[发明专利]一种半椭圆表面裂纹疲劳扩展形状的预测方法

说明书

本发明提供了一种半椭圆表面裂纹疲劳扩展形状的预测方法，其包括步骤：初始表面半椭圆形裂纹在疲劳扩展后形成新半椭圆形裂纹；初始表面半椭圆形裂纹的初始最深点A及初始表面点C处的扩展方向与裂纹前沿垂直，进而分别形成所述新半椭圆形裂纹的扩展后最深点A'及扩展后表面点C'；计算初始最深点A及初始表面点C的应力强度因子幅ΔK_A与ΔK_C；计算A′点与C₀'点的应力强度因子幅ΔK_A′及ΔK_C′；利用公式计算出初始表面点C的扩展量Δl_C：迭代计算，直至误差Error满足精度要求；此时可认为该c_i+1为当A点扩展到A′时，C扩展至C′点，C′点为准确位置；本发明克服现有技术方法复杂繁琐耗时的不足，设计出一种利用迭代法迅速预测出半椭圆表面裂纹疲劳扩展形状的方法。

技术领域

本发明涉及工程建筑技术领域，尤其是涉及一种半椭圆表面裂纹疲劳扩展形状的预测方法。

背景技术

现有的半椭圆形裂纹疲劳扩展形状预测方法均为逐步分析法，即将裂纹扩展的动态连续过程离散化再进行累积叠加的方法。在每一个增量步内将裂纹扩展视为稳态过程，假定裂纹尺寸及前缘应力强度因子幅分布为常量，利用Paris公式(见式(1))计算裂纹前沿各点在本增量内的扩展量：

式中，N为荷载循环次数；C、m为与材料特性相关的常数；ΔK_B为裂纹前沿各点的应力强度因子幅值。

以每一步初始状态的裂纹尺寸及应力强度因子幅作为本增量步裂纹扩展的驱动力，以每一步最终状态的裂纹尺寸及应力强度因子幅作为下一增量步的驱动力，逐步进行累积得到裂纹的扩展形状变化。

上述方法为了达到一个较好的计算精度，裂纹扩展增量必须设置地非常小，一般情况下小于0.01a，则整个增量步可达数百步以上，计算过程繁琐耗时。特别对于形状复杂的构件，应力强度因子幅计算没有公式依据，只能通过有限元等方式来得到，则需要进行大量的建模计算分析工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半椭圆表面裂纹疲劳扩展形状的预测方法，以解决现有技术中存在的至少一个上述技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种半椭圆表面裂纹疲劳扩展形状的预测方法，包括如下步骤：

S1.设定：

(1)初始表面半椭圆形裂纹在疲劳扩展后形成新半椭圆形裂纹(即初始表面半椭圆形裂纹在疲劳扩展过程中保持半椭圆形状)；

(2)初始表面半椭圆形裂纹的初始最深点A(半椭圆的短半轴的端点)及初始表面点C(半椭圆的长半轴的端点)处的扩展方向与裂纹前沿垂直(即初始最深点A及初始表面点C处裂纹沿其法线方向扩展)，进而分别形成所述新半椭圆形裂纹的扩展后最深点A'及扩展后表面点C'；

S2.初始最深点A与所述初始表面半椭圆形裂纹的椭圆中心O的连线距离(OA)为初始短轴长度a_i(裂纹深度)；初始表面点C与所述初始表面半椭圆形裂纹的椭圆中心O的连线距离(OC)为初始长轴长度c_i(即1/2裂纹长度)；初始表面半椭圆形裂纹前缘形状由初始短轴长度a_i、初始长轴长度c_i确定；其中，i为大于0的自然数。

扩展后最深点A'与所述初始表面半椭圆形裂纹的椭圆中心O的连线距离(OA')为扩展后短轴长度a_i+1(扩展后裂纹深度)；扩展后表面点C'与所述初始表面半椭圆形裂纹的椭圆中心O的连线距离(OC')为扩展后长轴长度c_i+1(即1/2扩展后裂纹长度)；新半椭圆形裂纹前缘形状由扩展后短轴长度a_i+1、扩展后长轴长度c_i+1确定；