[发明专利]一种拉扭载荷作用下疲劳短裂纹扩展率模型构建方法

说明书

本发明提供一种拉扭载荷作用下疲劳短裂纹扩展率模型构建方法，包括以下步骤：步骤1：开展不同拉扭应力幅比下短裂纹复型试验，根据复型结果获取指定循环周次下的裂纹扩展长度；步骤2：获取基于单轴拉压载荷作用下的裂纹扩展率模型；步骤3：量化拉扭应力幅比对短裂纹扩展速率的影响；步骤4：在步骤2得到的单轴拉压载荷载荷作用短裂纹扩展率模型中引入应力幅比效应函数，得到包含拉扭应力幅比效应的短裂纹扩展率模型；本发明基于常规单轴拉压载荷作用下的短裂纹扩展率参数，能够完成不同拉扭应力幅比效应下的短裂纹扩展率的估算，避免了开展多种拉扭应力幅下的多轴疲劳试验的高昂成本，对工程问题具有重要的理论意义和实际价值。

技术领域

本发明涉及多轴疲劳强度理论分析技术领域，尤其是一种拉扭载荷作用下疲劳短裂纹扩展率模型构建方法。

背景技术

金属材料失效一半以上源于疲劳破坏。对承受交变载荷为主的光滑结构或零部件，短裂纹的萌生与扩展阶段占疲劳总寿命70％以上，掌握短裂纹的萌生与扩展规律对理解疲劳早期和长期阶段具有重要意义。工程结构或零部件在实际服役环中承受的载荷形式复杂多变，若以单一载荷或单一加载路径下的疲劳准则对实际工程结构的疲劳寿命进行预测或安全评价，可能得到偏于危险或过于保守的结论。中国申请专利号201810830301.5提出“一种基于小裂纹扩展速率的疲劳寿命预测方法”，该专利对试样进行不同应力加载及不同应力比加载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，并利用Burdekin模型计算单调载荷下裂尖张开位移，采用修正公式计算有效平均裂尖张开位移，最后通过小裂纹扩展速率积分得到构件疲劳寿命。但是，该模型并未考虑在小裂纹阶段，材料微观结构对裂纹扩展行为的影响，同时该模型并未进一步详细阐述不同应力比下该模型的预测裂纹扩展的效果。因此，有必要在考虑材料微观结构影响的基础上，量化应力幅比效应对拉扭短裂纹扩展的影响，从而更合理地预测实际工程结构的疲劳寿命。

发明内容

本发明提供一种拉扭载荷作用下疲劳短裂纹扩展率模型构建方法，以实现对不同拉扭应力幅加载路径下短裂纹扩展速率的简便计算。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种拉扭载荷作用下疲劳短裂纹扩展率模型构建方法，包括以下步骤：

步骤1):开展不同拉扭应力幅比下短裂纹复型试验，根据复型结果获取指定循环周次下的裂纹扩展长度，基于割线法计算裂纹扩展速率：

其中，a为裂纹长度，N为循环周次，da/dN为裂纹扩展速率，Δa为裂纹变化长度，ΔN为循环区间，a_i为第i次循环时裂纹长度，a_i+1为第i+1次循环时裂纹长度，N_i为第i次循环周次，N_i+1为第i+1次循环周次；

步骤2):获取基于单轴拉压载荷作用下的裂纹扩展率模型:

其中，G₀表示微观障碍尺度下第一周期内的最低扩展率；ΔW_t为远场总循环应变能密度；i为第i种微观结构障碍，微观结构障碍种类的数量为n，A和m为根据式(2)拟合得到的材料常数；

f_i(Δd_i)为阻力系数函数，公式如下：

其中，d_i对应第i种微观结构障碍的尺度大小，Δd_i是裂纹尖端穿越前一微观障碍后超出部分的尺度大小，(d_i-Δd_i)则表示裂纹尖端与第i种微观障碍的距离大小，α_i对应于与第i种微观结构障碍和试验数据相关的材料常数；