[发明专利]基于材料R曲线的金属结构疲劳裂纹扩展寿命预测方法

摘要

本发明涉及一种基于材料R曲线的金属结构疲劳裂纹扩展寿命预测模型，技术特征在于：基于材料裂纹扩展阻力曲线（R曲线）及裂纹扩展能量释放率理论，定义疲劳载荷下的有效能量释放率为疲劳裂纹完全张开后用于裂纹扩展的能量，与同一载荷循环中由裂纹扩展阻力曲线表征的消耗能相等，提出了一种能够反映裂纹扩展物理本质的疲劳裂纹扩展寿命预测模型。借助这一模型，可以计算每一载荷循环中的裂纹扩展量，进而通过对裂纹扩展量的累积计算，预测裂纹扩展寿命，适用于工程上对金属结构疲劳裂纹扩展寿命的预测，为结构损伤容限评估提供了一种参考方法。

主权项

1.一种基于材料R曲线的金属结构疲劳裂纹扩展寿命的预测模型，其特征在于步骤如下：步骤1材料R曲线的试验测定：选取与被预测结构相同的金属材料，按照标准《ASTM E561-08Standard Test Method for K-R Curve Determination》或《HB 5261-83金属板材K-R曲线试验方法》，加工中心孔板试件CCT试件，并测量该材料的载荷—裂纹嘴张开位移曲线P-v曲线；步骤2材料R曲线表达式的拟合：步骤（a）、利用柔度法计算裂纹半长a：根据《ASTM E561-08Standard Test Method for K-R Curve Determination》标准，CCT试样柔度计算公式为：2aW=1.2235x-0.669032x2+3.25584x3-6.65042x4+5.54x5-1.166989x6---(1)]]>x=1-exp{-(EBC+η)(EBC-η)2.141}---(2)]]>其中，a为裂纹半长，W为板宽，B为板厚，E为弹性模量，C=v/P为柔度，η=2y/W为引伸计无因次跨距，y为引伸计半跨距；在步骤1所获取的材料P-v曲线线性范围内至少选择20个计算点，对每一计算点(v_i，P_i)计算其与原点v₀之间的割线斜率：(ΔvΔP)i=vi-v0Pi---(3)]]>将割线斜率(Δv/ΔP)_i代入柔度表达式（1）和（2），得到选择点的裂纹长度a_i；步骤（b）、计算裂纹长度a_i下的应力强度因子K_i：将选择点的裂纹长度a_i带入式（4）和式（5）计算得到此裂纹长度下的应力强度因子K_iKi=PBWπaif(aiW)---(4)]]>f(aiW)=sec(πaiW)---(5)]]>步骤（c）、计算选择点的裂纹长度a_i下的裂纹扩展阻力R_i：在裂纹稳定扩展过程中，裂纹扩展阻力R等于能量释放率GRi=Gi=Ki2E---(6)]]>其中，E为材料弹性模量；从而计算得到选择点的裂纹长度a_i下的裂纹扩展阻力R_i；步骤（d）、拟合材料R曲线表达式：将上述步骤中计算的选择点的裂纹长度a_i减去初始裂纹长度a₀得到Δa_i，以Δa_i为横坐标，裂纹扩展阻力R为纵坐标，将所得到的Δa_i与对应的R_i数据绘制在此坐标系中，得到材料R曲线数据点分布，将这些数据点分布拟合成曲线，得到该曲线的表达式即R曲线表达式；拟合R曲线表达式的步骤为：将实验得到的R曲线数据点代入D.Broek的已有的R曲线的表达式：Ri=β(Δai)α-1α---(7)]]>其中，α、β为R曲线形状参数，将式（7）两端取自然对数得lg(Ri)=lgβ+(α-1α)lg(Δai)---(8)]]>令Y_i=lg(R_i)，X_i=lg(Δa_i)，得Yi=lgβ+(α-1α)Xi---(9)]]>以X为横坐标，Y为纵坐标，将X_i、Y_i数据点绘制在坐标系中，根据最小二乘法拟合直线，此直线斜率即为与Y轴交点即为lgβ，从而得到R曲线表达式中的α和β的数值；步骤3建立基于材料R曲线的裂纹扩展模型：Geff=Keff2ERi=β(Δai)α-1αGeff=Ri∂Geff∂ai<∂Ri∂ai---(10)]]>其中：G_eff为在平面应力状态下的I型穿透裂纹，在疲劳载荷下扩展时的有效能量释放率Geff=Keff2E---(11)]]>式中，K_eff是有效应力强度因子，通过裂纹闭合系数U计算得到K_eff=K_max·U(1-R_s)（12）其中，R_s为疲劳载荷应力比，即疲劳载荷谷值与峰值之比；闭合系数U由试验确定，试验确定方法采用西北工业大学马君峰、吕国志发表在《机械科学与技术》期刊第18卷第3期的“一种确定有效应力强度因子ΔK_eff的解析模型”。