基於材料r曲線的金屬結構疲勞裂紋擴展壽命預測方法
2023-06-02 19:59:21
專利名稱：基於材料r曲線的金屬結構疲勞裂紋擴展壽命預測方法
技術領域：
本發明涉及金屬結構的疲勞裂紋擴展壽命預測方法，特別涉及一種基於材料R曲線的金屬結構疲勞裂紋擴展壽命預測模型。
背景技術：
機械、運載和能源等行業的典型重大裝備已經服役多年時間，可靠預測含裂紋構件壽命是有效提高裝備服役性能和控制失效事故發生的重要途徑，因為過早判廢退役則意味著巨額浪費和經濟損失，繼續運行則需要合理的壽命預測以保證安全。金屬材料作為結構的主承力件被廣泛應用於航空裝備，這在我國現役的各型主戰飛機中體現得尤為明顯， 即使作為國際上最先進的戰鬥機F-22，其複合材料的用量也僅佔到飛機結構重量的24%。因此，較長的一段時期內，金屬材料仍將作為飛機結構的主承力構件被廣泛應用。金屬材料結構在使用過程中由於疲勞載荷、磨損、環境腐蝕、材料老化、構件缺陷以及其它自然及人為因素的作用而極有可能發生損傷直至破壞，其中疲勞失效是飛機構件基本和主要的破壞模式。作為主承力構件的金屬結構一旦發生損傷，其造成的結果往往是十分慘痛的，航空史上發生過多起因飛機結構疲勞問題引起的重大事故。為了保證飛行安全，必須對作為主承力件的金屬結構的疲勞壽命進行準確預測。在疲勞裂紋擴展壽命預測方面，斷裂力學是研究疲勞裂紋擴展的有力工具。斷裂力學已較成功地描述疲勞裂紋擴展，在裂紋閉合模型、厚度效應模型、高載遲滯模型發展等方面做了大量的研究，取得很多成果，但是，以上所述的疲勞裂紋擴展模型均是基於裂紋擴展過程的物理模型和基於描述裂紋擴展速率數據趨勢公式模擬，目前仍然缺少符合疲勞裂紋擴展斷裂的真實物理過程的模型。國際斷裂力學先驅D. Broek對裂紋擴展的本質進行了闡述，並詳細介紹了 R曲線的概念和作用。R曲線反映了疲勞裂紋擴展斷裂的真實物理過程。所以，對於R曲線及其應用的研究工作一直吸引著斷裂力學工作者們的注意力。目前R曲線研究大多集中在試驗方面。在利用材料R曲線研究材料斷裂特性時，人們常用的是試驗測定的薄板材料在平面應力狀態下的R曲線。但是，眾所周知，R曲線除了與材料性質有關，還與試樣的厚度有關，完全通過實驗獲取裂紋擴展阻力曲線，耗費資源非常大，而且應用起來並非十分方便。對此，北京航空航天大學的張行教授與楊繼運博士用斷裂力學理論導出了裂紋擴展阻力曲線及其厚度效應的解析表達式，並運用裂紋擴展阻力曲線對金屬結構剩餘強度進行了較為準確的估算。在運用R曲線進行疲勞裂紋擴展壽命預測方面，空軍工程大學的何宇廷教授等提出了一種有效能量準則，可以描述為在疲勞裂紋擴展中，只有有效能量釋放率對疲勞裂紋擴展特性有直接影響，而每一載荷循環中裂紋擴展量可以通過有效能量釋放率給出。有效能量釋放率被認為是疲勞裂紋完全張開後用於裂紋擴展的能量，與同一載荷循環中裂紋擴展的消耗能相等。而裂紋擴展的消耗能可以通過裂紋擴展阻力曲線獲得
發明內容
要解決的技術問題為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種基於材料R曲線的金屬結構疲勞裂紋擴展壽命預測模型，目的在於避免現有壽命預測技術不能反映裂紋擴展物理本質的不足之處，為金屬結構疲勞裂紋 擴展壽命的準確預測、保證機械設備安全運行提供一套理論方法。技術方案一種基於材料R曲線的金屬結構疲勞裂紋擴展壽命的預測模型，其特徵在於步驟如下步驟I材料R曲線的試驗測定選取與被預測結構相同的金屬材料，按照標準《ASTM E561-08 Standard TestMethod for K-R Curve Determination》或《HB 5261-83金屬板材K-R曲線試驗方法》,加工中心孔板試件CCT試件，並測量該材料的載荷一裂紋嘴張開位移曲線P-v曲線；CCT試件尺寸參數標註見
圖1，P-v曲線示意圖見圖2 ；步驟2材料R曲線表達式的擬合步驟(a)、利用柔度法計算裂紋半長a 根據《ASTME561-08Standard Test Method for K-R Curve Determination》標準，CCT試樣柔度計算公式為
權利要求
1. 一種基於材料R曲線的金屬結構疲勞裂紋擴展壽命的預測模型，其特徵在於步驟如下 步驟I材料R曲線的試驗測定 選取與被預測結構相同的金屬材料，按照標準《ASTM E561-08Standard Test Methodfor K-R Curve Determination》或《HB 5261-83金屬板材K-R曲線試驗方法》,加工中心孔板試件CCT試件，並測量該材料的載荷一裂紋嘴張開位移曲線P-v曲線； 步驟2材料R曲線表達式的擬合 步驟(a)、利用柔度法計算裂紋半長a : 根據《ASTM E561-08Standard Test Method for K-R Curve Determination》標準，CCT試樣柔度計算公式為
全文摘要
本發明涉及一種基於材料R曲線的金屬結構疲勞裂紋擴展壽命預測模型，技術特徵在於基於材料裂紋擴展阻力曲線(R曲線)及裂紋擴展能量釋放率理論，定義疲勞載荷下的有效能量釋放率為疲勞裂紋完全張開後用於裂紋擴展的能量，與同一載荷循環中由裂紋擴展阻力曲線表徵的消耗能相等，提出了一種能夠反映裂紋擴展物理本質的疲勞裂紋擴展壽命預測模型。藉助這一模型，可以計算每一載荷循環中的裂紋擴展量，進而通過對裂紋擴展量的累積計算，預測裂紋擴展壽命，適用於工程上對金屬結構疲勞裂紋擴展壽命的預測，為結構損傷容限評估提供了一種參考方法。
文檔編號G01N3/60GK102778404SQ20121020148
公開日2012年11月14日 申請日期2012年6月19日 優先權日2012年6月19日
發明者丁華, 伍黎明, 何宇廷, 崔榮洪, 張海威, 張騰, 邵青 申請人:中國人民解放軍空軍工程大學