CN112800624B - 基于路径规划算法的复合材料寿命预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于路径规划算法的复合材料寿命预测方法，包括步骤：S1：通过对复合材料失效过程的分析，获得复合材料的疲劳裂纹扩展特性；S2：根据疲劳裂纹绕过加强基扩展的特点，建立模拟复合材料中随机颗粒分布的模型，引用Dijkstra算法，模拟裂纹扩展过程的最短路径模型；S3：通过残余应力模型计算残余应力，考虑残余应力修正试件所受载荷的应力比；S4：构造初始裂纹模型得到初始裂纹大小与延伸速率；S5：对Paris公式进行修正；S6：利用修正后的Paris公式对复合材料进行寿命预测；S7：验证寿命预测的准确性。本发明的一种基于路径规划算法的复合材料寿命预测方法，可以更准确地预测复合材料的疲劳寿命。

Description

基于路径规划算法的复合材料寿命预测方法
技术领域
本发明涉及复合材料寿命预测领域，尤其涉及一种基于路径规划算法的复合材料寿命预测方法。
背景技术
复合材料已广泛应用于航空航天、机械、造船等领域。颗粒增强金属材料是类似于金属材料的各向同性材料，和相同金属材料相比有更好的力学性能，目前已经可以通过不同的熔炼工艺批量生产。影响复合材料性能的因素较多，例如陶瓷颗粒增强金属基复合材料，其增强基体体积分数、金属基合金性能，甚至材料的制造工艺都会影响材料性能。复合材料有很多种形式，由于组织结构的不同，复合材料的内应力分布和疲劳裂纹扩展与传统金属材料不同。现有的复合材料疲劳预测方法大多采用传统的疲劳预测模型。在预测过程中替换材料性能参数，以获得疲劳寿命的粗略估计。无法反应材料内部微观失效机理的内容。在研究裂纹扩展时颗粒增强金属基复合材料，发现增强体颗粒在材料中均匀无序分布，正是因为增强粒子的存在阻碍疲劳裂纹的扩展，使复合材料表现出较高的疲劳强度宏观疲劳寿命。裂纹是否穿过加强颗粒取决于当前裂纹尖端应力。在理想的环境中，所有的颗粒不会被穿透，加强粒子可以阻碍疲劳裂纹扩展，增加疲劳寿命。
绕开所有增强颗粒的裂纹行为可以类似于机器人的路径规划，通过路径规划可以预测裂纹路径算法。将裂纹长度和路径规划相结合，可以得到复合材料的裂纹扩展路径以便于准确地预测材料的疲劳寿命。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于路径规划算法的复合材料寿命预测方法，提供了一种利用路径规划算法对裂纹扩展长度进行计算，再基于Paris公式估算颗粒增强金属基复合材料的疲劳裂纹扩展寿命模型。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于路径规划算法的复合材料寿命预测方法，包括步骤：
S1：通过对复合材料失效过程的分析，获得所述复合材料的疲劳扩展特性；
S2：引用Dijkstra算法，模拟裂纹扩展过程的最短路径模型；
S3：通过残余应力模型计算残余应力，考虑残余应力修正试件所受载荷的应力比；
S4：根据所述模型裂纹扩展路径模型和所述残余应力构造一种初始裂纹扩展模型；并利用所述初始裂纹扩展模型得到初始裂纹大小与延伸速率；
S5：利用所述残余应力修正试件所受载荷的应力比、所述初始裂纹大小和所述延伸速率，利用应力比修正Paris公式；
S6：利用修正后的所述Paris公式对所述复合材料进行寿命预测；
所述S4步骤中，分别计算断裂疲劳强度、断裂疲劳应变和断面收缩率，得到断裂疲劳强度和断裂疲劳应变与断面收缩率有关；根据所述断裂疲劳强度、所述断裂疲劳应变和所述断面收缩率得到初始裂纹大小与延伸速率。
本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：
本发明在对颗粒增强金属基复合材料裂纹扩展的研究中发现，当增强颗粒在材料中均匀无序分布时，疲劳裂纹扩展遇到增强颗粒时会发生偏转或突破。正是由于增强颗粒的存在阻碍了疲劳裂纹的扩展，使得复合材料在宏观上表现出较高的疲劳寿命。裂纹是否通过增强颗粒取决于裂纹尖端的当前应力。在理想的环境下，所有的增强颗粒都不会被击穿，这将最大程度地阻碍裂纹的扩展。裂纹绕过所有增强颗粒的行为可以类似于机器人路径规划。利用路径规划算法对裂纹路径的宏观长度进行表达。复合材料的疲劳行为与传统金属有很大的不同。结合裂纹长度和路径规划，可以更准确地预测复合材料的疲劳寿命。现有的复合材料疲劳预测方法大多采用传统的疲劳预测模型。在预测过程中替换材料性能参数，以获得疲劳寿命的粗略估计。这种寿命预测无法反应材料内部微观失效机理的内容，本方法创造性的基于材料微观失效机理进行建模，结合裂纹长度和路径规划，可以更准确地预测复合材料的疲劳寿命。
附图说明
图1为本发明实施例的基于路径规划算法的复合材料寿命预测方法的流程图。
图2为复合材料基体中加强基的随机分布图.
