循環(huán)壽命增量或Δa裂紋長度增量，獲得該段裂紋擴(kuò)展對(duì)應(yīng)的Δa-ΔN數(shù)據(jù)。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟5，采用理論公式計(jì)算、數(shù)值仿真模擬或疲勞實(shí)驗(yàn)中任一方法或其中幾種方法組合，重復(fù)實(shí)施步驟3中的裂紋擴(kuò)展、步驟4中的時(shí)間熵產(chǎn)率和循環(huán)熵產(chǎn)率計(jì)算，直至金屬材料發(fā)生斷裂失效，或裂紋長度達(dá)到某一給定長度時(shí)結(jié)束；重復(fù)實(shí)施步驟3時(shí)，裂紋長度增量Δa或循環(huán)壽命增量ΔN的大小在重復(fù)實(shí)施過程中允許變動(dòng)，并不要求始終為恒定值，可以根據(jù)實(shí)施需求改變?chǔ)或ΔN的大小。