[发明专利]用于估计应力强度因子的方法和用于计算相关使用寿命的方法

说明书

本发明涉及一种用于在疲劳裂纹扩展模型的环境中估计数值建模部件中的应力强度因子(FIC)的方法(100)，该方法包括以下步骤：‑(E2)：从待分析部件(20)的数值模型获得在待分析部件(20)的不同点处模拟的多个值；‑(E3)：确定对应于平面裂纹的笔直前缘的有效应力强度幅度的转换值(ΔK)以及对应于具有笔直前缘的平面裂纹的裂纹的转换长度(a)，所述转换值通过使数值模型的三维裂纹中消耗的能量与具有笔直前缘的平面裂纹的标准模型的裂纹中消耗的能量相等而确定；‑(E4)：在两个连续转换长度(a)之间对有效应力强度因子幅度的转换值进行插值；‑(E5)：存储以这种方式插值的有效应力强度因子幅度的转换值。

技术领域

本发明涉及机械部件中的裂纹扩展分析。这些部件主要用于飞行器，但可以是任何机械构件。扩展限定在具有一系列加载循环的疲劳导致扩展的环境中。

特别地，本发明涉及用于模拟、确定待分析数值建模部件的应力强度因子(下文称为SIF)以及对SIF进行插值的方法和系统。本发明还涉及用于计算待分析部件的使用寿命的方法和系统。

SIF分解为由KI、KII以及KIII表示的三个量值，这三个量值分别对应于裂纹开口模式、平面剪切模式以及反平面剪切模式。

本说明书将针对KI给出，但可适用于其他量值。

数值裂纹扩展方法是非常有效的。例如，扩展有限元(XFEM)或兼容的开裂方法使得可以可靠地预测裂纹扩展路径并计算沿裂纹前缘的SIF。

然而，计算裂纹扩展时的使用寿命一般不包含在商业代码中或与工业要求不兼容。

这就是航空工业通常开发它们自己的用于计算使用寿命的代码的原因，该代码的运算基于裂纹扩展的数值模拟的结果的特定后处理。

对于给定的裂纹尺寸并在裂纹前缘的给定点，SIF是表征裂纹尖端附近的载荷强度的量值。在疲劳加载循环过程中，裂纹将根据该量值的幅度或多或少地快速扩展。

裂纹扩展的数值模拟的作用是提供沿裂纹前缘和针对不同裂纹长度的SIF值。

从该值的列表中，使用寿命计算代码必须能够根据裂纹扩展预测使用寿命。

然而，由于计算能力的原因，扩展增量(即数值模拟计算的迭代)不会取得太小，这意味着不是所有的裂纹长度都被模拟。

因此，为了成功执行使用寿命计算，必须在模拟扩展增量之间对SIF进行插值。因此，必须采用有效的插值方法以便预测相关的使用寿命。

背景技术

回想起来，本案例落在疲劳裂纹模型(即当施加多个加载循环时裂纹的演变的模型)的环境中。

一般通过有限元获得的3D开裂方法使得可以在每个扩展增量处沿裂纹前缘获得SIF以及表征每个扩展增量的几何信息(裂纹前缘的节点坐标以及与裂纹的一个面相关的面和节点)。在实践中，对于每个扩展增量，只有沿裂纹前缘的最大SIF(参见图1，每条曲线上的单个点P1、P2、P3、P4各自表示具有不同扩展增量的裂纹前缘F1、F2、F3、F4)涉及计算使用寿命。为了能够使用这些SIF值，将这些SIF值与相应的裂纹长度匹配是有用的。

随后，使用制表点之间的线性插值获得每个表列值之间的点。

关于这种对SIF进行插值的方法存在两个主要缺点。

第一个缺点涉及如下事实：对于每个扩展增量，在形式中识别的SIF是沿裂纹前缘的最大SIF。换句话说，SIF不一定对应于所识别的前缘的同一点(图1中的点涉及裂纹前缘的不同位置)。因此，使用这种方法不会考虑裂纹的三维几何形状以及裂纹随时间的演变，这必然会影响SIF的演变。

第二个缺点涉及如下事实：这种方法不允许检查扩展增量是否足够细小。已经证明如果扩展增量太粗，则裂纹扩展使用寿命可能不保守。