[发明专利]一种快速评估表面划痕对结构裂纹扩展寿命影响的方法

权利要求书

1.一种快速评估表面划痕对结构裂纹扩展寿命影响的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立某一深度划痕下结构的含损伤无裂纹三维有限元模型；

(2)在含损伤无裂纹三维有限元模型下划分给定初始裂纹长度a₀下的裂纹尖端奇异元单元，并计算出对应的裂纹尖端应力强度因子K₀；

(3)对所述裂纹进行逐级扩展，并计算不同裂纹长度下的裂纹尖端应力强度因子以及裂纹扩展寿命，直到裂纹扩展到三维有限元模型2/3宽度时停止裂纹扩展，并计算最终的裂纹扩展寿命N；

(4)获取无划痕时结构的扩展寿命N₀，若划痕部位结构的最终裂纹扩展寿命N与无划痕时结构的扩展寿命N₀的比值在10％以内，则认为该划痕对结构寿命的影响可接受；

(3)具体为：

(3a)计算裂纹尖端应力强度因子K_i状态下裂纹的扩展量Δa_i，更新裂纹长度a_i＝a_i-1+Δa_i，并采用网格自适应单元更新三维有限元模型，计算出裂纹长度为a_i时的裂纹尖端应力强度因子K_i；i的初值为1；

(3b)令i的值加1，反复第(3)步的计算，直至裂纹扩展到三维有限元模型2/3宽度时停止，得到该深度划痕下裂纹长度与应力强度因子的关系曲线，并根据所述关系曲线计算该深度划痕下结构的最终的裂纹扩展寿命N_i；

计算出裂纹长度为a_i时的裂纹尖端应力强度因子K_i：

其中，β为修正因子，σ为参考应力；

根据所述关系曲线计算该深度划痕下结构的最终裂纹扩展寿命N_i：

其中，C，m,q,n为与结构材料相关的常数，Z为最小应力因子。

2.根据权利要求1所述的一种快速评估表面划痕对结构裂纹扩展寿命影响的方法，其特征在于，改变(1)中的划痕深度，得到对应划痕深度下裂纹长度与应力强度因子的关系曲线，并计算该深度划痕下结构的裂纹扩展寿命N’，若划痕部位结构的裂纹扩展寿命N’与无划痕时结构的扩展寿命N₀差别在10％以内，则认为该深度划痕对结构寿命的影响可接受。

3.根据权利要求1所述的一种快速评估表面划痕对结构裂纹扩展寿命影响的方法，其特征在于，改变(1)中的划痕深度具体为：选取4种划痕深度与结构厚度不同比值下的划痕，包括2.5％、5％、7.5％和10％四种厚度比例。

4.根据权利要求1所述的一种快速评估表面划痕对结构裂纹扩展寿命影响的方法，其特征在于，(1)中，含损伤无裂纹三维有限元模型具体为：

建立带孔中心板的实体模型，在孔边应力最大点预制“V”型缺口，以模拟尖锐物体对结构表面造成的划伤，且模型一端固支，一端施加均布载荷。

5.根据权利要求1所述的一种快速评估表面划痕对结构裂纹扩展寿命影响的方法，其特征在于，(4)具体为：

(4a)选取某一深度划痕下，四种不同裂纹长度对应的裂纹扩展寿命，分别求四种不同裂纹长度对应的裂纹扩展寿命与无划痕时结构的扩展寿命N₀的比值，作为裂纹扩展加速量，得到该深度划痕下，以裂纹扩展加速量为纵坐标，裂纹长度为横坐标的关系曲线；

(4b)重复(4a)，得到不同深度划痕下，以裂纹扩展加速量为纵坐标，裂纹长度为横坐标的关系曲线；

(4c)若在某一划痕深度下，某一裂纹长度对应的裂纹扩展加速量在10％以内，则认为该深度划痕以及裂纹长度对结构寿命的影响可接受。