CN111625985A - 一种考虑腐蚀和残余应力的疲劳缺口系数数据处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于腐蚀环境下结构寿命可靠性评估技术领域，公开了一种考虑腐蚀和残余应力的疲劳缺口系数数据处理方法，进行缺口表面几何模型重构；采用超声波残余应力测试仪实测结构模拟件缺口部位的残余应力分布；经过数据拟合，得到残余压应力沿深度方向的拟合计算公式；采用逆向建模技术建立有限元理论分析模型，进行网格划分，通过分析得到应力集中系数；基于分析得到的腐蚀条件下应力集中系数。本发明提出的理论计算方法更符合结构服役的实际情况，明显提高了疲劳寿命的预测精度。本发明能考虑材料微观结构、结构外形尺寸、环境造成的腐蚀损伤和残余应力的影响，本发明提出的疲劳缺口系数计算方法适用范围更广，普适性好。

Description

一种考虑腐蚀和残余应力的疲劳缺口系数数据处理方法
技术领域
本发明属于腐蚀环境下结构寿命可靠性评估技术领域，是一种考虑腐蚀和残余应力的疲劳缺口系数数据处理方法。
背景技术
目前，准确预测服役腐蚀环境条件下结构疲劳寿命对安全使用至关重要。疲劳缺口系数Kf是结构疲劳寿命评估中一个非常重要的参数，其定义式是
Figure BDA0002519236780000011
确定疲劳缺口系数Kf的最直接可靠的方法就是通过疲劳试验，由于结构形式不同，结构模拟件尺寸不同，表面光洁度不同，Kf都不一样，开展这样的试验要耗费大量的人力、物力和财力，所以通过试验确定疲劳缺口系数Kf是不现实的。常用的方法是经验公式，例如经典的Neuber公式
Figure BDA0002519236780000012
式(2)中a为Neuber参数，是材料常数；ρ为缺口根部半径；Kt是应力集中系数。
对于理想的光滑表面，应力集中系数Kt有经验公式，但是对于缺口带腐蚀损伤、有表面缺陷等因素，这些经验公式就不适用了，而且对于表面喷丸、激光强化等带残余应力的情况更加无能为力了。对于承载应力水平较高的高强度铝合金、高强度钢、超高强度钢结构(如飞机起落架结构)喷丸强化是必不可少的表面处理工艺，而且在严酷服役腐蚀环境(例如海洋环境)条件下使用的结构还会由于受到环境侵蚀而发生腐蚀。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：(1)目前现有的疲劳缺口系数的分析方法，不能考虑腐蚀损伤的影响；(2)目前现有的疲劳缺口系数的分析方法，不能考虑喷丸引起的残余应力的影响；(3)现有的疲劳缺口系数的分析方法，不能考虑表面缺陷。以上因素导致传统的疲劳缺口系数计算方法的计算结果不够准确，从而导致疲劳寿命评估结果不准确，影响结构使用安全。
解决以上问题及缺陷的难度为：腐蚀损伤对疲劳寿命的影响非常大。服役环境条件造成的腐蚀损伤是随机的，不同的环境、不同的材料，造成的腐蚀程度都不同，目前没有理论方法能准确表征缺口部位的腐蚀损伤；常规的有限元分析方法，不能有效的考虑材料残余应力的影响，合理的表征腐蚀损伤和残余应力的影响对疲劳缺口系数计算值的准确性非常重要，目前的方法均无法考虑以上因素。
解决以上问题及缺陷的意义为：本发明提出的疲劳缺口系数计算方法，能明显提高计算的准确性，而疲劳缺口系数是疲劳寿命评估中一个至关重要的参数，直接关系到疲劳寿命评估结果的准确性，对进一步保证结构使用安全有着重要的意义。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种考虑腐蚀和残余应力的疲劳缺口系数数据处理方法，具体涉及一种腐蚀和残余应力影响的考虑腐蚀和残余应力的疲劳缺口系数数据处理方法。为腐蚀环境下金属结构使用寿命评定提供技术支持。
本发明是这样实现的，一种考虑腐蚀和残余应力的疲劳缺口系数数据处理方法，所述考虑腐蚀和残余应力的疲劳缺口系数数据处理方法根据超高强度钢材料半圆形缺口结构模拟件微观结构、结构外形尺寸的疲劳缺口系数Kf的表达式，得到所述结构模拟件疲劳缺口系数；所述疲劳缺口系数Kf的表达式为：
Figure BDA0002519236780000031
式中r为结构缺口半径；β为形状修正因子，与结构外形尺寸尺寸有关；a0为材料的固有缺陷尺寸，由材料微观结构来确定；Kt为缺口应力集中系数。
