[发明专利]一种基于功率谱密度的多轴疲劳裂纹萌生方向预测方法

说明书

本发明公开了一种基于功率谱密度的多轴疲劳裂纹萌生方向预测方法，包括：根据材料的多轴疲劳加载历程，计算金属材料在不同材料方向上的剪应变随时间变化历程；依据剪应变时间历程，计算其相应的功率谱密度；此处的功率谱密度是随时间变化的复数，对功率谱密度求模；比较不同方向上的剪应变功率谱密度模值，将剪应变功率谱密度模值最大的方向定义为疲劳裂纹萌生方向。本发明通过分析金属材料在多轴常幅或者多轴变幅疲劳载荷下不同材料方向上的剪应变的功率谱密度，从而确定金属材料的裂纹萌生方向。

技术领域

本发明属于航空系统技术领域，具体指代一种基于功率谱密度的金属材料多轴疲劳裂纹萌生方向预测方法。

背景技术

随着航空事业的发展，新型航空器越来越多地呈现出飞行空域辽阔、飞行速度提高、飞行寿命延长等特点。出于对能源以及经济等方面的综合考虑，世界各国均对航空器结构提出了轻质、长寿命和高可靠性的要求。这就要求有更符合航空结构材料在服役载荷下的疲劳损伤分析与疲劳寿命预测方法，来进行航空结构的耐久性设计。所谓的结构耐久性，即是指结构或者构件在考虑了环境条件(包括温度和介质等)的影响下能够承受载荷(包括随时间变化的循环载荷以及在服役过程中受到的准静态和冲击过载等)的能力。

在航空结构耐久性设计中，目前主要采用的还是基于时域的损伤累积方法来预测寿命，其中用到的载荷的循环计数法、疲劳破坏准则和损伤累积理论等还是采用的单轴常幅载荷下得到的研究成果。而在应用单轴常幅载荷下的疲劳理论来预测在航空结构服役载荷下的疲劳寿命时通常会有较大的误差，所以在设计航空结构时通常会采用较大的安全系数和较大的强度余量，这样会直接导致所设计出来的结构重量增加。随着新型飞行器飞行速度的提高，飞行寿命的延长以及经济性等各方面要求的提高，研究提出能够准确预测航空材料在服役载荷，即多轴变幅载荷下疲劳寿命的预测方法，已经成为航空界的迫切需要。

目前的研究表明基于临界面法的多轴疲劳损伤模型在多轴疲劳寿命预测方面是非常有效的。通过对多轴疲劳载荷下金属实验件表面裂纹萌生行为的系统观察，发现在多轴载荷下金属材料的疲劳裂纹通常沿着某一特定平面萌生。所以，临界面法假定多轴载荷下材料将沿某一特定平面萌生裂纹，进而发生破坏。

但是对于临界面定义本身的研究还很不充分，尤其是在多轴变幅载荷下临界面的确定方法以及临界面上应力(应变)参数的计算方面的研究还没有得到应有的重视，而这部分的结果将直接影响多轴变幅载荷下疲劳寿命预测结果的精度。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于功率谱密度的多轴疲劳裂纹萌生方向预测方法，以解决现有技术中基于临界面法的多轴疲劳损伤模型在多轴疲劳寿命预测方面研究不充分，影响预测结果的精度等问题。

为达到上述目的，本发明的一种基于功率谱密度的多轴疲劳裂纹萌生方向预测方法，包括步骤如下：

(1)根据金属材料的多轴疲劳加载历程，计算金属材料在不同方向上的剪应变随时间变化历程；

(2)依据剪应变时间变化历程，计算其相应的功率谱密度；

(3)得到的剪应变功率谱密度是随时间变化的复数，对功率谱密度求模；

(4)比较不同方向上的剪应变功率谱密度模值，将剪应变功率谱密度模值最大的方向定义为疲劳裂纹萌生方向。

优选地，上述步骤(1)进一步包括：对金属材料的多轴疲劳应变加载历程进行处理，金属材料任一点处的多轴疲劳应变加载历程用应变张量表示为：