[发明专利]一种多尺度疲劳裂纹萌生寿命仿真预测方法

权利要求书

1.一种多尺度疲劳裂纹萌生寿命仿真预测方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、材料初始状态分析，针对具体工程材料，通过试验获得材料的初始状态；

步骤2、分子动力学仿真分析，基于步骤1得到的材料微观组织结构和化学组成，建立对应的分子动力学单晶模型，并对该模型进行加载，获得单晶模型的三维刚度矩阵、剪切模量、泊松比、临界分切应力、裂纹萌生能，晶体滑移系信息；

步骤3、刚度矩阵二维变换，根据步骤2得到的单晶模型三维刚度矩阵，根据实际模型内的晶体取向，对三维刚度矩阵进行坐标变换，得到相应的二维刚度矩阵；

步骤3的具体实现方法为：

步骤3.1、生成随机取向：

根据步骤1中获得的材料晶体织构信息，采用相应的随机函数获得随机晶粒的欧拉角α,β,γ；

步骤3.2、坐标变换矩阵：

根据步骤3.1中得到的欧拉角α,β,γ，得到相应晶粒的坐标变换矩阵T_R；

步骤3.3、刚度矩阵变换：

根据步骤3.2中得到的坐标变换矩阵，对步骤2中得到的单晶材料三维刚度矩阵进行坐标变换，获得任意取向晶粒的二维刚度矩阵；

步骤4、确定取向因子SF，根据步骤2中得到的晶体滑移系，根据材料的实际受力情况，确定材料的取向因子；

步骤4的具体实现方法为：

步骤4.1、确定滑移面和滑移方向：

根据步骤2中得到的晶体滑移系，得到晶体的滑移面{HKL}和滑移方向UVW；

步骤4.2、滑移系坐标变换：

根据步骤3中得到的坐标变换矩阵，对步骤4.1中得到的滑移面{HKL}做坐标变换得到宏观坐标系下的滑移面{H₁K₁L₁}，同样对UVW做坐标变换得到宏观滑移方向U₁V₁W₁；

{H₁K₁L₁}^T＝T_R{HKL}^T (1)

U₁V₁W₁^T＝T_RUVW^T (2)

步骤4.3、确定宏观取向因子SF：

取向因子其中，为外加载荷方向与宏观滑移面法向的夹角，θ为外加载荷与宏观滑移方向之间的夹角；

当外加载荷方向为abc，由步骤4.2得每个晶粒对应的宏观滑移面法向为{H₁K₁L₁}，宏观滑移方向为U₁V₁W₁，采用向量表达得到相应晶粒的取向因子：

步骤5、确定裂纹方向，根据步骤4.2中得到的宏观滑移面法向{H₁K₁L₁}，当宏观有限元模型平面法向为{MNP}时，二平面的交线即为裂纹位置和方向，通过两个面法向叉乘得到裂纹方向向量{ABC}为：

{ABC}＝{H₁K₁L₁}×{MNP} (4)

步骤6、有限元多晶模型仿真分析，根据步骤1中获得的晶粒尺寸，采用Voronoi多边形方法，生成相应晶粒大小的多晶模型，同时根据步骤3中获得的刚度矩阵，仿真得到在给定载荷条件下的应力分布；

步骤6的具体实现方法为：

步骤6.1、建立试样等比例模型：

根据试样的实际受力情况，建立等比例的有限元模型，仿真并得到材料在单次疲劳加载下的变形和应力分布情况；

步骤6.2、建立多晶模型：

针对试样裂纹萌生危险区域，根据步骤1中获得的晶粒尺寸和晶体织构信息，采用Voronoi方法，建立相应的多晶有限元几何模型，同时，根据步骤3中获得的晶粒刚度矩阵，建立相应的各向异性本构物理模型；

进一步的，采用子模型的方法，根据步骤6.1中得到的变形情况，建立相应的边界约束条件；

步骤6.3、仿真分析：

提交步骤6.2中所建立的有限元模型，并得到各晶粒的应变和应力场，同时，提取并输出节点的坐标、应力以及多晶模型几何信息；

步骤7、确定疲劳裂纹萌生寿命，根据步骤2中分子动力学仿真得到的晶粒剪切模量，裂纹萌生能，临界分切应力信息，根据Tanaka-Mura模型，得到疲劳裂纹萌生寿命；

步骤7的具体实现方法为：

步骤7.1、确定分切应力

根据步骤6中输出的节点应力信息，提取节点各个方向的受力情况，得到各节点所受合力F，同时，根据步骤4.3中得到的宏观取向因子，得到节点的分切应力：

步骤7.2、确定裂纹长度d_s：

根据步骤6中输出的多晶模型几何信息和节点坐标信息，根据节点坐标得到节点所在的晶粒编号和相应晶粒的几何信息，结合步骤4中得到的裂纹方向，得到裂纹和相应晶粒的两个交点P₁＝(x₁,y₁)和P₂＝(x₂,y₂)，由此得到模型内各节点对应的裂纹长度：

步骤7.3、确定疲劳裂纹萌生寿命N_s：

根据Tanaka-Mura模型，代入步骤2中得到的剪切模量μ，裂纹萌生能W_c，临界分切应力CRSS，泊松比v以及步骤7.1和步骤7.2中得到的各节点对应的分切应力和裂纹长度d_s，得到的疲劳裂纹萌生寿命：