CN112883602B - 一种多尺度疲劳裂纹萌生寿命仿真预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种多尺度疲劳裂纹萌生寿命仿真预测方法，属于工程材料疲劳失效分析领域。本发明的一种多尺度疲劳裂纹萌生寿命仿真预测方法：通过表面完整性、微观组织以及化学成分的材料初始状态分析，分子动力学仿真分析，刚度矩阵二维变换，取向因子确定，裂纹方向确定，有限元多晶模型仿真分析，最终确定疲劳裂纹萌生寿命。本发明采用坐标变换的方法，实现从三维刚度矩阵到二维刚度矩阵的转换，同时实现晶粒取向因子的坐标变换；本发明采用原子尺度分子动力学模型、微观尺度多晶有限元模型和宏观尺度有限元模型不同尺度相结合的方法，能够准确的预测疲劳裂纹萌生位置、方向、以及疲劳裂纹萌生寿命，对于疲劳失效分析具有巨大的应用价值。

Description

一种多尺度疲劳裂纹萌生寿命仿真预测方法
技术领域
本发明涉及一种多尺度疲劳裂纹萌生寿命仿真预测方法，属于工程材料疲劳失效分析领域。
背景技术
随着对于设备运行可靠性要求的不断提升，关键件的疲劳失效成为亟待解决的关键问题。疲劳失效通常分为两个阶段，分别为疲劳裂纹萌生阶段和疲劳裂纹扩展阶段。其中，疲劳裂纹萌生阶段往往占据构件疲劳寿命的大部分，尤其针对高周和超高周疲劳问题，疲劳裂纹萌生寿命占据构件疲劳寿命的90％以上。因此，对构件的疲劳裂纹萌生寿命进行准确的预测有着十分重要的意义。
传统的疲劳裂纹萌生寿命预测方法，主要有名义应力法、局部应变法、局部应力-应变法等。传统疲劳裂纹萌生寿命预测方法以宏观的应力场和应变场，针对缺陷区域进行分析，结合S-N曲线，最终得到缺陷区域的疲劳裂纹萌生寿命。传统疲劳裂纹萌生寿命的预测方法依赖于S-N曲线，并且未能考虑到表层材料微观组织、应力状态对于疲劳寿命的影响，预测结果有较大的误差，并且还需要大量的试验数据。
针对上述缺陷，日本的Mura等人提出Tanaka-Mura模型，该模型从晶粒内的位错运动出发，以裂纹萌生能作为判据，根据晶粒相应滑移系的分切应力得到疲劳裂纹萌生寿命。该方法相对于传统预测模型，从微纳观尺度位错运动出发，得到的结果更加具有说服力。但是由于材料的临界分切应力、裂纹萌生能、晶粒材料本构等参数难以获得的原因，极大的限制该模型的实际应用。
发明内容
针对传统疲劳裂纹萌生寿命预测模型不能考虑微观组织的影响、预测结果不准确的问题，本发明基于Tanaka-Mura模型，提出一种多尺度疲劳裂纹萌生寿命仿真预测方法，考虑微观组织、残余应力、表面粗糙度的影响，从原子尺度的分子动力学仿真分析出发，最终建立考虑实际微观组织的有限元多晶模型，并在有限元多晶模型仿真的结果上，对疲劳裂纹萌生寿命进行预测，预测结果准确，仿真效率高。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种多尺度疲劳裂纹萌生寿命仿真预测方法，包括如下步骤：
步骤1、材料初始状态分析：
针对具体工程材料，通过试验获得材料的初始状态。
步骤1的具体实现方法为：
步骤1.1、表面完整性分析：
通过白光干涉仪、激光共聚焦显微镜、粗糙度仪获得材料的初始表面粗糙度。通过X射线衍射、超声波对材料残余应力进行测量，获得残余材料内残余应力的分布。
步骤1.2、微观组织分析：
采用光学显微镜、扫描电镜、电子背散射，对材料的微观组织进行观察和测量，获得材料的晶粒尺寸、晶体织构、组织结构信息。
步骤1.3、化学成分分析：
