[发明专利]一种金属材料疲劳裂纹扩展预测方法

摘要

本发明属于金属材料损伤容限设计技术，涉及一种金属材料疲劳裂纹扩展预测方法。预测疲劳裂纹扩展的步骤如下：确定裂纹扩展中裂尖附近残余应力应变场分布；计算残余应力强度因子；确定变幅载荷的处理方法；建立疲劳裂纹扩展模型。本发明提出了一种金属材料疲劳裂纹扩展预测方法，提高了对疲劳裂纹扩展的预测精度，扩大了适用范围，满足了现代飞机结构设计的需要。

主权项

一种金属材料疲劳裂纹扩展预测方法，其特征在于，预测疲劳裂纹扩展的步骤如下：1.1、确定裂纹扩展中裂尖附近残余应力应变场分布：采用有限元分析方法，得到裂纹尖端在循环加载情况下的残余应力场分布；1.2、计算残余应力强度因子：先由有限元分析结果得出裂尖附近残余应力场在小范围内呈大梯度变化，出现波谷与波峰的组合，再用高斯模型+指数衰减模型表征残余应力场，然后采用Wu‑Calsson的二维权函数方法计算残余应力强度因子Kres；1.3、确定变幅载荷的处理方法：1.3.1、确定循环载荷的残余应力影响范围：对载荷谱的各循环载荷进行独立分析，分别计算每个循环载荷产生的残余应力强度因子Kres的沿着裂纹方向的分布曲线，该曲线横坐标为裂纹长度，纵坐标为残余应力强度因子，定义曲线中纵坐标不为0的那一段沿横坐标的线段为该循环载荷的残余应力影响范围；1.3.2、残余应力强度因子过滤：将任意一个残余应力强度因子的影响范围与之前所有的循环载荷产生的应力强度因子影响范围进行比较，若该残余应力强度因子的影响范围包含在之前某个循环载荷产生的应力强度因子影响范围之内，则认定该残余应力强度因子属于不予考虑的残余应力强度因子，不考虑该残余应力强度因子对裂纹扩展的影响；据此认定：对裂纹扩展有影响的残余应力是位于该残余应力强度因子之前施加的所有循环载荷产生的残余应力强度因子的线性叠加；1.3.3、将任意一个残余应力强度因子的影响范围与之前所有的循环载荷产生的应力强度因子影响范围进行比较，若该残余应力强度因子的影响范围未包含在之前任意一个循环载荷产生的应力强度因子影响范围之内，则认定该残余应力强度因子对裂纹扩展有影响，据此认定：对裂纹扩展有影响的残余应力是自该残余应力强度因子起、之前施加的所有循环载荷产生的残余应力强度因子的线性叠加；1.3.4、将任意一个残余应力强度因子的影响范围与之前所有的循环载荷产生的应力强度因子影响范围进行比较，若该残余应力强度因子的影响范围超出了之前所有循环载荷产生的残余应力强度因子影响范围，则认定仅考虑该残余应力强度因子对裂纹扩展的影响；1.4、建立疲劳裂纹扩展模型：疲劳裂纹扩展模型可由下式描述dadN=g(ΔKeff)=g(ΔK+Kres)]]>其中，是裂纹扩展速率，ΔKeff为有效应力强度因子幅，函数g(·)为基于ΔKeff的Paris公式，ΔK为当前循环载荷产生的应力强度因子幅，Kres为基于步骤1.3计算得到的残余应力强度因子。