进一步，所述考虑腐蚀和残余应力的疲劳缺口系数数据处理方法进一步包括：
步骤一，缺口表面几何模型重构：利用三维非接触式表面形貌仪扫描获得缺口表面高精度的三维点云数据；
步骤二，喷丸残余应力的分析：采用超声波残余应力测试仪实测结构模拟件缺口部位的残余应力分布；经过数据拟合，得到残余压应力沿深度方向的拟合计算公式；
步骤三，有限元数值分析：建立Geomagic Studio计算模型，缺口表面及附近区域采用非线性四面体实体单元，其他区域采用六面体实体单元，进行网格划分；将划分好的网格导入软件中进行有限元分析，一端施加固定约束，在另一端施加静拉伸载荷；根据疲劳缺口系数的表达式计算得到疲劳缺口系数。
所述步骤一，采取逐个区域扫描的方法，运用Geomagic Studio软件获得原始点云数据；
对获得的原始点云数据进行拼接、后处理，得到完整的缺口表面形貌特征。
所述步骤一，三维模型缺口表面真实形貌特征处理中保留大部分噪点，过滤掉超过设定阈值的孤立噪声点，去除偏离曲面的点；
封装后进入多边形阶段，通过细分三角形改善曲面光滑度；再构造精确曲面布局图，探测轮廓线、曲率线，进而构造曲面片，拟合出光顺的NURBS曲面；
对于面板类型构造格栅，采用非线性四面体实体单元进行网格划分，
所述步骤二，残余压应力沿深度方向的拟合计算公式为：
y＝C0+C1x+C1x2+…+Cixi
式中，y为残余压应力；x为距表面深度；C0～Ci为拟合参数。
进一步，所述步骤二，通过ABAQUS用户子程序将测得的残余压应力引入有限元模型。
本发明的另一目的在于提供一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行所述考虑腐蚀和残余应力的疲劳缺口系数数据处理方法。
本发明的另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施所述考虑腐蚀和残余应力的疲劳缺口系数数据处理方法。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述考虑腐蚀和残余应力的疲劳缺口系数数据处理方法分析高强度钢、超高强度钢结构、腐蚀环境使用的耐侵蚀钢的信息处理终端。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
本发明通过缺口表面几何模型重构：利用三维非接触式表面形貌仪扫描获得含腐蚀损伤缺口表面高精度三维点云数据；残余应力分析：采用超声波残余应力测试仪实测结构模拟件缺口部位的残余应力分布；经过数据拟合，得到残余压应力沿深度方向的拟合计算公式；有限元数值分析：采用逆向建模技术建立有限元理论分析模型，进行网格划分，通过分析得到应力集中系数；基于分析得到的腐蚀条件下应力集中系数，根据推导得到的疲劳缺口系数的表达式，计算得到疲劳缺口系数。本发明能考虑缺口表面的腐蚀损伤和喷丸表面强化，由于腐蚀是结构实际服役过程中不可避免的，喷丸强化也是高强度铝合金、高强度钢、超高强度钢起落架结构等不可或缺的表面处理工艺，所以本发明提出的理论计算方法更符合结构服役的实际情况，明显提高了疲劳寿命的预测精度。
本发明能考虑材料微观结构和结构外形尺寸，本发明提出的理论计算方法适用范围更广，普适性好。
对比的技术效果或者实验效果。利用该计算方法，对比分析不同程度腐蚀条件下结构的疲劳寿命理论预测结果与试验结果知，两者相对误差绝对值的均值约为9.6％，准确性相比传统方法有明显提升。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的考虑腐蚀和残余应力的疲劳缺口系数数据处理方法流程图。
图2是本发明实施例提供的结构模拟件示意图。
图3是本发明实施例提供的未腐蚀结构模拟件缺口形貌图。
图4是本发明实施例提供的腐蚀结构模拟件缺口形貌图。
图5是本发明实施例提供的未腐蚀缺口局部形貌原始点云数据图。
图6是本发明实施例提供的腐蚀缺口局部形貌原始点云数据图。
图7是本发明实施例提供的未腐蚀缺口拼接后的NURBS曲面图。
图8是本发明实施例提供的腐蚀缺口拼接后的NURBS曲面图。
图9是本发明实施例提供的未腐蚀缺口网格划分图。
图10是本发明实施例提供的腐蚀缺口网格划分图。
图11是本发明实施例提供的未腐蚀喷丸条件下结构模拟件的网格划分示意图。
图12是本发明实施例提供的未腐蚀喷丸结构模拟件应力分布云图。
