[发明专利]一种多轴变幅加载下疲劳短裂纹扩展寿命预测方法

摘要

本发明公开了一种多轴变幅加载下疲劳短裂纹扩展寿命预测方法，涉及多轴疲劳强度理论领域，该算法步骤为：(1)通过应力加载下的Wang‑Brown多轴循环计数，得到多个半循环，实现每个半循环上都是多轴恒幅加载；(2)针对临界面不固定的特点，通过权值平均最大剪切应力的方法确定权临界面；(3)在权临界面上多轴疲劳短裂纹扩展模型，得到单个变幅载荷块的裂纹扩展量；(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多轴变幅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变幅加载下短裂纹扩展寿命。

主权项

1.一种多轴变幅加载下疲劳短裂纹扩展寿命预测方法，其特征在于：该方法的实现步骤为：步骤1)：多轴变幅载荷的处理与多轴循环计数；在多轴变幅加载的情况下，通过基于应力加载下的Wang‑Brown多轴循环计数，得到多个半循环，每个半循环上都是多轴恒幅加载；实现多轴变幅载荷向多轴恒幅载荷的转换；步骤2)：权临界面的确定；针对Wang‑Brown多轴计数后，临界面不固定的特点，通过权值平均最大剪切应力的方法确定临界面；薄壁管件在多轴恒幅加载状态下，裂纹主要萌生于最大剪应力范围所在的平面；选取权值平均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表征短裂纹扩展驱动力具有明确的物理意义；步骤3)：权临界面上多轴疲劳短裂纹扩展模型；得到临界面上的剪应力和正应力时间历程，从而得到临界面上短裂纹扩展的两个参数，即每个半循环时间内的最大剪切应力幅Δτ_max和最大剪切应力折返点间的法向应力程利用Mises等效方法将临界面上的两个短裂纹扩展因子进行单轴化等效合成，从而将多轴疲劳问题转化为单轴疲劳问题，该等下应力强度因子ΔK_eff公式为：其中，Δτ_max为每个半循环时间内的最大剪切应力幅，为最大剪切应力折返点间的法向应力程，a为半裂纹长度，U为裂纹闭合系数，Y为半椭圆表面裂纹修正系数，φ为第二类完全椭圆积分,Δσ_eq为等效应力；通过拟合单轴加载下的短裂纹扩展速率与应力强度因子数据，得出单轴短裂纹扩展曲线，并以此为基线进行下一步计算；因为Wang‑Brown多轴循环计数结果是半循环，所以Paris公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；一个多轴变幅载荷块通过Wang‑Brown多轴循环计数，得到该载荷块下在临界面上多个半循环加载，每个半循环加载相应产生的裂纹扩展量就为Δa1,Δa2,Δa3,……,Δam，一个载荷谱块作用下所产生的裂纹总的增加量则为：Δa＝Δa1+Δa2+Δa3+……+Δam其中，m为该载荷块多轴计数后半循环的个数；步骤4)：疲劳短裂纹扩展的寿命预测，通过断裂力学方法计算短裂纹扩展寿命：(1)确定裂纹初始尺寸，选取材料微观结构障碍尺度为短裂纹初始长度，该尺寸与材料晶粒尺寸相关；(2)对短裂纹扩展量进行循环迭代，对下式进行积分，可得短裂纹扩展寿命：其中，N为试样寿命，ai为初始长度，af为最终裂纹长度。