采用化学分析法、光谱分析法对材料的化学成分进行测量，得到材料内各化学元素的组分。
步骤2、分子动力学仿真分析：
基于步骤1得到的材料微观组织结构和化学组成，建立对应的分子动力学单晶模型，并对该模型进行加载，获得单晶模型的三维刚度矩阵、剪切模量、泊松比、临界分切应力、裂纹萌生能，晶体滑移系信息。
步骤3、刚度矩阵二维变换：
根据步骤2得到的单晶模型三维刚度矩阵，考虑实际模型内的晶体取向，对三维刚度矩阵进行坐标变换，得到相应的二维刚度矩阵。
步骤3的具体实现方法为：
步骤3.1、生成随机取向：
根据步骤1中获得的材料晶体织构信息，采用相应的随机函数获得随机晶粒的欧拉角α,β,γ。
步骤3.2、坐标变换矩阵：
根据步骤3.1中得到的欧拉角α，β，γ，得到相应晶粒的坐标变换矩阵TR。
晶体的坐标变换矩阵采用Bunge约定，即：①晶体先绕z轴旋转α角；②在①的基础上，绕x轴旋转β角；③在①和②的基础上，再次绕z轴旋转γ角。
晶体绕x轴旋转β角的坐标变换矩阵Rx为：
Figure BDA0002900093940000021
晶体绕z轴旋转α角的坐标变换矩阵Rz1为：
Figure BDA0002900093940000022
晶体绕z轴旋转γ角的坐标变换矩阵Rz2为：
Figure BDA0002900093940000031
因此，晶体的实际坐标变换矩阵TR为：
Figure BDA0002900093940000032
其中，c1为cos(α)，c2为cos(β)，c3为cos(γ)，s1为sin(α)，s2为sin(β)，s3为sin(γ)。
步骤3.3、刚度矩阵变换：
根据步骤3.2中得到的坐标变换矩阵，对步骤2中得到的单晶材料三维刚度矩阵进行坐标变换，获得任意取向晶粒的二维刚度矩阵。
步骤4、确定取向因子：
根据步骤2中得到的晶体滑移系，根据材料的实际受力情况，确定材料的取向因子。
步骤4的具体实现方法为：
步骤4.1、确定滑移面和滑移方向：
根据步骤2中得到的晶体滑移系，得到晶体的滑移面{HKL}和滑移方向<UVW>。
步骤4.2、滑移系坐标变换：
根据步骤3中得到的坐标变换矩阵，对步骤4.1中得到的滑移面{HKL}做坐标变换得到宏观坐标系下的滑移面{H1K1L1}，同样对<UVW>做坐标变换得到宏观滑移方向<U1V1W1>。
{H1K1L1}T＝TR{HKL}T (5)
<U1V1W1>T＝TR<UVW>T (6)
步骤4.3、确定宏观取向因子SF：
取向因子
Figure BDA0002900093940000033
其中，
Figure BDA0002900093940000034
为外加载荷方向与宏观滑移面法向的夹角，θ为外加载荷与宏观滑移方向之间的夹角。
当外加载荷方向为<abc>，由步骤4.2得每个晶粒对应的宏观滑移面法向为{H1K1L1}，宏观滑移方向为<U1V1W1>，采用向量表达得到相应晶粒的取向因子：
Figure BDA0002900093940000035
步骤5、确定裂纹方向：
根据步骤4.2中得到的宏观滑移面法向{H1K1L1}，当宏观有限元模型平面法向为{MNP}时，二平面的交线即为裂纹位置和方向，通过两个面法向叉乘得到裂纹方向向量{ABC}为：
{ABC}＝{H1K1L1}×{MNP} (8)
步骤6、有限元多晶模型仿真分析：
根据步骤1中获得的晶粒尺寸，采用Voronoi多边形方法，生成相应晶粒大小的多晶模型，同时根据步骤3中获得的刚度矩阵，仿真得到在给定载荷条件下的应力分布。
步骤6的具体实现方法为：
