CN111678990A - 基于固有频率的超声疲劳裂纹扩展速率测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于固有频率的超声疲劳裂纹扩展速率测量方法，具体为：对试样材料进行超声疲劳试验，并实时采集超声疲劳试验的固有频率；对试样材料的断口进行分析，获取其疲劳裂纹源位置，并获取其裂纹源类型；采用有限元分析法获取疲劳裂纹长度与固有频率之间的关系公式；根据固有频率和关系公式，获取疲劳裂纹的长度以及每周次裂纹扩展的单位长度；通过疲劳裂纹长度和裂纹源类型获取裂纹尖端最大应力强度因子值；通过裂纹尖端最大应力强度因子值和每周次裂纹扩展的单位长度获取超声疲劳裂纹扩展速率。本发明通过有限元分析法获得疲劳裂纹长度与固有频率之间的关系公式，可以准确获取裂纹长度，且保证了裂纹扩展速率测量的精确度。

Description

基于固有频率的超声疲劳裂纹扩展速率测量方法
技术领域
本发明材料超声疲劳测试技术领域，具体涉及基于固有频率的超声疲劳裂纹扩展速率测量方法。
背景技术
材料的超高周疲劳研究是国家航空航天航空航空器、汽车、海洋平台以及轨道交通等国家重大工程与装备安全服役的基本保障，超声振动加速疲劳试验技术是开展超高周疲劳研究最直接有效的方法，然而，其共振时的加载原理将振动位移换算为应力，通过放大装置施加在试样上，加载频率达到20kHz。然而，超声疲劳试验仅能得到加载应力所对应的寿命，加载过程中的应力、应变等关键力学信息均无法直接采集，同时超高周疲劳裂纹往往从试样内部萌生，裂纹的形成与扩展无法通过常规手段进行观察分析，导致疲劳失效过程的损伤演化分析没有实验依据。超声疲劳试验过程存在的问题：
(1)超高周疲劳裂纹从内部萌生并扩展，常规表面观察手段无法测量；
(2)超高周疲劳裂纹的关键是小裂纹的行为(小于500微米)，即使裂纹从表面萌生，常规裂纹测量手段无法预测并跟踪裂纹位置；
(3)超声加载频率20kHz，常规裂纹测量手段采集频率高，数据量大，对数据传输带宽、存储介质容量要求极高；
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的基于固有频率的超声疲劳裂纹扩展速率测量方法解决了现有技术裂纹测量不准确，无法测量裂纹速率的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于固有频率的超声疲劳裂纹扩展速率测量方法，包括以下步骤：
S1、对试样材料进行超声疲劳试验，并实时采集超声疲劳试验的固有频率；
S2、判断试样材料是否断裂，若是，则对其进行断口分析，获取其疲劳裂纹源位置，并进入步骤S3，否者重复步骤S2；
S3、对疲劳裂纹源位置进行分析，获取其裂纹源类型；
S4、采用有限元分析法获取疲劳裂纹长度与固有频率之间的关系公式；
S5、根据固有频率和关系公式，获取疲劳裂纹的长度以及每周次裂纹扩展的单位长度；
S6、通过疲劳裂纹长度和裂纹源类型获取裂纹尖端最大应力强度因子值；
S7、通过裂纹尖端最大应力强度因子值和每周次裂纹扩展的单位长度获取超声疲劳裂纹扩展速率。
进一步地，所述步骤S2中对试样材料进行断口分析的具体方法为：采用电子显微镜确定疲劳裂纹源的扩展区域和瞬断区域，获取扩展区域中的放射状河流花样分布特征，将放射状河流花样分布特征的指向中心作为疲劳裂纹源位置。
进一步地，所述步骤S3的具体方法为：采集裂纹源与断口表面中心的距离d，并判断距离d是否小于疲劳试样标距段半径r，若是，则裂纹源为内部裂纹源，否则裂纹源为外部裂纹源。
进一步地，所述步骤S4中疲劳裂纹长度与固有频率之间的关系公式具体为：
a＝eAf(a,d)+B
其中，f(a,d)表示固有频率，a表示裂纹长度，d表示裂纹源到断口表面中心的距离，A表示距离d与裂纹源位置的关联参数，B表示距离d与试样材料大小的关联参数。
进一步地，所述步骤S5中每周次裂纹扩展的单位长度为da/dN，其中，N表示疲劳循环加载的周次。
进一步地，所述步骤S6通过疲劳裂纹长度和裂纹源类型获取裂纹尖端最大应力强度因子值为：
Figure BDA0002547221310000031
其中，ΔKs表示表面裂纹尖端最大应力强度因子值，ΔKi表示内部裂纹尖端最大应力强度因子值，Δσ表示应力加载半幅。
进一步地，所述步骤S7通过裂纹尖端最大应力强度因子值和每周次裂纹扩展的单位长度获取超声疲劳裂纹扩展速率为：
