[发明专利]一种模拟疲劳裂纹扩展中超载迟滞效应模型的设计方法

摘要

一种模拟疲劳裂纹扩展中超载迟滞效应的模型，以裂纹尖端所处位置来判断裂纹扩展状态，根据迟滞状态的判断条件，采用分段函数的形式推得无迟滞应力强度因子的表达式。将材料的超载截止比视为疲劳载荷应力比的函数。在考虑压缩超载对拉伸超载所产生的迟滞效应的削弱作用时，引入削弱因子，对超载影响区内的残余应力强度因子进行修正。经试验验证，模型计算得到的寿命值与试验值的相对误差均在±5％以内。

主权项

一种模拟疲劳裂纹扩展中超载迟滞效应的模型，其特征在于，具体过程是：步骤1，确定超载影响区内无迟滞应力强度因子；所确定的超载影响区内无迟滞应力强度因子K*的表达式为K*=KOL[ρOL-ρ1ρOLρrevΔa+ρ1ρOL]120≤Δa≤ρrevKOL[ρ2-ρOLρOL(ρOL-ρrev)Δa+ρOL2-ρ2ρrevρOL(ρOL-ρrev)]12ρrev<Δa≤ρOL---(21)]]>公式(21)中，Δa为施加超载后裂纹扩展量，ρrev为拉伸超载作用后的反向塑性区尺寸，ρOL为拉伸超载作用后的单调塑性区尺寸，KOL为拉伸超载的应力强度因子；ρ1为施加超载点疲劳载荷的单调塑性区尺寸，ρ2为超载迟滞结束点疲劳载荷的单调塑性区尺寸；步骤2，确定当前应力比下的超载截止比；所确定的当前应力比下的超载截止比γSR的表达式为γSR=3γS0-2R+(2R-3γS0)2+12R26---(29)]]>公式(29)中，γS0为应力比为零时的超载截止比，R为应力比；步骤3，确定压缩超载的削弱因子；所确定的压缩超载的削弱因子r的表达式为r=Δρ2Δρ1---(31)]]>公式(31)中，Δρ1为拉伸超载作用后的残余单调塑性区尺寸，即单调塑性区尺寸与反向塑性区尺寸之差；Δρ2为拉压超载作用后的残余单调塑性区尺寸，即单调塑性区尺寸减去反向塑性区尺寸和拉伸超载与压缩超载之间的裂纹扩展量Δa′的差值；步骤4，计算结构的疲劳裂纹扩展寿命；通过公式(37)确定有效应力强度因子最大值Keff,max和有效应力强度因子最小值Keff,minKeff,max=Kmax-rφ(K*-Kmax)Keff,min=Kmin-rφ(K*-Kmax)---(37)]]>公式中，Keff,max为有效应力强度因子最大值，Keff,min为有效应力强度因子最小值，Kmax为疲劳载荷的最大应力强度因子，Kmin为疲劳载荷的最小应力强度因子，φ为考虑超载截止比的修正项；将确定的有效应力强度因子最大值Keff,max和有效应力强度因子最小值Keff,min代入公式(38)，得到有效应力比ReffReff=Keff,minKeff,max---(38)]]>以得到的有效应力强度因子最大值Keff,max替代Walker公式(36)中的Kmax，以得到的有效应力比Reff替代Walker公式(36)中的R，通过Walker公式(36)计算得到当前裂纹长度下的扩展速率da/dN=C[Kmax(1-R)q]pR≥0C[Kmax(1-R)t]pR<0---(36)]]>公式(36)中，da/dN为裂纹扩展速率；C，p，q，t均为通过等幅疲劳裂纹扩展试验结果拟合得到的材料常数；从初始裂纹长度开始，根据试件所受载荷情况，利用公式(37)和公式(38)分别计算有效应力强度因子最大值Keff,max和有效应力比Reff；若Keff,max≤0，则裂纹扩展速率da/dN＝0，否则将Keff,max和Reff代入Walker公式(36)中，代替公式(36)中的Kmax和R，计算当前裂纹长度下的裂纹扩展速率da/dN，即一次循环的裂纹扩展量，将该扩展量累加至裂纹长度a上，作为新的裂纹长度，即a＝a+da/dN，并将该扩展量累加至超载后裂纹扩展量Δa上，作为新的超载后裂纹扩展量，即Δa＝Δa+da/dN，同时循环数累加一次，重复上述过程，直至裂纹长度a达到终止裂纹长度，此时的循环数即为结构的疲劳裂纹扩展寿命。