图3为Dijkstra算法在裂纹拓展中的路径规划图。
具体实施方式
下面根据附图1，给出本发明的详细操作示意，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。
请参阅图1，本发明实施例的一种基于路径规划算法的复合材料寿命预测方法，包括步骤：
S1：通过对复合材料失效过程的分析，获得所述复合材料的疲劳扩展特性；
S2：根据Dijkstra算法模拟随机路径的路径规划特点建立模拟碳化硅随机颗粒分布的模型裂纹扩展路径模型，具体操作如下，考虑到复合材料的性质，将加强基看做为随机分布的不规则四边形，如图2所示，由于裂纹尖端的应力强度因子不足以突破加强基，因此通过点之间的路径必须绕过四边形区域。将连接可通过点的线称为可能路径，也就是说，可能的路径不与任何随机四边形边相交。Dijkstra算法将遍历集合起点之间的所有路径通过回溯找到最短路径，算法程序正在运行结果如图3所示；
S3：由于复合材料是由金属和非金属这两种材料的混合物制成的根据温度的不同有不同的膨胀系数，残余应力在冷却过程中产生，在试件加工过程中，残余应力的大小必然影响试件的应力比试件。通过残余应力模型计算残余应力，考虑残余应力修正试件所受载荷的应力比；
残余应力σα的计算公式如下：
Figure BDA0002942130740000041
其中Δα是两种材料膨胀系数之差。Δt制备温度与负载量温度之差。Km、Ki分别表示两种材料的弹性模量。
残余应力的存在会影响试验载荷的应力比一块。考虑残余应力后的应力比R如下所示：
Figure BDA0002942130740000042
其中σmax、σmin分别为应力的最大和最小值。
S4：根据所述模型裂纹扩展路径模型和所述残余应力构造初始裂纹模型；并利用所述初始裂纹模型得到初始裂纹大小与延伸速率，具体操作如下，应首先确定裂纹萌生的初始尺寸，这与裂纹萌生寿命计算。裂纹萌生寿命计算公式：
Figure BDA0002942130740000043
其中
Figure BDA0002942130740000044
为等效应力，
Figure BDA0002942130740000045
为应变的阈值范围，
Figure BDA0002942130740000046
为断裂疲劳应力，
εf＝-In(1-ψ)为断裂疲劳应变。Kt为应力集中系数。
初始的裂纹尺寸为：
Figure BDA0002942130740000051
其中
Figure BDA0002942130740000052
为断裂韧性。σb为抗拉强度。
所述S4步骤中，分别计算断裂疲劳强度、断裂疲劳应变和断面收缩率，得到断裂疲劳强度和断裂疲劳应变与断面收缩率有关；根据所述断裂疲劳强度、所述断裂疲劳应变和所述断面收缩率得到初始裂纹大小与延伸速率。
S5：为了使裂纹扩展寿命预测更加准确，利用所述残余应力修正试件所受载荷的应力比、所述初始裂纹大小和所述延伸速率，用应力比对Paris公式进行修正，
传统的Paris公式：
Figure BDA0002942130740000053
a是裂纹长度，c、m是材料系数。
应力强度因子范围：
Figure BDA0002942130740000054
利用应力比修正后的Paris公式：
Figure BDA0002942130740000055
积分可得到裂纹拓展寿命：
Figure BDA0002942130740000056
其中ac为材料断裂时的裂纹长度，
Figure BDA0002942130740000057
为断裂韧性，n为硬化系数。F为形状因子。
总的寿命：
N＝Ni+Nf
S6：利用修正后的所述Paris公式对所述复合材料进行寿命预测；
本发明实施例的一种基于路径规划算法的复合材料寿命预测方法，核心是利用路径规划算法建立裂纹偏转模型。它可以是指在有障碍物的环境中，根据一定的评价标准找到从起始位置到目标位置的无碰撞路径。环境中障碍物分布的不同，直接影响规划的路径。所以路径规划可以被定义为一种主动行为，它允许机器人或机械设备根据环境选择绕过障碍物的路径。该算法通过宽度优先搜索的方法解决了加权有向图的单源最短路径问题，因此可以用路径规划算法模拟裂纹扩展路径。研究了复合材料的疲劳扩展特性，根据路径规划算法建立了复合材料裂纹扩展路的新模型。估算了复合材料裂纹扩展长度与金属材料裂纹扩展长度的差异。由于复合材料是金属和非金属的混合物，两种材料的膨胀系数因温度不同而不同，在冷却过程中会产生残余应力。在试样的工作过程中，残余应力不可避免地会影响试样的应力比，因此需要利用改进的Paris公式对疲劳寿命进行估算。