Figure BDA0002547221310000032
Figure BDA0002547221310000033
其中，rateos表示表面裂纹的超声疲劳裂纹扩展速率，ratein表示内部裂纹的超声疲劳裂纹扩展速率，Cs表示裂纹从表面萌生时的材料系数，ms表示裂纹从表面萌生时的材料指数，Ci表示裂纹从内部萌生时的材料系数，mi表示裂纹从内部萌生时的材料指数。
本发明的有益效果为：
(1)本发明利用固有频率对裂纹长度的敏感性，结合断口分析确定裂纹源位置后，利用有限元技术可定量获得不同疲劳寿命下的裂纹长度，并可利用最后断裂时的裂纹长度和固有频率，对以上分析工作进一步验证，确保所得裂纹长度数据的准确性。
(2)本发明中裂纹长度的获得是通过试样固有频率的变化来间接获得的，无论表面还是内部萌生的裂纹均会对试样频率形成影响，因此对常规外部检测手段无效的内部裂纹同样适用。
(3)本发明固有频率数据易采集，有限元分析规律性强，且可利用APDL编程可将分析过程程序化，适用性强。
附图说明
图1为本发明提出的基于固有频率的超声疲劳裂纹扩展速率测量方法流程图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
下面结合附图详细说明本发明的实施例。
如图1所示，一种基于固有频率的超声疲劳裂纹扩展速率测量方法，包括以下步骤：
S1、对试样材料进行超声疲劳试验，并实时采集超声疲劳试验的固有频率；
S2、判断试样材料是否断裂，若是，则对其进行断口分析，获取其疲劳裂纹源位置，并进入步骤S3，否者重复步骤S2；
S3、对疲劳裂纹源位置进行分析，获取其裂纹源类型；
S4、采用有限元分析法获取疲劳裂纹长度与固有频率之间的关系公式；
S5、根据固有频率和关系公式，获取疲劳裂纹的长度以及每周次裂纹扩展的单位长度；
S6、通过疲劳裂纹长度和裂纹源类型获取裂纹尖端最大应力强度因子值；
S7、通过裂纹尖端最大应力强度因子值和每周次裂纹扩展的单位长度获取超声疲劳裂纹扩展速率。
所述步骤S2中对试样材料进行断口分析的具体方法为：采用电子显微镜确定疲劳裂纹源的扩展区域和瞬断区域，获取扩展区域中的放射状河流花样分布特征，将放射状河流花样分布特征的指向中心作为疲劳裂纹源位置。
所述步骤S3的具体方法为：采集裂纹源与断口表面中心的距离d，并判断距离d是否小于疲劳试样标距段半径r，若是，则裂纹源为内部裂纹源，否则裂纹源为外部裂纹源。
所述步骤S4中疲劳裂纹长度与固有频率之间的关系公式具体为：
a＝eAf(a,d)+B
其中，f(a,d)表示固有频率，a表示裂纹长度，d表示裂纹源到断口表面中心的距离，A表示距离d与裂纹源位置的关联参数，B表示距离d与试样材料大小的关联参数。
所述步骤S5中每周次裂纹扩展的单位长度为da/dN，其中，N表示疲劳循环加载的周次。
所述步骤S6通过疲劳裂纹长度和裂纹源类型获取裂纹尖端最大应力强度因子值为：
Figure BDA0002547221310000051
其中，ΔKs表示表面裂纹尖端最大应力强度因子值，ΔKi表示内部裂纹尖端最大应力强度因子值，Δσ表示应力加载半幅。
所述步骤S7通过裂纹尖端最大应力强度因子值和每周次裂纹扩展的单位长度获取超声疲劳裂纹扩展速率为：
Figure BDA0002547221310000052
Figure BDA0002547221310000061
其中，rateos表示表面裂纹的超声疲劳裂纹扩展速率，ratein表示内部裂纹的超声疲劳裂纹扩展速率，Cs表示裂纹从表面萌生时的材料系数，ms表示裂纹从表面萌生时的材料指数，Ci表示裂纹从内部萌生时的材料系数，mi表示裂纹从内部萌生时的材料指数。
本发明的有益效果为：
(1)本发明利用固有频率对裂纹长度的敏感性，结合断口分析确定裂纹源位置后，利用有限元技术可定量获得不同疲劳寿命下的裂纹长度，并可利用最后断裂时的裂纹长度和固有频率，对以上分析工作进一步验证，确保所得裂纹长度数据的准确性。
(2)本发明中裂纹长度的获得是通过试样固有频率的变化来间接获得的，无论表面还是内部萌生的裂纹均会对试样频率形成影响，因此对常规外部检测手段无效的内部裂纹同样适用。
(3)本发明固有频率数据易采集，有限元分析规律性强，且可利用APDL编程可将分析过程程序化，适用性强。

Claims (7)

