[发明专利]一种模拟疲劳裂纹扩展中超载迟滞效应模型的设计方法

说明书

一种模拟疲劳裂纹扩展中超载迟滞效应的模型，以裂纹尖端所处位置来判断裂纹扩展状态，根据迟滞状态的判断条件，采用分段函数的形式推得无迟滞应力强度因子的表达式。将材料的超载截止比视为疲劳载荷应力比的函数。在考虑压缩超载对拉伸超载所产生的迟滞效应的削弱作用时，引入削弱因子，对超载影响区内的残余应力强度因子进行修正。经试验验证，模型计算得到的寿命值与试验值的相对误差均在±5％以内。

技术领域

本发明涉及一种疲劳裂纹扩展寿命模型，具体涉及一种存在超载迟滞效应的疲劳裂纹扩展寿命模型。

背景技术

对于在服役中承受随机交变载荷的结构，其疲劳裂纹扩展寿命受载荷作用顺序的影响。高载作用后的低载循环中，结构的疲劳裂纹扩展速率降低，明显低于无高载作用时的扩展速率，结构的疲劳裂纹扩展寿命变长，这一现象称为超载迟滞。试验结果已经证明，拉伸超载作用后，疲劳裂纹扩展速率逐渐降低，裂纹扩展一定长度后，扩展速率达到最小值，表现出延迟迟滞现象，随后扩展速率逐渐回升，恢复到无超载作用时的扩展速率水平，迟滞效应消失，且拉伸超载越大，迟滞效应越强，结构的疲劳裂纹扩展寿命越长。而若在拉伸超载作用后施加压缩超载，则压缩超载会削弱拉伸超载所产生的迟滞效应，使结构的疲劳裂纹扩展寿命变短，且压缩超载越大，对拉伸超载所产生的迟滞效应削弱越多，结构的疲劳裂纹扩展寿命越短。

J.B.Chang等人提出的“改进的广义Willenborg模型”是模拟超载迟滞效应的较有名且有效的方法，该方法以当前裂尖前方单调塑性区边界与超载作用后的单调塑性区边界重合作为迟滞结束的判断条件，并据此推得无迟滞应力强度因子表达式。但该模型认为施加超载后裂纹扩展即达到最大迟滞状态，与迟滞存在延迟的事实不符，且模型计算得到的超载影响区范围小于试验结果。同时，模型中采用的超载截止比为常数，在计算小应力比和小拉伸超载比情形的寿命时误差较小，但在计算其它应力比和大拉伸超载比情形的寿命时误差较大，可达-40％。此外，该模型在考虑压缩超载对拉伸超载所产生的迟滞效应的削弱作用时，认为压缩超载减小了拉伸超载作用后的单调塑性区尺寸，而试验结果表明，压缩超载并未改变拉伸超载作用后的迟滞影响区范围，只是提高了裂纹在迟滞影响区内的扩展速率，故模型的假设与试验结果不符。

发明内容

为克服现有技术不能反映延迟迟滞现象、计算的超载影响区偏小、在计算小应力比和小拉伸超载比之外各情形的寿命时误差较大，以及对压缩超载的考虑与试验结果不符的不足，本发明提出了一种模拟疲劳裂纹扩展中超载迟滞效应模型的设计方法。

本发明的具体过程是：

步骤1，确定超载影响区内无迟滞应力强度因子。

所确定的超载影响区内无迟滞应力强度因子K^*的表达式为：

公式(21)中，Δa为施加超载后裂纹扩展量，ρ_rev为拉伸超载作用后的反向塑性区尺寸，ρ_OL为拉伸超载作用后的单调塑性区尺寸，K_OL为拉伸超载的应力强度因子。ρ₁为施加超载点疲劳载荷的单调塑性区尺寸，ρ₂为超载迟滞结束点疲劳载荷的单调塑性区尺寸。

在确定超载影响区内无迟滞应力强度因子K^*的表达式时，所用超载影响区内无迟滞应力强度因子K^*的边界条件为

公式(4)中，K_max,1为施加超载点疲劳载荷的最大应力强度因子，K_max,2为超载迟滞结束点疲劳载荷的最大应力强度因子。

步骤2，确定当前应力比下的超载截止比。

所确定的当前应力比下的超载截止比γ_SR的表达式为