[发明专利]一种基于小裂纹扩展速率模型的疲劳寿命预测方法

摘要

一种基于小裂纹扩展速率模型的疲劳寿命预测方法，属于机械结构疲劳诊断分析技术领域。对试样进行不同应力加载及不同应力比下的疲劳小裂纹扩展复型试验，用割线法计算小裂纹扩展速率；采用Burdekin模型计算单调载荷下裂纹尖端张开位移，采用修正的公式计算有效平均裂纹尖端张开位移；确定小裂纹扩展速率公式；确定初始裂纹尺寸a0和临界裂纹尺寸ac；对小裂纹扩展速率模型进行积分，得到构件的疲劳寿命。该方案能够更简单、准确地预测搅拌摩擦焊构件的疲劳寿命。

主权项

1.一种基于小裂纹扩展速率模型的疲劳寿命预测方法，其步骤为：步骤1)：对待测材料取标准疲劳试样进行不同应力比，不同应力水平下的疲劳小裂纹扩展复型试验，采用割线法计算小裂纹扩展速率，公式如下：其中ΔN为循环区间，Δa为裂纹长度变化，ai为在循环数为Ni时的裂纹长度；步骤2)：采用Burdekin公式计算单调载荷下裂纹尖端张开位移φm：其中a为表面裂纹长度，e为裂纹尖端处名义应变，es为屈服应变量；es为屈服应变量，公式如下：其中Ys为屈服强度，E为弹性模量；e为裂纹尖端处名义应变，采用试验方法测得裂纹尖端的名义应变e或者采用试件结构的有限元模型计算裂纹尖端处名义应变e。步骤3)：为了有效地计算裂尖张开位移大小，基于邓国坚的求解循环载荷下引起的循环裂纹尖端张开位移φc，公式如下：对裂纹尖端塑性张开位移进行修正，采用单轴拉伸曲线下的裂纹张开应力σop到最大外载应力σmax过程中产生的裂纹尖端有效平均位移来表征裂纹扩展速率。裂纹尖端有效平均张开位移公式可以表示为：其中R为应力比，σop为裂纹张开应力，σmax为最大外载应力；裂纹张开应力的求解，公式如下：σop/σmax＝A0+A1R+A2R2+A3R3,R≥0         (6)σop/σmax＝A0+A1R,R＜0                   (7)A表示塑性约束系数，可以由以下公式求得：A0＝(0.825‑0.34α+0.05α2)[cos(πσmax/2σ0)]1/α      (8)A1＝(0.415‑0.071α)σmax/σ0                      (9)A2＝1‑A0‑A1‑A3                            (10)A3＝2A0+A1‑1                               (11)其中α为应力状态约束系数，取α＝1；σ0为流变应力，定义为材料的抗拉强度和屈服强度的平均值；步骤4)：应用Shyam小裂纹扩展速率模型的表达式：其中k、m为常数，da/dN为裂纹扩展速率，φ_m为单调载荷下裂纹尖端张开位移，为循环载荷下有效平均裂纹尖端张开位移；根据小裂纹扩展速率和裂纹尖端张开位移与有效平均裂纹尖端张开位移的乘积对应的数据拟合得到k和m；步骤5)：初始裂纹尺寸a0和临界裂纹尺寸ac的确定；通过测量材料微结构中初始缺陷的平均长度作为初始裂纹长度a0；临界裂纹长度ac通过断裂韧性KIC的定义得出，公式如下:其中KIC为材料断裂韧性，σmax为最大外载应力；步骤6)：当确定后，通过材料的基线，对公式(12)进行积分，得到构件的疲劳寿命，公式如下：