一種預測疲勞裂紋擴展規律的方法
2023-04-27 20:31:46 1
一種預測疲勞裂紋擴展規律的方法
【專利摘要】本發明公開一種預測疲勞裂紋擴展規律的方法，屬於材料疲勞裂紋擴展速率預測【技術領域】，該方法根據一段時間對裂紋擴展情況的跟蹤觀測，推斷裂紋擴展規律，實現疲勞裂紋擴展剩餘壽命的預測，根據應力大小與載荷作用頻度兩條件是否已知，將該方法分為三種情況的預測方法，以初始裂紋的應力幅值下的(0，a0)為起點，繪製出不同應力幅值下的裂紋長度與載荷次數關係曲線,根據條件不同，找出對應的a-N曲線，則該曲線可描述裂紋擴展的規律；本發明根據此預測疲勞裂紋擴展規律方法編成軟體，此方法應用廣泛，靈活性大，可滿足使用者要求計算精度的疲勞裂紋擴展規律的預測，利於現代化工程的需求。
【專利說明】一種預測疲勞裂紋擴展規律的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於材料疲勞裂紋擴展速率預測【技術領域】，特別是涉及一種應用於機械零部件疲勞試驗的預測疲勞裂紋擴展規律的方法。
【背景技術】
[0002]現有方法中，在載荷歷程不確定、載荷作用頻度不確定下的裂紋構件疲勞裂紋擴展規律與其剩餘壽命都是由隨機模型來描述的，結構部件服役過程中，可能會由於各種各樣的原因產生裂紋並逐漸擴展，甚至發生斷裂失效；多數服役結構承受循環載荷作用，而且大部分載荷譜經簡化後，都比較接近恆幅載荷譜。
[0003]正確、合理地估算裂紋構件的疲勞壽命，對保證結構安全有至關重要的作用。不論裂紋構件受變幅載荷，還是恆幅載荷，計算其有效應力強度因子幅值△ K都是預測疲勞裂紋擴展壽命的關鍵步驟。
[0004]工程中具 有載荷譜或詳細的載荷歷程的構件並不多，即有效應力幅值Λ σ不易確定，為此，許多研究人員嘗試了多種方法來模擬載荷譜，有些根據統計載荷歷程信息開發了軸向疲勞試驗機，用來模擬隨機載荷；有些是提出了平穩隨機載荷歷程下的疲勞裂紋生長模型；近年來，研究人員開始使用可靠性理論來研究不確定裝載條件下的裂紋擴展；有些通過貝葉斯網絡，提出了一個概率模型來量化不確定性的疲勞裂紋生長，並闡述了模型的驗證方法；有些是建立了載荷循環數的函數，提出了一種更新的貝葉斯模型來更新和預測裂紋長度，而以上方法都是由隨機模型來描述隨機載荷下的疲勞裂紋擴展，然而，要建立一個能精確模擬隨機載荷的模型較困難，為此，本發明提出了一種新的疲勞壽命預測方法，即當只知裂紋構件受平穩載荷的情況下，通過對裂紋擴展情況的跟蹤觀測來確認裂紋擴展規律、預測剩餘壽命。
【發明內容】
[0005]針對觀有技術存在的問題，本發明提供一種更方便、更精確的預測疲勞裂紋擴展規律的方法。
[0006]為了實觀上述目的，本發明採用如下技術方案，一種預測疲勞裂紋擴展規律的方法，包括如下步驟:
[0007]步驟一:開始檢測初始裂紋，此時對應的裂紋長度為％ ；
[0008]步驟二:經過時間t，監測出此時裂紋的長度為B1，所述的時間t至少大於一個載荷譜塊的時間；
[0009]步驟三:判斷應力作用大小和載荷作用頻度是否已知，若應力作用大小已知、載荷作用頻度未知，則轉去執行步驟四；若載荷作用頻度已知、應力作用大小未知，則轉去執行步驟五；若載荷作用頻度、應力作用大小均未知，則轉去執行步驟八；
[0010]步驟四:根據所述應力的大小，求解出應力幅值，並以(0，a0)為曲線起點，繪製此應力幅值對應的裂紋長度-載荷次數的關係曲線，即a-N曲線，此a-N曲線即可描述該裂紋構件的疲勞裂紋擴展規律，轉去執行步驟十一；
[0011]步驟五:以(O, a0)為曲線的起點，繪製不同應力幅值下的裂紋長度-載荷次數的關係曲線，即a-N曲線族；
[0012]步驟六:通過載荷作用頻度乘以時間t，即得到裂紋從％擴展至載荷所循環的次數N ；
[0013]步驟七:在步驟五中所得到的a-N曲線族中找出通過點(Ia1)的a_N曲線，此a_N曲線即可描述該裂紋構件的疲勞裂紋擴展規律，轉去執行步驟十一；
[0014]步驟八:再經過與步驟二相同的時間t，再次監測，得到此時的裂紋長度為a2 ；
