[发明专利]一种综合考虑喷丸强化效果的疲劳寿命预测方法

说明书

本发明涉及一种综合考虑喷丸强化效果的疲劳寿命预测方法，步骤为：(1)获取材料表面喷丸强化之后的残余应力、表面粗糙度的分布情况。可通过开展相应试验件的喷丸强化试验或者进行喷丸强化工艺的有限元仿真进行；(2)通过X射线衍射方法获取材料喷丸前后衍射线半高宽(FWHM)的变化；(3)将所得的残余应力、表面粗糙度、表层微观组织等因素考虑进Sines寿命准则方程中，增加相应的参数项，获得考虑残余应力、表面粗糙度、表层微观组织影响的修正的Sines寿命准则方程；(4)根据未强化的光滑试样在不同应力比下疲劳寿命曲线数据拟合获得Sines寿命准则中的材料参数；(5)利用得到的修正的Sines寿命准则对试验件寿命进行预测，预测结果与试验结果对比验证预测方法的有效性。

技术领域

本发明是一种综合考虑喷丸强化效果的疲劳寿命预测方法，它是一种能够考虑喷丸强化之后引起的残余应力，表面粗糙度因素以及表层微观组织的影响的寿命预测方法，属于航空航天发动机技术领域。

背景技术

先进航空发动机涡轮部件长时间工作在高温、高压、高转速的极端服役环境下，易于产生疲劳失效现象，为了降低疲劳失效风险，常采用喷丸强化表面处理技术对涡轮盘、叶等部件进行处理。喷丸强化能够引入一定深度的残余压应力，一般在进行喷丸结构的寿命预测时，往往只考虑残余应力的影响的，但是喷丸强化同样会引起表面粗糙度的升高，对寿命会带来负面影响，同时表层微观组织同时会发生变形，对构件疲劳寿命产生影响。因此，需要建立能够综合考虑残余应力、表面粗糙度以及表层微观组织的寿命预测模型，综合衡量喷丸强化之后残余应力、表面粗糙度以及表层微观组织等参数对寿命的影响。

现有文献“郑林彬.喷丸残余应力及粗糙度对2024铝合金疲劳寿命影响的仿真与实验研究[D].山东：山东大学，2017”通过数值模拟对影响喷丸强化寿命的影响因素残余应力分布以及粗糙度进行了研究，建立了数值模拟方法，但是没有考虑表层微观组织的影响，而且没有给出寿命准则，不具有工程实用价值。

发明内容

本发明技术解决方案：克服现有技术的不足，提供一种能够综合考虑喷丸强化效果的疲劳寿命预测方法，该方法能够综合考虑喷丸强化之后引发的残余应力、表面粗糙度与表层微观组织的影响，实现对喷丸后结构寿命的准确预测，能够服务与支撑航空发动机涡轮构件喷丸强化处理与寿命预测。

本发明技术解决方案：一种综合考虑喷丸强化效果的疲劳寿命预测方法，结合喷丸强化试验结果与数值模拟结果，将构件喷丸强化之后引起的残余应力分布、表面粗糙度与表层微观组织的影响综合考虑到Sines寿命准则中，对Sines寿命准则进行修正，实现对喷丸强化构件寿命的准确预测，实现步骤如下：

第一步，获取材料表面喷丸强化之后的残余应力、表面粗糙度的数值。可通过开展相应试验件的喷丸强化试验或者进行喷丸强化工艺的有限元仿真进行；试验通过对材料表面进行X射线衍射测量可以测量材料表面的残余应力分布，利用粗糙度测量仪器完成表面粗糙度测量，包括轮廓算术平均偏差Ra与轮廓单元的平均宽度Rsm；利用数值模拟获取参数可以通过ABAQUS软件，建立喷丸冲击强化的代表性体积单元模型，根据试验参数进行数值模拟，获取喷丸强化之后残余应力与表面粗糙度的数值。

第二步，通过X射线衍射方法获取材料喷丸前后衍射线半高宽(FWHM)的变化，衍射线半高宽(FWHM)的变化主要由于材料内部微观残余应力导致，可在一定程度上反映微观残余应力的变化，因此选择衍射线半高宽作为表层微观组织的变化的表征参数。对试验件强化前后分别测量衍射线半高宽数值，记录相应数值变化。

第三步，是将残余应力、表面粗糙度与表层微观组织等因素考虑到广泛使用的Sines寿命准则中。方法是在Sines寿命准则中添加反应残余应力、表面粗糙度与表层微观组织的参数项，其中表面粗糙度处理方式是利用圆形缺口等效，残余应力处理的方式是加入应力中改变应力值，对表层微观组织的影响作出假设，获得考虑残余应力、表面粗糙度、表层微观组织的修正后的Sines寿命准则。