[发明专利]一种基于点权函数法的表面裂纹强度因子数据库建立方法

说明书

本发明公开了一种基于点权函数的表面裂纹强度因子数据库建立方法，通过对表面裂纹面上所有点的应力和权函数进行积分，高速计算表面裂纹在复杂应力梯度下的应力强度因子，从而为表面概率损伤容限评估中的线弹性断裂力学分析提供基础。具体地，采用有限元参数化建模，建立立方体结构构型，基于J积分应力强度因子理论，计算给定应力梯度下的参考应力强度因子，计算精度不受裂纹尖端网格数量影响，计算结果准确；点权函数法相较于通用权函数法，克服了只考虑应力在裂纹深度单向变化的局限性，适用于更复杂的应力情况，弥补了应力强度因子手册的局限性，为航空发动机限寿件的概率损伤容限评估提供技术支撑，具有重要的工程意义和实际价值。

技术领域

本发明属于航空发动机概率损伤容限评估技术领域，尤其涉及一种基于点权函数的表面裂纹强度因子数据库建立方法。

背景技术

航空发动机限寿件是航空发动机的关键安全件。在加工及使用维护过程中，不可避免地会在限寿件上引入小概率缺陷，这会对航空发动机的安全性带来极大的威胁。因而美国适航规章FAR-33部及我国适航规章CCAR-33部R2版第33.70条款提出一套加强的寿命管理流程，用概率损伤容限评估方法来考虑限寿件中出现概率极小的缺陷对安全性的影响。该评估方法将表面缺陷视为结构体中的表面裂纹，以线弹性断裂力学为基础，以应力强度因子作为裂纹应力集中的表征量，并结合缺陷、载荷、无损检测等随机因素，处理限寿件在带初始裂纹体的条件下低循环疲劳失效问题，从而计算航空发动机限寿件的失效风险，评估限寿件安全性。

高效的裂纹扩展计算方法是概率损伤容限评估的基础。航空发动机限寿件工作应力复杂，以航空发动机轮盘转子为例，其承受的工作载荷包括叶片拉力、离心力、热应力以及加工残余应力等，所承受的载荷在裂纹平面上具有任意应力分布。因而需要发展可计算任意应力分布下的裂纹应力强度因子的方法。工程常用的应力强度因子计算方法为解析法和数值计算法。解析法的基本原理是求解满足几何、平衡和物理方程与边界条件的应力函数，该方法只对简单结构体上具有常规应力分布的裂纹存在闭合解，因而具有一定的局限性。数值计算法主要采用有限元方法计算应力强度因子，可计算任意结构体中裂纹在任意应力分布下的应力强度因子，然而其效率受到建模和分网过程的影响，不适用于计算量大的概率损伤容限评估。

在此基础上，基于Buckner和Rice提出的权函数理论，可以结合解析法与数值计算法，建立表面裂纹应力强度因子数据库。其中，对于二维平面上应力分布主要随裂纹深度变化的裂纹，Glinka和Shen提出了通用权函数公式，从而可计算裂纹在裂纹深度方向上任意应力梯度下的应力强度因子。然而，通用权函数方法只适用于应力在裂纹深度单方向上变化的情况，而对于二维平面上应力分布在裂纹深度和长度两个维度上都不均匀的裂纹，通用权函数法并不能适用。实际部件中存在多处二维应力梯度，为解决具有复杂应力分布的部件裂纹扩展计算问题，Orynyak提出了点权函数公式，可高效计算具有复杂应力分布的裂纹的应力强度因子。点权函数法与通用权函数法相比，描述的应力分布形式从一维增加到二维，适用于存在复杂应力梯度情况的航空发动机限寿件，从而为限寿件概率损伤容限评估提供高效准确的线弹性断裂力学分析方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种基于点权函数的表面裂纹强度因子数据库建立方法，用以提高缺陷裂纹扩展计算效率，本发明的具体技术方案如下：

一种基于点权函数的表面裂纹强度因子数据库建立方法，包括以下步骤：

S1：针对具有表面裂纹的结构体，建立有限元模型，并在裂纹面上给定三种垂直于裂纹面的应力，作为有限元模型的边界条件；

S2：求解步骤S1建立的表面裂纹在三种应力边界条件下的参考应力强度因子；

S3：结合点权函数公式，利用三种应力边界条件与参考应力强度因子，求解点权函数公式中的权重系数；

S4：采用响应面分析法，将步骤S3获得的权重系数转化为权重系数代理模型；