图13是本发明实施例提供的腐蚀未喷丸试件应力云图。
图14是本发明实施例提供的腐蚀喷丸试件应力云图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种考虑腐蚀和残余应力的疲劳缺口系数数据处理方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
在本发明中，腐蚀和残余应力影响的考虑腐蚀和残余应力的疲劳缺口系数数据处理方法根据断裂力学理论，经过理论推导得到能考虑材料微观结构(包括晶粒尺寸和内部微观缺陷等)、结构外形尺寸的疲劳缺口系数Kf的表达式
Figure BDA0002519236780000061
式(3)中r为结构缺口半径，如图2所示为4mm；β为形状修正因子，与结构外形尺寸尺寸有关，经计算如图2所示的结构模拟件β为1.1；a0为材料的固有缺陷尺寸，由材料微观结构来确定；Kt为缺口应力集中系数，本发明通过如下分析方法计算得到。
如图1所示，本发明提供的考虑腐蚀和残余应力的疲劳缺口系数数据处理方法包括：
S101，缺口表面几何模型重构：利用三维非接触式表面形貌仪扫描获得缺口表面高精度的三维点云数据。
S102，喷丸残余应力的分析：采用超声波残余应力测试仪实测结构模拟件缺口部位的残余应力分布。经过数据拟合，得到残余压应力沿深度方向的拟合计算公式。
S103，有限元数值分析：建立Geomagic Studio计算模型，缺口表面及附近区域采用非线性四面体C3D4实体单元，其他区域采用六面体实体单元，进行网格划分。将划分好的网格导入ABAQUS软件中进行有限元分析，一端施加固定约束，在另一端施加静拉伸载荷；根据疲劳缺口系数的表达式计算得到疲劳缺口系数。
本发明还提供一种考虑腐蚀和残余应力的疲劳缺口系数数据处理系统包括：
缺口表面几何模型重构模块，利用三维非接触式表面形貌仪扫描获得缺口表面高精度的三维点云数据。
喷丸残余应力的分析模块，采用超声波残余应力测试仪实测结构模拟件缺口部位的残余应力分布。经过数据拟合，得到残余压应力沿深度方向的拟合计算公式。
有限元数值分析模块，建立Geomagic Studio计算模型，缺口表面及附近区域采用非线性四面体C3D4实体单元，其他区域采用六面体实体单元，进行网格划分。将划分好的网格导入ABAQUS软件中进行有限元分析，一端施加固定约束，在另一端施加静拉伸载荷；根据疲劳缺口系数的表达式计算得到疲劳缺口系数。
以如图2所示的半圆形缺口结构模拟件为例进行说明。
(1)缺口表面几何模型重构
利用三维非接触式表面形貌仪扫描获得缺口表面高精度的三维点云数据，如图3和图4所示分别为未腐蚀和实验室加速腐蚀后结构模拟件缺口形貌。
由于缺口尺寸较小，无法通过一次性扫描获得其全貌，因此采取逐个区域扫描的方法，运用Geomagic Studio软件获得原始点云数据，如图5和图6所示分别为未腐蚀和腐蚀结构模拟件原始点云数据。
对获得的原始点云数据进行拼接、后处理，得到完整的缺口表面形貌特征。三维模型需要保留缺口表面真实形貌特征，处理中保留大部分噪点，过滤掉超过设定阈值的孤立噪声点，去除偏离曲面的点。封装后进入多边形阶段，通过细分三角形改善曲面光滑度。最后构造精确曲面布局图，探测轮廓线、曲率线，进而构造曲面片，从而拟合出光顺的NURBS曲面，如图6和图7所示为未腐蚀和腐蚀缺口拼接后的NURBS曲面。图8腐蚀缺口拼接后的NURBS曲面
定义面板类型构造格栅，采用非线性四面体实体单元进行网格划分，如图9和图10所示描述了未腐蚀试件和腐蚀试件缺口网格划分图。
(2)喷丸残余应力的考虑
采用超声波残余应力测试仪实测结构模拟件缺口部位的残余应力分布。经过数据拟合，得到残余压应力沿深度方向的拟合计算公式
y＝C0+C1x+C1x2+…+Cixi (4)
式中，y为残余压应力a；x为距表面深度；C0～Ci为拟合参数。
编写ABAQUS用户子程序将测得的残余压应力引入有限元模型。用户子程序中的部分代码如下：
Figure BDA0002519236780000081
(3)有限元数值分析
针对如图3所示的结构模拟件，建立Geomagic Studio计算模型，缺口表面及附近区域采用非线性四面体实体单元，其他区域采用六面体实体单元，进行网格划分，如图11所示为未腐蚀喷丸条件下结构模拟件的网格划分示意图。
