[发明专利]基于材料R曲线的金属结构疲劳裂纹扩展寿命预测方法

权利要求书

1.一种基于材料R曲线的金属结构疲劳裂纹扩展寿命的预测模型，其特征在于步骤如下：

步骤1材料R曲线的试验测定：

选取与被预测结构相同的金属材料，按照标准《ASTM E561-08Standard Test Method for K-R Curve Determination》或《HB 5261-83金属板材K-R曲线试验方法》，加工中心孔板试件CCT试件，并测量该材料的载荷—裂纹嘴张开位移曲线P-v曲线；

步骤2材料R曲线表达式的拟合：

步骤（a）、利用柔度法计算裂纹半长a：

根据《ASTM E561-08Standard Test Method for K-R Curve Determination》标准，CCT试样柔度计算公式为：

2aW=1.2235x-0.669032x2+3.25584x3-6.65042x4+5.54x5-1.166989x6---(1)]]>

x=1-exp{-(EBC+η)(EBC-η)2.141}---(2)]]>

其中，a为裂纹半长，W为板宽，B为板厚，E为弹性模量，C=v/P为柔度，η=2y/W为引伸计无因次跨距，y为引伸计半跨距；

在步骤1所获取的材料P-v曲线线性范围内至少选择20个计算点，对每一计算点(v_i，P_i)计算其与原点v₀之间的割线斜率：

(ΔvΔP)i=vi-v0Pi---(3)]]>

将割线斜率(Δv/ΔP)_i代入柔度表达式（1）和（2），得到选择点的裂纹长度a_i；

步骤（b）、计算裂纹长度a_i下的应力强度因子K_i：

将选择点的裂纹长度a_i带入式（4）和式（5）计算得到此裂纹长度下的应力强度因子K_i

Ki=PBWπaif(aiW)---(4)]]>

f(aiW)=sec(πaiW)---(5)]]>

步骤（c）、计算选择点的裂纹长度a_i下的裂纹扩展阻力R_i：

在裂纹稳定扩展过程中，裂纹扩展阻力R等于能量释放率G

Ri=Gi=Ki2E---(6)]]>

其中，E为材料弹性模量；

从而计算得到选择点的裂纹长度a_i下的裂纹扩展阻力R_i；

步骤（d）、拟合材料R曲线表达式：

将上述步骤中计算的选择点的裂纹长度a_i减去初始裂纹长度a₀得到Δa_i，以Δa_i为横坐标，裂纹扩展阻力R为纵坐标，将所得到的Δa_i与对应的R_i数据绘制在此坐标系中，得到材料R曲线数据点分布，将这些数据点分布拟合成曲线，得到该曲线的表达式即R曲线表达式；

拟合R曲线表达式的步骤为：

将实验得到的R曲线数据点代入D.Broek的已有的R曲线的表达式：

Ri=β(Δai)α-1α---(7)]]>

其中，α、β为R曲线形状参数，

将式（7）两端取自然对数得

lg(Ri)=lgβ+(α-1α)lg(Δai)---(8)]]>

令Y_i=lg(R_i)，X_i=lg(Δa_i)，得

Yi=lgβ+(α-1α)Xi---(9)]]>

以X为横坐标，Y为纵坐标，将X_i、Y_i数据点绘制在坐标系中，根据最小二乘法拟合直线，此直线斜率即为与Y轴交点即为lgβ，从而得到R曲线表达式中的α和β的数值；

步骤3建立基于材料R曲线的裂纹扩展模型：

Geff=Keff2ERi=β(Δai)α-1αGeff=Ri∂Geff∂ai<∂Ri∂ai---(10)]]>

其中：

G_eff为在平面应力状态下的I型穿透裂纹，在疲劳载荷下扩展时的有效能量释放率

Geff=Keff2E---(11)]]>

式中，K_eff是有效应力强度因子，通过裂纹闭合系数U计算得到

K_eff=K_max·U(1-R_s)（12）

其中，R_s为疲劳载荷应力比，即疲劳载荷谷值与峰值之比；闭合系数U由试验确定，试验确定方法采用西北工业大学马君峰、吕国志发表在《机械科学与技术》期刊第18卷第3期的“一种确定有效应力强度因子ΔK_eff的解析模型”。