本发明从裂纹偏转路径的角度来分析，解释了金属基复合材料的疲劳寿命增加疲劳裂纹长度的增加，裂纹偏折减小了裂纹扩展的有效驱动力。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于路径规划算法的复合材料寿命预测方法，包括步骤：
S1：通过对复合材料失效过程的分析，获得所述复合材料的疲劳扩展特性；
S2：引用Dijkstra算法，模拟裂纹扩展过程的最短路径模型；该算法通过宽度优先搜索的方法解决了加权有向图的单源最短路径问题后，采用路径规划算法构建复合材料的裂纹扩展路径模型；
S3：通过残余应力模型计算残余应力，考虑残余应力修正试件所受载荷的应力比；
S4：根据所述裂纹扩展路径模型和所述残余应力构造一种初始裂纹扩展模型；并利用所述初始裂纹扩展模型得到初始裂纹大小与延伸速率；
所述S4步骤中，分别计算断裂疲劳强度、断裂疲劳应变和断面收缩率，得到断裂疲劳强度和断裂疲劳应变与断面收缩率有关；根据所述断裂疲劳强度、所述断裂疲劳应变和所述断面收缩率得到初始裂纹大小与延伸速率；
S5：利用所述残余应力修正试件所受载荷的应力比、所述初始裂纹大小和所述延伸速率，对Paris公式进行修正；
a是裂纹长度，c、m是材料系数；
Figure FDA0003743130580000011
ΔK为应力强度因子范围；
积分可得到裂纹拓展寿命Nf：
Figure FDA0003743130580000012
其中ac为材料断裂时的裂纹长度，
Figure FDA0003743130580000013
为断裂韧性，n为硬化系数；F为形状因子；
总的寿命：
N＝Ni+Nf；
Ni表示裂纹萌生寿命；
S6：利用修正后的所述Paris公式对所述复合材料进行寿命预测。
2.根据权利要求1所述的基于路径规划算法的复合材料寿命预测方法，其特征在于，S7步骤中，通过实验进行验证。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115620843B (zh) * 2022-10-27 2023-06-09 中国科学院近代物理研究所 用于反应堆棒状燃料非线性力学性能分析的计算方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101122560A (zh) * 2007-08-23 2008-02-13 南京航空航天大学 机械结构的裂纹扩展率和裂纹扩展寿命预测方法
CN106886663A (zh) * 2017-03-29 2017-06-23 北京理工大学 齿轮弯曲疲劳寿命预测方法及装置
CN112129660A (zh) * 2020-08-10 2020-12-25 北京工业大学 一种喷丸处理后的搅拌摩擦焊接头疲劳寿命预测方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102129512A (zh) * 2011-02-24 2011-07-20 西北工业大学 基于Paris公式的疲劳寿命分析方法
CN103308381B (zh) * 2013-06-07 2014-10-01 合肥通用机械研究院 一种疲劳裂纹扩展速率归一化预测方法
CN104850691B (zh) * 2015-05-05 2017-11-10 南京市特种设备安全监督检验研究院 一种基于多因素融合修正的结构件裂纹扩展预测方法
CN106596261A (zh) * 2016-07-05 2017-04-26 北京航空航天大学 一种测量焊接板件垂直于焊缝方向的本征疲劳裂纹扩展速率的方法
CN106568660B (zh) * 2016-10-14 2019-06-25 中国人民解放军海军航空工程学院青岛校区 一种复合材料胶接修补结构的剩余疲劳寿命的预测方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101122560A (zh) * 2007-08-23 2008-02-13 南京航空航天大学 机械结构的裂纹扩展率和裂纹扩展寿命预测方法
CN106886663A (zh) * 2017-03-29 2017-06-23 北京理工大学 齿轮弯曲疲劳寿命预测方法及装置
CN112129660A (zh) * 2020-08-10 2020-12-25 北京工业大学 一种喷丸处理后的搅拌摩擦焊接头疲劳寿命预测方法

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