[发明专利]一种考虑激光冲击强化效果的疲劳寿命预测方法

说明书

本发明公开了一种考虑激光冲击强化效果的疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：针对激光冲击强化后的材料，获取其表面强化后的残余应力场、加工硬化场分布；将激光冲击强化引起的残余应力场和加工硬化场引入到有限元模型中，通过有限元模拟疲劳载荷下应力应变分布和演化，且基于临界面法建立起SWT损伤参量；将残余应力、加工硬化考虑到SWT疲劳寿命预测准则中；对于修正的SWT疲劳寿命预测准则中的未知材料参数，拟合得到修正SWT疲劳寿命预测准则中的材料参数；利用得到的修正的SWT疲劳寿命预测准则对激光冲击强化后的材料疲劳寿命进行预测。本发明实现了对激光冲击强化结构进行准确的寿命预测。

技术领域

本发明涉及一种能够考虑激光冲击强化后引起的残余应力场和加工硬化场的影响的疲劳寿命预测模型，属于结构强度及有限元数值模拟领域。

背景技术

航空发动机涡轮盘在工作状态时受到高温、高应力的作用，虽然在设计过程中保证了涡轮盘的绝大部分在工作时处于弹性状态，但是如涡轮盘的孔边位置、榫槽连接部位为应力集中区域，往往在工作时处于塑性状态，从而容易成为裂纹萌生位置导致轮盘发生疲劳失效。为了降低涡轮盘由应力集中部位带来的疲劳失效的风险，可对其危险部位进行激光冲击强化处理，引入较深的残余应力场、明显的加工硬化和表面晶粒细化的效果。K.S.CHIN等人在文献“Thermal stress relaxation in shot peened and laser peenednickel-based superalloy”中的研究表明激光冲击强化后的镍基高温合金，其残余应力场在高温下具有良好的稳定性，同时江苏大学的Jie Sheng等在文献“Influence of laserpeening on the high-temperature fatigue life and fracture of Inconel718nickel-based alloy”中的研究表明激光冲击强化后的镍基高温合金在高温下的疲劳寿命也会被显著提高。以上均说明了激光冲击强化技术在航空发动机技术领域具有较大的应用前景。

目前，对激光冲击强化后的各种金属材料在不同条件下的疲劳性能研究已经有较多的成果，但在激光冲击强化后的材料的疲劳寿命预测模型方面的专利较少，目前只有申请号为CN202110067373.0的专利“激光冲击强化构件裂纹扩展寿命快速预测方法和装置”考虑激光冲击强化对构件扩展寿命的影响，尚无激光冲击强化对材料全寿命预测方面的技术，因此需积极开发考虑激光冲击强化效果的材料结构的疲劳寿命预测模型。

发明内容

本发明的目的是提供一种考虑激光冲击强化效果的疲劳寿命预测方法，考虑了激光冲击强化引起的残余应力场、加工硬化场的影响，实现了对激光冲击强化后结构的疲劳寿命的准确预测，能够服务与支撑航空发动机涡轮构件激光冲击强化处理和疲劳寿命预测。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种考虑激光冲击强化效果的疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：

(1)针对激光冲击强化后的材料，获取其表面强化后的残余应力场、加工硬化场分布；

(2)将步骤(1)获取的激光冲击强化引起的残余应力场和加工硬化场引入到有限元模型中，通过有限元模拟疲劳载荷下应力应变分布和演化，且基于临界面法建立起SWT损伤参量；

(3)将残余应力、加工硬化考虑到SWT疲劳寿命预测准则中，该准则中考虑了激光冲击强化引起的残余应力、表面加工硬化对材料的疲劳寿命的影响；

(4)对于步骤(3)获得的修正的SWT疲劳寿命预测准则中的未知材料参数，拟合得到修正SWT疲劳寿命预测准则中的材料参数；

(5)利用得到的修正的SWT疲劳寿命预测准则对激光冲击强化后的材料疲劳寿命进行预测。

所述步骤(1)中，残余应力场、加工硬化场的通过对激光冲击强化材料进行试验获取。