[发明专利]一种多轴变幅加载下基于短裂纹扩展的全寿命预测方法

说明书

本发明公开了一种多轴变幅加载下基于短裂纹扩展的全寿命预测方法，该方法步骤为：在通过W‑B计数确定的每个半循环中选取最大剪应力、较大正应力所在平面为临界面，并利用临界面上的损伤参量来表征短裂纹扩展驱动力；基于拉伸型多轴疲劳损伤参量，建立适用于多轴变幅应力状态下的有效J积分计算公式；通过单轴恒幅拉压裂纹扩展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，拟合出裂纹扩展常数c和m；利用S‑N曲线来拟合虚拟的裂纹初始尺寸a₀；利用上述的所提的J积分计算模型并基于Paris公式，可得到每个载荷块的裂纹扩展值，然后进行迭代循环累加，从而确定试件的疲劳寿命。本方法可以很好的描述多轴变幅应力加载对裂纹扩展速率的影响。

技术领域

本发明应用领域是多轴变幅疲劳强度寿命预测方向，特指一种多轴变幅加载下基于短裂纹扩展的全寿命预测方法。

背景技术

在工程领域中，服役中的各种航天飞行器、核电站以及一些交通工具等，其主要零部件通常承受复杂的多轴比例与多轴非比例交互循环载荷的作用。与单轴加载相比，多轴变幅载荷下的损伤累积、裂纹萌生与扩展、寿命预测方法等需要考虑更多因素的影响。因此，进行多轴载荷下寿命预测方法研究有重要的工程意义。

研究短裂纹问题，有利于从微观、亚微观的层次去认识疲劳损伤累积的全过程。同时人们在实践中发现，短裂纹扩展寿命占工程构件总寿命的绝大部分，但在多轴变幅情况下一直没有一个非常有效的计算短裂纹扩展驱动力的方法。因此深入研究多轴变幅短裂纹的全寿命预测方法，并应用到实际工程领域，是一项非常有意义的工作。

发明内容

本发明目的在于在多轴变幅载荷情况下，提高结构部件的寿命预测精确性，提出一种多轴变幅加载下基于短裂纹扩展的全寿命预测方法。

本发明所提供的多轴变幅加载下基于短裂纹扩展的全寿命预测模型，其步骤为：

步骤1)：薄壁管件在多轴变幅应力加载状态下，裂纹主要萌生于最大剪应力幅、较大正应力所在的平面；由于变幅情况下，每个循环的临界面各不相同，通过W-B多轴循环计数确定多个半循环，根据每个半循环内最大剪应力幅值、较大正应力所在的平面，确定为每个半循环的临界面，并在该临界面上计算计算损伤参量来表征短裂纹扩展驱动力；

步骤2)：以此临界面为基础，用Newman裂纹闭合公式来考虑裂纹闭合。利用上述临界面上的数据并配合下面的J积分公式计算相对应的有效J积分即为有效小裂纹扩展驱动力：

其中，a为半裂纹长度，E为弹性模量，n′为循环硬化指数，Δσ_n，eff为考虑了闭合后的有效正应力，Δτ_n为剪应力幅值，Δε_pl.eff为Δσ_n，eff所对应的塑性应变，可由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，可通过计算得到有效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等因素。具体方法是在S-N曲线中选取尽可能多的点(σ_i，0，N_i)，对每一个点用下方第一个公式计算一次a_i，0，最后取所有a_i，0的算术平均值，即可得虚拟的裂纹初始尺寸，具体公式如下：