[发明专利]一种多尺度疲劳裂纹萌生寿命仿真预测方法

说明书

本发明公开的一种多尺度疲劳裂纹萌生寿命仿真预测方法，属于工程材料疲劳失效分析领域。本发明的一种多尺度疲劳裂纹萌生寿命仿真预测方法：通过表面完整性、微观组织以及化学成分的材料初始状态分析，分子动力学仿真分析，刚度矩阵二维变换，取向因子确定，裂纹方向确定，有限元多晶模型仿真分析，最终确定疲劳裂纹萌生寿命。本发明采用坐标变换的方法，实现从三维刚度矩阵到二维刚度矩阵的转换，同时实现晶粒取向因子的坐标变换；本发明采用原子尺度分子动力学模型、微观尺度多晶有限元模型和宏观尺度有限元模型不同尺度相结合的方法，能够准确的预测疲劳裂纹萌生位置、方向、以及疲劳裂纹萌生寿命，对于疲劳失效分析具有巨大的应用价值。

技术领域

本发明涉及一种多尺度疲劳裂纹萌生寿命仿真预测方法，属于工程材料疲劳失效分析领域。

背景技术

随着对于设备运行可靠性要求的不断提升，关键件的疲劳失效成为亟待解决的关键问题。疲劳失效通常分为两个阶段，分别为疲劳裂纹萌生阶段和疲劳裂纹扩展阶段。其中，疲劳裂纹萌生阶段往往占据构件疲劳寿命的大部分，尤其针对高周和超高周疲劳问题，疲劳裂纹萌生寿命占据构件疲劳寿命的90％以上。因此，对构件的疲劳裂纹萌生寿命进行准确的预测有着十分重要的意义。

传统的疲劳裂纹萌生寿命预测方法，主要有名义应力法、局部应变法、局部应力-应变法等。传统疲劳裂纹萌生寿命预测方法以宏观的应力场和应变场，针对缺陷区域进行分析，结合S-N曲线，最终得到缺陷区域的疲劳裂纹萌生寿命。传统疲劳裂纹萌生寿命的预测方法依赖于S-N曲线，并且未能考虑到表层材料微观组织、应力状态对于疲劳寿命的影响，预测结果有较大的误差，并且还需要大量的试验数据。

针对上述缺陷，日本的Mura等人提出Tanaka-Mura模型，该模型从晶粒内的位错运动出发，以裂纹萌生能作为判据，根据晶粒相应滑移系的分切应力得到疲劳裂纹萌生寿命。该方法相对于传统预测模型，从微纳观尺度位错运动出发，得到的结果更加具有说服力。但是由于材料的临界分切应力、裂纹萌生能、晶粒材料本构等参数难以获得的原因，极大的限制该模型的实际应用。

发明内容

针对传统疲劳裂纹萌生寿命预测模型不能考虑微观组织的影响、预测结果不准确的问题，本发明基于Tanaka-Mura模型，提出一种多尺度疲劳裂纹萌生寿命仿真预测方法，考虑微观组织、残余应力、表面粗糙度的影响，从原子尺度的分子动力学仿真分析出发，最终建立考虑实际微观组织的有限元多晶模型，并在有限元多晶模型仿真的结果上，对疲劳裂纹萌生寿命进行预测，预测结果准确，仿真效率高。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种多尺度疲劳裂纹萌生寿命仿真预测方法，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1的具体实现方法为：

步骤1.1、表面完整性分析：

通过白光干涉仪、激光共聚焦显微镜、粗糙度仪获得材料的初始表面粗糙度。通过X射线衍射、超声波对材料残余应力进行测量，获得残余材料内残余应力的分布。

步骤1.2、微观组织分析：

采用光学显微镜、扫描电镜、电子背散射，对材料的微观组织进行观察和测量，获得材料的晶粒尺寸、晶体织构、组织结构信息。

步骤1.3、化学成分分析：

采用化学分析法、光谱分析法对材料的化学成分进行测量，得到材料内各化学元素的组分。

步骤2、分子动力学仿真分析：