[发明专利]一种基于应力的多轴小裂纹全寿命预测方法

摘要

本发明公开了一种基于应力的多轴小裂纹全寿命预测方法，涉及多轴疲劳强度理论领域，该算法步骤为：(1)选取最大剪应变范围所在平面为临界面，利用该临界面上的损伤参量来来表征短裂纹扩展驱动力；(2)基于剪切型多轴疲劳损伤参量，建立适用于多轴应力状态下的等效裂纹应力强度因子；(3)通过拟合单轴加载下的短裂纹扩展速率数据，得出单轴短裂纹扩展曲线；(4)对裂纹尖端进行塑性区尺寸修正，通过断裂力学方法计算短裂纹扩展寿命。本方法基可以很好的描述非比例加载对裂纹扩展的影响。结果说明该方法可以较好的预测多轴比例、非比例加载下短裂纹扩展寿命。

主权项

1.一种基于应力加载下的多轴小裂纹全寿命预测模型，其特征在于：该模型的实现步骤为：步骤1)：薄壁管件在多轴应力加载下，裂纹萌生于最大剪应力幅、较大正应力所在的平面；选取该平面为临界面，并利用临界面上的损伤参量来表征小裂纹扩展驱动力；步骤2)：基于拉伸型多轴疲劳损伤参量，对原始的单轴J积分公式进行扩展与修正，建立适用于多轴应力状态下的有效J积分计算公式；该计算公式以临界面为基础，取临界面上的最大正应力和剪应力幅值，用Newman闭合公式来考虑裂纹闭合，并用类Mises公式合成等效应力来考虑塑性区域对裂纹扩展的影响；具体的裂纹扩展驱动力J积分公式为：其中，a为半裂纹长度，E为弹性模量，G为剪切模量，υ为泊松比，n′为循环硬化指数，YI和YII是Irwin形状几何因子，Δσn，eff为考虑了闭合后的有效正应力，Δτn为剪应力幅值，Δσeff为考虑了闭合后的类Mises等效应力，Δεpl.eff为Δσeff所对应的塑性应变，由Ramberg‑Osgood公式求出；步骤3)：通过单轴拉压试验中获得的恒幅下试件寿命和与之对应的裂纹长度数据，通过计算得到有效J积分与裂纹扩展速度之间的双对数曲线，并由此拟合出裂纹扩展的单轴Paris常数c和m，并以此为基线进行下一步计算；Paris形式的裂纹扩展曲线公式如下：其中，是裂纹扩展速率，c，m为单轴Paris常数；步骤4)：确定裂纹初始尺寸，选用Michael Vormwald提出的用材料的S‑N曲线来拟合虚拟的裂纹初始尺寸来考虑材料缺陷因素；具体方法是在S‑N曲线中选取尽可能多的点(σi，0，Ni)，对每一个点用下方第一个公式计算一次ai，0，最后取所有ai，0的算术平均值，即得虚拟的裂纹初始尺寸a0，具体公式如下：n为裂纹拟合点的数量；步骤5)：利用上述的所提的J积分计算模型并基于Paris公式，计算不同应力比、相位角等恒幅加载状态下的小裂纹扩展全寿命，对应的计算公式为：其中，N为试样裂纹扩展寿命，a0为裂纹萌生尺寸，af为最终失效尺寸。