[发明专利]一种考虑磨损影响下的微动疲劳裂纹扩展寿命预测方法

摘要

本发明公开的一种考虑磨损影响下的微动疲劳裂纹扩展寿命预测方法，属于材料科学与工程应用技术领域。本发明包括如下步骤：步骤一，建立接触结构在微动载荷下的有限元模型；步骤二，更新受磨损影响的在微动载荷下的有限元模型；步骤三，确定裂纹扩展速率dl/dN和裂纹扩展角度θ，并更新裂纹扩展后的受磨损影响的在微动载荷下的有限元模型；步骤四，完成考虑磨损影响下的微动疲劳裂纹扩展寿命预测；还包括步骤五：根据步骤四得到的考虑磨损影响下的微动疲劳裂纹扩展寿命预测结果，得到考虑磨损影响下的微动疲劳裂纹扩展规律，解决微动疲劳裂纹扩展领域实际工程问题。本发明能够实现考虑磨损影响下的微动疲劳裂纹扩展寿命预测，具有精度高的优点。

主权项

1.一种考虑磨损影响下的微动疲劳裂纹扩展寿命预测方法，其特征在于：包括如下步骤：/n步骤一，建立接触结构在微动载荷下的有限元模型；/n所述的接触结构在微动载荷下的有限元模型包括压头模型与试件模型，试件模型的接触表面包含至少一条初始裂纹，初始裂纹的长度l_i和初始裂纹角度θ根据实际情况确定；/n步骤二，更新受磨损影响的在微动载荷下的有限元模型；/n步骤2.1：对压头模型施加法向压力F，对试件模型一端施加循环载荷σ_B，通过建立的有限元模型计算接触面的接触压力分布与相对滑移值分布；/n步骤2.2：通过计算所得的接触压力分布与相对滑移值分布，采用磨损模型计算磨损量体积V；/n步骤2.3：为了能够通过有限元方法计算接触面每一个节点位置的磨损深度h，将步骤2.2采用磨损模型转化成计算每一个节点的磨损深度增量Δh(x,t)的磨损模型；/n步骤2.4：考虑到计算每一个循环的磨损量会增加工作量，需采用循环跳跃技术，在一定工作循环ΔN内磨损增量是保持不变的，ΔN为预设的工作循环增量数；因此，对计算ΔN个循环磨损深度增量的磨损模型修改成Δh_ΔN(x,t)，x为节点位置，t代表时间；/n步骤2.5：通过步骤2.4计算所得的磨损深度增量值Δh_ΔN(x,t)更新受磨损影响的有限元模型接触面节点在垂直于接触面方向上的位置，以实现接触面轮廓的改变；在对压头施加的法向压力不变的情况下，接触面轮廓的改变会改变接触面每一个节点的接触压力与接触剪切力，同时也会消减预置裂纹的实际长度，即完成更新受磨损影响的在微动载荷下的有限元模型；/n步骤三，确定裂纹扩展速率dl/dN和裂纹扩展角度θ，并更新裂纹扩展后的受磨损影响的在微动载荷下的有限元模型；/n步骤3.1：确定裂纹扩展速率的表达式；/n裂纹尖端应力状态由准则f表达，准则f的表达式如下：/n /n其中，K_I、K_II和T是准则中的变量，其他为相关系数，K_I代表I型应力强度因子，K_II代表II型应力强度因子，T代表T应力，其他系数的表达式如下表所示/n /n其中v是泊松比，是长度尺度参数；/n准则f与裂纹扩展速率建立下列关系：dl/dN＝α·(f_max)^γ (5)/n其中，l为裂纹长度，α、γ为疲劳系数，f_max为一个工作循环内f的最大值，f_max如果小于0代表裂纹尖端的应力场不足以使裂纹扩展，此时计算终止；/n步骤3.2：确定裂纹扩展方向的表达式；/n利用最大轴向应力准则建立裂纹扩展角度θ与K_I、K_II和T应力的关系/n /n其中临界距离r_c表示成/n /n其中，σ_b为拉伸强度，K_Ic为断裂韧度；/n步骤3.3：根据有限元计算K_I、K_II和T应力；/n步骤3.4：计算裂纹扩展速率和裂纹扩展角度；/n在预设N_t个循环内磨损对裂尖应力状态保持不变的条件下，通过受磨损影响有限元模型计算裂纹尖端的K_I、K_II和T应力，结合准则f与最大轴向应力准则，计算裂纹扩展长度增量Δl_j与裂纹扩展角度θ；所述的N_t为ΔN的倍数；/n步骤3.5：通过网格重划分技术实现预置裂纹在计算裂纹扩展角度θ与计算裂纹扩展长度增量Δl_j的扩展，得到裂纹扩展更新后的受磨损影响的在微动载荷下的有限元模型；/n步骤四，通过步骤二更新N_t个工作循环内受磨损影响的在微动载荷下的有限元模型，从而改变接触面积以及初始裂纹长度l_i；在载荷一定的情况下接触面积的变化导致接触应力分布改变，结合初始裂纹长度l_i的变化从而改变了裂纹尖端的应力场分布；通过步骤三计算在步骤二更新后的微动载荷下的有限元模型计算裂纹扩展长度增量Δl_j和裂纹扩展角度θ，并更新裂纹扩展后的受磨损影响的在微动载荷下的有限元模型，使步骤二更新后的裂纹在步骤三计算的裂纹扩展角度方向上实现裂纹扩展，所述的裂纹扩展长度为步骤三计算的裂纹扩展长度增量Δl_j，所述的更新后的微动载荷下的有限元模型计算裂纹长度作为下一次迭代的初始裂纹长度l；通过步骤二再次更新N_t个工作循环内在步骤三更新裂纹扩展后的受磨损影响的在微动载荷下的有限元模型；通过重复上述迭代过程，直到裂纹长度l达到预设临界值，完成考虑磨损影响下的微动疲劳裂纹扩展寿命预测。/n