将划分好的网格导入ABAQUS软件中进行有限元分析，一端施加固定约束，在另一端施加静拉伸载荷，图12为未腐蚀喷丸条件下缺口附近应力分布云图。
图13和图14分别为腐蚀未喷丸和腐蚀喷丸结构模拟件应力分布云图。根据图13知腐蚀未喷丸试件最大应力值为1848MPa，根据图14知腐蚀喷丸试件的最大应力值为1785MPa。经过计算，二者的应力集中系数Kt分别为3.21和3.10。
根据式(3)给出的计算公式，可以分别计算得到疲劳缺口系数。
下面结合具体实验数据对本发明作进一步描述。
表1所示为采用本发明计算得到的疲劳寿命理论预测结果和通过试验得到的疲劳寿命结果，经分析知，理论预测结果和试验结果两者相对误差绝对值的均值约为9.6％，预测精度明显提升。
表1试验结果与预测结果
Figure BDA0002519236780000091
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种考虑腐蚀和残余应力的疲劳缺口系数数据处理方法，其特征在于，所述考虑腐蚀和残余应力的疲劳缺口系数数据处理方法根据半圆形缺口结构模拟件材料微观结构、结构外形尺寸的疲劳缺口系数Kf的表达式，得到所述结构模拟件疲劳缺口系数；所述疲劳缺口系数Kf的表达式为：
Figure FDA0002519236770000011
式中r为结构缺口半径；β为形状修正因子，与结构外形尺寸尺寸有关；a0为材料的固有缺陷尺寸，由材料微观结构来确定；Kt为缺口应力集中系数。
2.如权利要求1所述的考虑腐蚀和残余应力的疲劳缺口系数数据处理方法，其特征在于，所述考虑腐蚀和残余应力的疲劳缺口系数数据处理方法进一步包括：
步骤一，带腐蚀损伤的缺口表面几何模型重构：利用三维非接触式表面形貌仪扫描获得缺口表面高精度的三维点云数据；
步骤二，喷丸残余应力的分析：采用超声波残余应力测试仪实测结构模拟件缺口部位的残余应力分布；经过数据拟合，得到残余压应力沿深度方向的拟合计算公式；
步骤三，有限元数值分析：建立Geomagic Studio计算模型，缺口表面及附近区域采用非线性四面体实体单元，其他区域采用六面体实体单元，进行网格划分；将划分好的网格导入软件中进行有限元分析，一端施加固定约束，在另一端施加静拉伸载荷，通过有限元分析得到应力集中系数；根据疲劳缺口系数的表达式计算得到疲劳缺口系数。
3.如权利要求2所述的考虑腐蚀和残余应力的疲劳缺口系数数据处理方法，其特征在于，所述步骤一，采取逐个区域扫描的方法，运用Geomagic Studio软件获得原始点云数据；
对获得的原始点云数据进行拼接、后处理，得到完整的缺口表面形貌特征。
4.如权利要求2所述的考虑腐蚀和残余应力的疲劳缺口系数数据处理方法，其特征在于，所述步骤一，三维模型缺口表面真实形貌特征处理中保留大部分噪点，过滤掉超过设定阈值的孤立噪声点，去除偏离曲面的点；
封装后进入多边形阶段，通过细分三角形改善曲面光滑度；再构造精确曲面布局图，探测轮廓线、曲率线，进而构造曲面片，拟合出光顺的NURBS曲面；采用非线性四面体实体单元进行网格划分。
5.如权利要求2所述的考虑腐蚀和残余应力的疲劳缺口系数数据处理方法，其特征在于，所述步骤二，残余压应力沿深度方向的拟合计算公式为：
y＝C0+C1x+C1x2+…+Cixi
式中，y为残余压应力；x为距表面深度；C0～Ci为拟合参数。
6.如权利要求2所述的考虑腐蚀和残余应力的疲劳缺口系数数据处理方法，其特征在于，所述步骤二，通过ABAQUS用户子程序将测得的残余压应力引入有限元模型。
7.一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行权利要求1～6任意一项所述考虑腐蚀和残余应力的疲劳缺口系数数据处理方法。
8.一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如权利要求1～6任意一项所述考虑腐蚀和残余应力的疲劳缺口系数数据处理方法。
9.一种应用权利要求1～6任意一项所述考虑腐蚀和残余应力的疲劳缺口系数数据处理方法分析高强度钢、超高强度钢结构、腐蚀环境使用的耐侵蚀钢的信息处理终端。
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