[发明专利]一种拉扭载荷作用下疲劳短裂纹扩展率模型构建方法

摘要

本发明提供一种拉扭载荷作用下疲劳短裂纹扩展率模型构建方法，包括以下步骤：步骤1：开展不同拉扭应力幅比下短裂纹复型试验，根据复型结果获取指定循环周次下的裂纹扩展长度；步骤2：获取基于单轴拉压载荷作用下的裂纹扩展率模型；步骤3：量化拉扭应力幅比对短裂纹扩展速率的影响；步骤4：在步骤2得到的单轴拉压载荷载荷作用短裂纹扩展率模型中引入应力幅比效应函数，得到包含拉扭应力幅比效应的短裂纹扩展率模型；本发明基于常规单轴拉压载荷作用下的短裂纹扩展率参数，能够完成不同拉扭应力幅比效应下的短裂纹扩展率的估算，避免了开展多种拉扭应力幅下的多轴疲劳试验的高昂成本，对工程问题具有重要的理论意义和实际价值。

主权项

1.一种拉扭载荷作用下疲劳短裂纹扩展率模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1):开展不同拉扭应力幅比下短裂纹复型试验，根据复型结果获取指定循环周次下的裂纹扩展长度，基于割线法计算裂纹扩展速率：其中，a为裂纹长度，N为循环周次，da/dN为裂纹扩展速率，Δa为裂纹变化长度，ΔN为循环区间，a_i为第i次循环时裂纹长度，a_i+1为第i+1次循环时裂纹长度，N_i为第i次循环周次，N_i+1为第i+1次循环周次；步骤2):获取基于单轴拉压载荷作用下的裂纹扩展率模型:其中，G₀表示微观障碍尺度下第一周期内的最低扩展率；ΔW_t为远场总循环应变能密度；i为第i种微观结构障碍，微观结构障碍种类的数量为n，A和m为根据式(2)拟合得到的材料常数；f_i(Δd_i)为阻力系数函数，公式如下：其中，d_i对应第i种微观结构障碍的尺度大小，Δd_i是裂纹尖端穿越前一微观障碍后超出部分的尺度大小，(d_i‑Δd_i)则表示裂纹尖端与第i种微观障碍的距离大小，α_i对应于与第i种微观结构障碍和试验数据相关的材料常数；由于疲劳裂纹扩展过程中远场总循环应变能密度ΔW_t相等，不考虑其影响，以一种微观结构障碍尺寸计算说明，式(2)模型进一步简化为：其中，下标1表示第一种微观结构障碍尺寸；A₁为根据式(2)拟合得到的材料常数；f₁为第一种微观结构对应的阻力系数，Δd₁是裂纹尖端穿越前一微观障碍后超出部分的尺度大小；把G₀项移动至左侧，两边同时取对数，得：从式(5)可知，和log[a‑f₁(Δd₁)d₁]呈线性关系；通过给定一系列的阻力系数函数中的α₁值，以穷举法的方式计算试验数据下的和log[a‑f₁(Δd₁)d₁]的线性相关系数，找出最大线性相关系数时对应的α₁值，即为所求α₁值，最后，采用最小二乘法求取参量A₁和m₁；步骤3):量化拉扭应力幅比对短裂纹扩展速率的影响，包括以下内容：获取多组不同应力幅比下对应的寿命增长比，以单轴拉压加载得到的疲劳寿命为基准，获得疲劳寿命分别与单轴拉压试样的疲劳寿命比值即为寿命增长比M；构造应力幅比效应函数：M(r)＝Ke^Ar     (6)其中，K、A均为根据试验结果拟合得到的材料常数；相关参数K、A根据试验所得的寿命增长比M和应力幅比r，采用最小二乘法拟合，得到具体的应力幅比效应函数；步骤4)：在步骤2得到的单轴拉压载荷载荷作用短裂纹扩展率模型中引入应力幅比效应函数，得到包含拉扭应力幅比效应的短裂纹扩展率模型如下：