[发明专利]激光冲击强化构件裂纹扩展寿命快速预测方法和装置

说明书

本发明实施例提供一种激光冲击强化构件裂纹扩展寿命快速预测方法和装置，该方法通过采用预设的激光参数对目标构件进行激光冲击强化试验，获得残余应力深度分布结果，然后根据所述得残余应力深度分布结果在有限元数值模拟环境中进行模拟，并根据激光参数确定外荷载，由外荷载与裂纹强度因子值、裂纹强度因子范围和疲劳寿命之间的理论推导关系，最终获得从激光冲击参数到疲劳寿命的快速一体化预测，最终解决上述技术不足，填补激光冲击强化构件的裂纹扩展寿命预测的技术空白。

技术领域

本发明涉及抗疲劳制造技术领域，特别是涉及一种激光冲击强化构件裂纹扩展寿命快速预测方法和装置。

背景技术

抗疲劳制造是指在不改变零件材料和尺寸的前提下，通过在制造工艺过程中改变材料的微观组织及应力分布状态来提高零部件疲劳寿命的制造技术。激光冲击强化作为一种先进的高能束表面改性抗疲劳制造技术，通过强脉冲激光轰击覆盖有吸收层和约束层的金属材料表面，产生向材料内部传递的高温、高压等离子体冲击波，并与材料发生快速、非平衡、剧烈交互作用，在材料表面诱导产生高幅值、大深度的残余压应力和细化的梯度微观组织，进而有效抑制疲劳裂纹扩展，提高构件的疲劳寿命。然而，就激光冲击强化工程应用中关注的疲劳延寿问题，目前仍缺乏有效的寿命预测方法，且其他工程领域的寿命预测方法又未能将激光冲击强化过程考虑其中，无法类比应用。

专利CN109725123B公布了一种考虑喷丸强化表层晶粒细化的裂纹扩展寿命确定方法，基本步骤为：(1)基于J-C模型应力应变数据进行拟合，得到材料的位错演化模型参数；(2)利用ABAQUS有限元软件的VUSDFLD子程序进行编程，基于位错演化模型建立微细观参量与宏观参量的联系，完成程序编写；(3)基于ABAQUS软件进行喷丸强化数值仿真，获取强化之后表层晶粒尺寸与残余应力场；(4)根据相同材料不同应力下未喷丸的裂纹扩展试验数据，拟合得到N-R模型参数，建立裂纹扩展模型；(5)将残余应力与晶粒细化考虑到N-R裂纹扩展模型中，建立考虑喷丸诱导晶粒细化的裂纹扩展模型。首先喷丸强化与激光冲击强化明显不同，其诱导产生残余应力的机理不同，其次该专利主要关注的是喷丸强化诱导的晶粒细化效应对疲劳寿命的影响，且其寿命预测模型也仅仅是基于拟合关系建立的模型，实用性较低。

因此，发明人提供了一种激光冲击强化构件裂纹扩展寿命快速预测方法和装置。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种激光冲击强化构件裂纹扩展寿命快速预测方法和装置，通过试验验证、有限元数值模拟和理论推导求解，建立激光冲击强化工艺参数与疲劳寿命的关联，获取从激光冲击参数到疲劳寿命的快速一体化检测，解决了现有疲劳寿命预测准确度不高、实用性较低的技术问题，填补激光冲击强化构件的裂纹扩展寿命预测的技术空白。

(2)技术方案

第一方面，本发明的实施例提出了一种激光冲击强化构件裂纹扩展寿命快速预测方法，该方法包括：

采用预设的激光参数对目标构件进行激光冲击强化，并获得激光冲击强化后的所述目标构件的残余应力深度分布结果；

在有限元数值分析软件中，对设计的、与所述目标构件等厚度的试件进行激光冲击强化数值模拟，并依据所述残余应力深度分布结果进行校准，获得残余应力单元；根据所述残余应力单元的几何特征，提取并存储所述残余应力单元的本征应变，生成本征矩阵；

采用固有应变法，将所述本征矩阵对应的荷载施加至所述目标构件，获得与所述残余应力单元一致的残余应力分布；

在有限元数值分析软件中，对所述试件施加外荷载，完成裂纹扩展的数值模拟，获得预设裂纹长度下的裂纹强度因子值和裂纹强度因子范围；

根据所述裂纹强度因子值和裂纹强度因子范围反向计算得出裂纹扩展寿命。