[发明专利]多尺度框架下的低周疲劳裂纹萌生及扩展行为预测方法

说明书

本发明公开了一种基于多尺度框架下的低周疲劳裂纹萌生及扩展行为预测方法，涉及可靠性评估技术领域。本发明具体包括以下步骤S1：提出一种多尺度框架下低周疲劳裂纹萌生及扩展损伤计算方法：S2：利用S1中的计算方法计算确定最大损伤所在滑移系以及所有滑移系的累积损伤；S3:当累积损伤到达临界值时，裂纹沿最大损伤所在滑移系的方向萌生及扩展；S4：多次计算，直至预测得到的裂纹长度满足试验条件下低周疲劳试样的断裂长度。本发明可有效地解决现有预测方法中无法考虑裂纹萌生行为、裂纹扩展行为与微观结构无关的局限性，为应用在低周疲劳条件下重要部件断裂机理的评估提供一种新的方法。

技术领域

本发明涉及可靠性评估技术领域，更具体涉及一种多尺度框架下的低周疲劳裂纹萌生及扩展行为预测方法。

背景技术

随着对结构件可靠性研究的不断深入，材料在承受循环载荷下出现的低周疲劳失效行为是研究人员不得不面对的一个重要问题。裂纹萌生和裂纹扩展是低周疲劳失效行为研究中的两个重要组成部分。其中，裂纹萌生寿命约占试样低周疲劳寿命的40％～60％，裂纹扩展速率由短裂纹向长裂纹转变时会出现明显的波动。这些重要现象无法在传统疲劳试验中被直接观察到，特别是在高温低周疲劳试验中。而原位低周疲劳试验存在成本高、试样尺寸较小等问题，且与大尺寸试样裂纹扩展行为建立联系时，存在一定的局限性。因此，如何准确预测低周疲劳裂纹萌生及扩展行为对揭示低周疲劳损伤断裂机理具有重要意义。

低周疲劳断口形貌呈现出典型的穿晶断裂特征，裂纹形貌不规则且扩展方向的随机性较强。目前针对低周疲劳条件下裂纹扩展行为预测方法主要是基于扩展有限元技术，认为裂纹扩展方向与最大应力/应变方向一致。然而，这种预测方法通常需要在模型中预置一条裂纹，无法预测裂纹萌生行为。并且，裂纹扩展方向沿最大应力/应变方向的假设忽略了微观结构对低周疲劳裂纹萌生及扩展行为的影响。因此，将疲劳过程中微观滑移带对裂纹萌生及扩展行为的影响耦合至预测模型，开发一种多尺度框架下的低周疲劳裂纹萌生及扩展行为预测方法，对于揭示低周疲劳微观断裂机理具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于针对低周疲劳断裂机理预测发展的需求，提出了一种多尺度框架下的低周疲劳裂纹萌生及扩展行为预测方法，该方法可有效地解决现有预测方法中无法考虑裂纹萌生行为、裂纹扩展行为与微观结构无关的局限性，为应用在低周疲劳条件下重要部件断裂机理的评估提供一种新的方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于多尺度框架下的低周疲劳裂纹萌生及扩展行为预测方法，包括以下步骤：

S1：提出一种多尺度框架下低周疲劳裂纹萌生及扩展损伤计算方法：

其中是低周疲劳裂纹萌生损伤速率，是低周疲劳裂纹扩展损伤速率，m是滑移系数量，G是剪切模量，v是泊松比，d是平均晶粒直径，γ_n,m,e是滑移系m上的有效剪切应变，τ_n,m,e是滑移系m上的有效剪切应力，w_m,ctirical是每个滑移系对应的断裂能，ξ是材料参数，λ_d是位错平均自由程；

S2：利用S1中的计算方法计算确定最大损伤所在滑移系以及所有滑移系的累积损伤；

S3:当累积损伤到达临界值时，裂纹沿最大损伤所在滑移系的方向萌生及扩展；

S4：多次计算，直至预测得到的裂纹长度满足试验条件下低周疲劳试样的断裂长度。

可选的，还包括建立考虑微观结构的低周疲劳有限元模型

利用各个晶粒的取向和材料宏观力学响应，计算各个晶粒内部不同滑移系上的有效剪切应力与有效剪切应变。

可选的，有效剪切应力与有效剪切应变计算公式如下：