1.一种基于固有频率的超声疲劳裂纹扩展速率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对试样材料进行超声疲劳试验，并实时采集超声疲劳试验的固有频率；
S2、判断试样材料是否断裂，若是，则对其进行断口分析，获取其疲劳裂纹源位置，并进入步骤S3，否者重复步骤S2；
S3、对疲劳裂纹源位置进行分析，获取其裂纹源类型；
S4、采用有限元分析法获取疲劳裂纹长度与固有频率之间的关系公式；
S5、根据固有频率和关系公式，获取疲劳裂纹的长度以及每周次裂纹扩展的单位长度；
S6、通过疲劳裂纹长度和裂纹源类型获取裂纹尖端最大应力强度因子值；
S7、通过裂纹尖端最大应力强度因子值和每周次裂纹扩展的单位长度获取超声疲劳裂纹扩展速率。
2.根据权利要求1所述的基于固有频率的超声疲劳裂纹扩展速率测量方法，其特征在于，所述步骤S2中对试样材料进行断口分析的具体方法为：采用电子显微镜确定疲劳裂纹源的扩展区域和瞬断区域，获取扩展区域中的放射状河流花样分布特征，将放射状河流花样分布特征的指向中心作为疲劳裂纹源位置。
3.根据权利要求1所述的基于固有频率的超声疲劳裂纹扩展速率测量方法，其特征在于，所述步骤S3的具体方法为：采集裂纹源与断口表面中心的距离d，并判断距离d是否小于疲劳试样标距段半径r，若是，则裂纹源为内部裂纹源，否则裂纹源为外部裂纹源。
4.根据权利要求1所述的基于固有频率的超声疲劳裂纹扩展速率测量方法，其特征在于，所述步骤S4中疲劳裂纹长度与固有频率之间的关系公式具体为：
a＝eAf(a,d)+B
其中，f(a,d)表示固有频率，a表示裂纹长度，d表示裂纹源到断口表面中心的距离，A表示距离d与裂纹源位置的关联参数，B表示距离d与试样材料大小的关联参数。
5.根据权利要求4所述的基于固有频率的超声疲劳裂纹扩展速率测量方法，其特征在于，所述步骤S5中每周次裂纹扩展的单位长度为da/dN，其中，N表示疲劳循环加载的周次。
6.根据权利要求5所述的基于固有频率的超声疲劳裂纹扩展速率测量方法，其特征在于，所述步骤S6通过疲劳裂纹长度和裂纹源类型获取裂纹尖端最大应力强度因子值为：
Figure FDA0002547221300000021
其中，ΔKs表示表面裂纹尖端最大应力强度因子值，ΔKi表示内部裂纹尖端最大应力强度因子值，Δσ表示应力加载半幅。
7.根据权利要求6所述的基于固有频率的超声疲劳裂纹扩展速率测量方法，其特征在于，所述步骤S7通过裂纹尖端最大应力强度因子值和每周次裂纹扩展的单位长度获取超声疲劳裂纹扩展速率为：
Figure FDA0002547221300000022
Figure FDA0002547221300000023
其中，rateos表示表面裂纹的超声疲劳裂纹扩展速率，ratein表示内部裂纹的超声疲劳裂纹扩展速率，Cs表示裂纹从表面萌生时的材料系数，ms表示裂纹从表面萌生时的材料指数，Ci表示裂纹从内部萌生时的材料系数，mi表示裂纹从内部萌生时的材料指数。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112285140A (zh) * 2020-10-20 2021-01-29 北京航空航天大学 一种单晶超高周疲劳内部裂纹早期扩展速率定量表征方法
CN112666013A (zh) * 2020-11-03 2021-04-16 四川大学 基于热耗散的高效率原位超声疲劳实验系统及其实现方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106501369A (zh) * 2016-10-11 2017-03-15 北京工业大学 一种风机叶片裂纹位置确定方法
CN108920792A (zh) * 2018-06-21 2018-11-30 北京工业大学 一种基于小裂纹扩展的搅拌摩擦焊构件疲劳寿命预测方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106501369A (zh) * 2016-10-11 2017-03-15 北京工业大学 一种风机叶片裂纹位置确定方法
CN108920792A (zh) * 2018-06-21 2018-11-30 北京工业大学 一种基于小裂纹扩展的搅拌摩擦焊构件疲劳寿命预测方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
U ANDREAUS等: "Fatigue crack growth, free vibrations, and breathing crack detection of aluminium alloy and steel beams", 《J. STRAIN ANALYSIS》 *
刘建涛等: "结构疲劳长裂纹扩展速率新模型研究", 《应用数学和力学》 *
刘文光: "结构共振疲劳试验及裂纹构件的振动疲劳耦合分析", 《中国博士学位论文全文数据库》 *
门长峰等: "基于有限元的三点弯曲试样固有频率研究", 《天津工程师范学院学报》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112285140A (zh) * 2020-10-20 2021-01-29 北京航空航天大学 一种单晶超高周疲劳内部裂纹早期扩展速率定量表征方法
CN112666013A (zh) * 2020-11-03 2021-04-16 四川大学 基于热耗散的高效率原位超声疲劳实验系统及其实现方法
CN112666013B (zh) * 2020-11-03 2022-01-07 四川大学 基于热耗散的高效率原位超声疲劳实验系统及其实现方法

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