[發明專利]基于裂紋擴展熵的金屬材料疲勞裂紋擴展壽命預測方法

在審

• 申請號: 202211724035.0
• 申請日: 2022-12-30
• 公開（公告）號: CN116246738A
• 公開（公告）日: 2023-06-09
• 發明（設計）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（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G16C60/00
• 分類號: G16C60/00;G06F30/20;G06F111/10;G06F119/02;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 北京天匯航智知識產權代理事務所(普通合伙) 11987
• 代理人: 黃川

本發明公開了一種基于裂紋擴展熵的金屬材料疲勞裂紋擴展壽命預測方法，包括：定義局部區域為熱力學系統；獲取初始裂紋長度下裂紋尖端塑性區內應力張量、應變張量和溫度演化數據，計算時間熵產率、循環熵產率；將裂紋擴展Δa裂紋長度增量或ΔN循環壽命增量；計算裂紋擴展后裂紋尖端塑性區的循環熵產率；重復實施裂紋擴展過程及相應計算，直至發生斷裂失效或裂紋擴展至給定長度；建立循環熵產率與循環壽命函數關系，計算裂紋擴展不同時刻的裂紋擴展熵；構建熵產?損傷參量，建立熵產?損傷參量與壽命消耗的演化規律，基于該演化規律進行裂紋擴展壽命預測。該方法適用于金屬材料低周、高周疲勞裂紋擴展壽命預測，具有重要理論研究意義與工程應用價值。

技術領域

本發明涉及金屬材料裂紋擴展壽命分析，尤其涉及一種基于裂紋擴展熵的金屬材料疲勞裂紋擴展壽命預測方法。

背景技術

循環載荷引起的結構疲勞是工程結構中最常見的失效形式之一，疲勞的本質是不可逆的熱力學耗散過程，在該過程中金屬材料的結構損傷隨著循環載荷的持續加載而不斷累積，直到結構發生斷裂失效。金屬材料疲勞損傷累積過程中，機械能的輸入引發不可逆能量耗散，使得熱力學系統不可逆性增大，而損傷累積過程的不可逆性可以通過熱力學熵產進行量化。因此，熱力學熵產可作為材料疲勞損傷的度量指標。

目前，基于熱力學熵產理論進行疲勞問題研究的思路得到了學者們的廣泛關注。然而，現有相關研究主要聚焦在斷裂失效壽命研究，特別是裂紋萌生壽命分析，而極少關注裂紋擴展階段的壽命預測。現有基于熱力學熵產的裂紋萌生壽命研究主要分為兩類：一類是在疲勞試驗過程中測量疲勞試樣的宏觀溫度場演化，間接表征裂紋萌生階段的熵產數據，并基于熱力學熵產進行裂紋萌生壽命分析；另一類是通過讀取載荷加載設備上的名義應力、名義應變數據，結合疲勞試樣的溫度數據，計算出裂紋萌生階段的熵產，進而進行裂紋萌生壽命分析。上述基于熱力學熵產的裂紋萌生壽命分析方法，并不關注疲勞試樣上的應力場、應變場信息，不能合理反應疲勞試樣在循環載荷作用下的力學響應。

此外，現有基于熱力學熵產理論的疲勞壽命研究并未涉及裂紋擴展壽命分析。裂紋萌生壽命研究中通常會針對特定的標距段進行分析，認為標距段內各點的應力應變狀態都是一致的。然而在裂紋擴展問題研究中，試樣在裂紋尖端局部區域中存在塑性變形，試樣的其他部位仍處于未屈服的彈性狀態，這使得現有熱力學熵產研究方法在裂紋擴展壽命研究中存在局限性。

因此，針對金屬材料裂紋擴展壽命預測分析，本發明提出采用裂紋擴展熵的概念來描述裂紋擴展過程中金屬材料的熱力學熵產，將基于熱力學熵產理論的疲勞問題研究延伸至金屬材料裂紋擴展領域，提出一種基于裂紋擴展熵的金屬材料疲勞裂紋擴展壽命預測方法，該方法具有重要理論研究意義與工程應用價值。

發明內容

本發明的目的是給出一種基于裂紋擴展熵的金屬材料疲勞裂紋擴展壽命預測方法，其能夠基于熱力學理論研究金屬材料裂紋擴展問題，并采用裂紋擴展熵預測裂紋擴展壽命。本發明采用以下技術方案：

一種基于裂紋擴展熵的金屬材料疲勞裂紋擴展壽命預測方法，包括以下步驟：

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

步驟2：經由理論分析、仿真模擬或實驗，獲取金屬材料初始裂紋長度下經受循環載荷作用時裂紋尖端塑性區內應力張量、應變張量和溫度演化數據，并基于應力張量、應變張量和溫度演化數據計算裂紋尖端塑性區內時間熵產率、循環熵產率；

步驟3：經由理論分析、仿真模擬或實驗，將裂紋擴展Δa裂紋長度增量或ΔN循環壽命增量，并確定該段裂紋擴展對應的ΔN循環壽命增量或Δa裂紋長度增量；

步驟4：裂紋擴展Δa裂紋長度增量或ΔN循環壽命增量后，獲取金屬材料經受循環載荷作用時裂紋尖端塑性區內應力張量、應變張量和溫度演化數據，計算該裂紋長度對應的裂紋尖端塑性區時間熵產率、循環熵產率；

步驟5：重復實施步驟3～4，直至金屬材料發生斷裂失效或裂紋擴展至某一給定長度；