[发明专利]用于计算合金表面划伤缺陷底部应力集中系数的方法

说明书

本发明公开了一种用于计算合金表面划伤缺陷底部应力集中系数的方法，首先建立缺口问题的弹性力学模型，得到不同深度缺口对应的应力集中函数；然后使用有限元软件ABAQUS建立合金表面划伤和后继加载仿真计算模型，划伤模型采用断裂应变控制工件被划部分单元的破坏和消除，后继加载在划伤模型基础上计算，自然考虑了划伤处的局部残余应力和局部塑性应变对应力集中的影响；最后根据有限元数值分析得到的局部应力结果，对应力集中系数表达式进行修正，得到应力集中系数修正公式。本发明提供了评估合金材料表面划伤的应力集中系数的方法和公式，为含表面划伤缺陷的该种材料结构的疲劳寿命分析提供了依据。

技术领域

本发明涉及金属结构和材料疲劳断裂研究领域，尤其涉及一种用于计算合金表面划伤缺陷底部应力集中系数的方法。

背景技术

金属(合金)结构的疲劳寿命与其存在的缺陷密切相关，航空结构的设计正从传统的安全寿命方法向损伤容限和缺陷容限法转变。缺陷容限分析依赖于缺陷处的局部应力、应变状态的分析。

表面划伤是金属结构最常遇到的缺陷之一，在制造和使用阶段均可能发生，会对其疲劳寿命造成很大影响。表面划伤不仅会产生应力集中，而且在划伤的过程中还造成局部的残余应力和塑性变形，这些都会对应力集中产生影响。目前划伤等缺陷造成的应力集中分析部完善，现有的一些工作是完全基于弹性力学分析的，没有考虑上述局部的残余应力和塑性变形影响，因此实际上不能准确反映真实的情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种用于计算合金表面划伤缺陷底部应力集中系数的方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

用于计算合金表面划伤缺陷底部应力集中系数的方法，包含以下步骤：

步骤1)，根据缺口附近的弹性应力场函数，进而推出应力分量的方程，通过引入边界条件求得对称拉伸载荷下缺口附近的应力场的通解，得到缺口底部应力集中系数的表达式，得到不同底部半径和深度的缺口对应的应力集中函数；

步骤2)，使用ABAQUS软件创建刀具和工件模型，设置刀具为刚体，工件为弹塑性体，通过vumate子程序设置断裂应变控制单元的破坏和消除，刀具与工件之间定义面面接触,划痕的尺寸由底部半径R和深度D表征；非线性动力学计算产生划痕后，采用重启动分析方法导入划伤后的模型，此模型包含了划伤过程的残余应力和塑性应变信息，随后施加垂直于划痕方向的拉伸载荷，划伤模型采用断裂应变控制工件被划部分单元的破坏和消除，后继加载在划伤模型基础上计算，考虑了划伤处的局部残余应力和局部塑性应变对应力集中的影响，得到有限元模拟的多组不同底部半径R、深度D的划伤后继加载底部应力集中系数的数值结果；

步骤3)，对弹性力学缺口底部应力集中系数表达式进行修正，引入修正参数；根据有限元模拟的多组不同底部半径R、深度D的划伤后继加载底部应力集中系数的数值结果，拟合出修正参数随R、D的变化函数，根据有限元数值分析得到的局部应力结果，对步骤1)中的应力集中系数表达式进行修正，得到修正过后的应力集中系数。

作为本发明用于计算合金表面划伤缺陷底部应力集中系数的方法进一步的优化方案，步骤1)的详细步骤如下：

令缺口附近弹性应力场为：

ψ(z)＝bz^λ+cz^μ

式中，a、b、c、d是复数形式，λ和μ是实数，λ＞0且λ＞μ；

推出应力分量的表达式如下：