[发明专利]一种考虑预应力重分布的疲劳裂纹扩展行为预测方法

说明书

本发明公开的一种考虑预应力重分布的疲劳裂纹扩展行为预测方法，属于材料科学与工程应用技术领域。本发明首先在含初始裂纹的有限元模型中引入初始预应力、塑性应变以及背应力等状态值，然后确定一个加载周期内裂尖处最大应力强度因子，得出裂纹扩展角度θ以及预设裂纹扩展增量下的加载周期N。对当前模型进行N次加载，提取发生应力重分布后积分点处的状态值，更新裂纹扩展dl长度后的网格模型，将提取的状态值映射到新的网格模型中，重复上述步骤，完成疲劳裂纹扩展行为预测，根据得到的预测结果，解决经表面处理后零部件疲劳裂纹扩展领域实际工程问题。本发明能够实现考虑预应力重分布规律影响下的疲劳裂纹扩展行为预测，具有精度高的优点。

技术领域

本发明涉及一种考虑预应力重分布的疲劳裂纹扩展行为预测方法，特别涉及一种经表面强化技术处理后引入预应力的实验构件疲劳裂纹扩展行为预测方法，属于材料科学与工程应用技术领域。

背景技术

目前，工程中提高零部件疲劳裂纹扩展寿命的手段主要是利用表面工程技术提高表面材料性能，如冷喷涂处理、喷丸强化、渗碳处理等。工程中许多零部件为了提高疲劳强度都采用表面工程处理。如航空发动机中的叶片、机匣、连接螺栓、齿轮以及柴油机中的连杆、曲轴等。这些表面处理都会在材料表面层引入预压应力用于抵消疲劳拉应力，因此零部件的疲劳寿命会得到大大的提高。工程中通常把引入的预应力当作一种额外的安全系数，在进行疲劳寿命时是不考虑残余应力带来的寿命改善。因此，考虑预应力重分布规律影响下的疲劳裂纹扩展行为预测方法能够帮助量化预应力影响下的疲劳寿命改善程度，进而对疲劳寿命设计产生指导意义。

当前针对经表面工程技术处理后引入预应力的零部件疲劳裂纹扩展行为预测问题，通常会忽略裂纹扩展过程中发生的预应力重分布。零部件在疲劳载荷的作用会发生塑性变形，而塑性变形是预应力发生重分布现象的一大因素。而当裂纹产生并持续扩展时，零部件内会产生新的自由面，新的自由面也会释放部分残余预应力进而引起预应力重分布。

发明内容

本发明的目的是提出一种考虑预应力重分布的疲劳裂纹扩展行为预测方法，在预测含预应力疲劳裂纹扩展行为时，考虑在零部件全寿命周期内由塑性变形到裂纹扩展时，塑性变形和自由面形成这两部分因素引起的预应力重分布下的疲劳裂纹扩展寿命预测，提高裂纹扩展寿命的预测精度。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的一种考虑预应力重分布的疲劳裂纹扩展行为预测方法，包括如下步骤：

步骤1、建立含初始裂纹的构件有限元模型，并设置载荷条件、边界条件以及材料参数；

进一步的，所述的初始裂纹长度应远小于表面强化处理引入的预压应力层的厚度，初始裂纹长度l₀和起始角度θ₀根据实际情况确定；

步骤2、在含初始裂纹的构件的有限元模型中引入初始预应力、初始塑性应变以及初始背应力；

步骤3、确定一个加载周期内裂尖端最大应力强度因子K，确定裂纹扩展角度θ以及预设裂纹扩展增量下所需的加载周期dN；

步骤3.1、对有限元模型施加远端疲劳载荷σ_B，当载荷幅值达到最大时，优选围线积分法，确定裂纹尖端最大应力强度因子K值；

步骤3.2、依据实际情况，确定裂纹扩展角度θ和预设裂纹扩展增量dl下所需的加载周期dN；

裂纹扩展角度θ通过式(1)得出：

其中，θ_i为裂纹在第i个转折点的角度，θ_i-1为裂纹在第i-1个转折点的角度，K_Imaxi和K_IImaxi分别是I型和II型裂纹在第i个转折点的最大应力强度因子；

预设裂纹扩展增量dl下所需的加载周期dN通过式(2)得出：