[0015]步驟九:以(0，a0)為曲線的起點，繪製不同應力幅值下的裂紋長度-載荷次數關係曲線，即a-N曲線族；
[0016]步驟十:在a-N曲線族中尋找同時通過點(N1, B1)和點(N2，a2)曲線，且滿足2 XN1=N2的a-N曲線，此a_N曲線即可描述該裂紋構件的疲勞裂紋擴展規律；
[0017]步驟十一:結束；
[0018]所述N為當載荷作用頻度已知、應力作用大小未知時，裂紋從％擴展至載荷所循環的次數A1為當載荷作用頻度、應力作用大小均未知時，裂紋從％擴展至載荷所循環的次數,N2為當載荷作用頻度、應力作用大小均未知時，裂紋從％擴展至&2載荷所循環的次數。
[0019]本發明的有益效果:本發明能夠在載荷作用頻度未知或者應力作用大小未知；或者載荷作用頻度和應力作用大小均未知時，同樣能夠繪出a-N曲線族圖、尋找正確的a-N曲線獲得疲勞裂紋擴展規律；本發明對於疲勞裂紋擴展規律的預測更方便、更精確。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1為本發明一種預測疲勞裂紋擴展規律的方法的流程圖；
[0021]圖2為本發明當應力作用大小已知、載荷作用頻度未知時的a-N曲線圖；
[0022]圖3為本發明當載荷作用頻度已知、應力作用大小未知時的a-N曲線圖；
[0023]圖4為本發明當載荷作用頻度、應力作用大小均未知時的a-N曲線圖；
[0024]圖5為本發明實施例中鋁合金裂紋構件載荷的示意圖。
【具體實施方式】
[0025]如圖1所示的一種預測疲勞裂紋擴展規律的方法的流程圖，本發明通過對裂紋構件裂紋擴展的檢測就可以獲得此裂紋構件的疲勞裂紋擴展規律，本發明是基於其載荷譜可以等效為恆幅的載荷譜而提出的預測疲勞裂紋擴展規律的方法，其裂紋增量公式為:
【權利要求】
1.一種預測疲勞裂紋擴展規律的方法，其特徵在於，包括以下步驟: 步驟一:開始檢測初始裂紋，此時對應的裂紋長度為Btl; 步驟二:經過時間t，監測出此時裂紋的長度為al，所述的時間t至少大於一個載荷譜塊的時間； 步驟三:判斷應力作用大小和載荷作用頻度是否已知，若應力作用大小已知、載荷作用頻度未知，則轉去執行步驟四；若載荷作用頻度已知、應力作用大小未知，則轉去執行步驟五；若載荷作用頻度、應力作用大小均未知，則轉去執行步驟八； 步驟四:根據所述應力的大小，求解出應力幅值，並以(O，a0)為曲線起點，繪製此應力幅值對應的裂紋長度-載荷次數的關係曲線，即a-N曲線，此a-N曲線即可描述該裂紋構件的疲勞裂紋擴展規律，轉去執行步驟十一； 步驟五:以(O，a0)為曲線的起點，繪製不同應力幅值下的裂紋長度-載荷次數的關係曲線，即a-N曲線族； 步驟六:通過載荷作用頻度乘以時間t，即可得到裂紋從％擴展至載荷所循環的次數N ； 步驟七:在步驟五中所得到的a-N曲線族中找出通過點(N, ax)的a_N曲線,此a_N曲線即可描述該裂紋構件的疲勞裂紋擴展規律，轉去執行步驟十一； 步驟八:再經過與步驟二相同的時間t，再次監測，得到此時的裂紋長度為a2 ； 步驟九:以(O，a0)為曲線的起點，繪製不同應力幅值下的裂紋長度-載荷次數關係曲線，即a-N曲線族；` 步驟十:在a-N曲線族中尋找同時通過點Wa1)和點(N2, a2)的曲線，且滿足2XN1=N2的a-N曲線，此a-N曲線即可正確描述該裂紋構件的疲勞裂紋擴展規律； 步驟^^一:結束； 所述N為當載荷作用頻度已知、應力作用大小未知時，裂紋從％擴展至ai載荷所循環的次數A1為當載荷作用頻度、應力作用大小均未知時，裂紋從％擴展至&1載荷所循環的次數，N2為當載荷作用頻度、應力作用大小均未知時，裂紋從％擴展至a2載荷所循環的次數。
【文檔編號】G01N3/00GK103868786SQ201410098971
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月18日 優先權日:2014年3月18日
【發明者】白鑫, 謝裡陽, 佟安時, 白恩軍, 任俊剛 申請人:東北大學