步骤6.1、建立试样等比例模型：
根据试样的实际受力情况，建立等比例的有限元模型，仿真并得到材料在单次疲劳加载下的变形和应力分布情况。
步骤6.2、建立多晶模型：
针对试样裂纹萌生危险区域，根据步骤1中获得的晶粒尺寸和晶体织构信息，采用Voronoi方法，建立相应的多晶有限元几何模型，同时，根据步骤3中获得的晶粒刚度矩阵，建立相应的各向异性本构物理模型。
进一步的，采用子模型的方法，根据步骤6.1中得到的变形情况，建立相应的边界约束条件。
步骤6.3、仿真分析：
提交步骤6.2中所建立的有限元模型，并得到各晶粒的应变和应力场，同时，提取并输出节点的坐标、应力以及多晶模型几何信息。
步骤7、确定疲劳裂纹萌生寿命：
根据步骤2中分子动力学仿真得到的晶粒剪切模量，裂纹萌生能，临界分切应力信息，根据Tanaka-Mura模型，得到疲劳裂纹萌生寿命：
步骤7的具体实现方法为：
步骤7.1、确定分切应力
Figure BDA0002900093940000045
根据步骤6中输出的节点应力信息，提取节点各个方向的受力情况，得到各节点所受合力F，同时，根据步骤4.3中得到的宏观取向因子，得到节点的分切应力：
Figure BDA0002900093940000041
步骤7.2、确定裂纹长度ds：
根据步骤6中输出的多晶模型几何信息和节点坐标信息，根据节点坐标得到节点所在的晶粒编号和相应晶粒的几何信息，结合步骤4中得到的裂纹方向，得到裂纹和相应晶粒的两个交点P1＝(x1，y1)和P2＝(x2，y2)，由此得到模型内各节点对应的裂纹长度：
Figure BDA0002900093940000042
步骤7.3、确定疲劳裂纹萌生寿命Ns：
根据Tanaka-Mura模型，代入步骤2中得到的剪切模量μ，裂纹萌生能Wc，临界分切应力CRSS，泊松比v以及步骤7.1和步骤7.2中得到的各节点对应的分切应力
Figure BDA0002900093940000043
和裂纹长度ds，得到的疲劳裂纹萌生寿命Ns为：
Figure BDA0002900093940000044
有益效果：
1、本发明公开的一种多尺度疲劳裂纹萌生寿命仿真预测方法，采用坐标变换的方法，实现从三维刚度矩阵到二维刚度矩阵的转换，能够更加准确的描述晶体材料的力学特性；同时实现晶粒取向因子的坐标变换，能够根据试样的实际受力状态，准确的得出疲劳裂纹的萌生方向，仿真结果更加准确可靠。
2、本发明公开的一种多尺度疲劳裂纹萌生寿命仿真预测方法，采用原子尺度分子动力学模型、微观尺度多晶有限元模型和宏观尺度有限元模型不同尺度相结合的方法，更加贴近材料的实际疲劳失效过程，能够准确的预测疲劳裂纹萌生寿命、疲劳裂纹萌生位置和方向，对于疲劳失效分析具有巨大的应用价值。
附图说明
图1本发明的一种多尺度疲劳裂纹萌生寿命仿真预测方法流程图；
图2为试样表面残余应力分布图；
图3为45CrNiMoVA材料微观组织示意图；
图4为分子动力学单晶模型示意图；
图5为45CrNiMoVA材料滑移系示意图；
图6为坐标变换示意图；
图7为晶粒旋转的Bunge约定示意图；
图8为取向因子示意图；
图9为扭转疲劳等比例模型示意图；
图10为等比例模型应力场分布示意图；
图11为有限元多晶几何模型示意图；
图12为多晶模型应力场分布示意图；
图13为裂纹萌生预测结果图。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
采用本发明方法对高强度钢45CrNiMoV的扭转疲劳裂纹萌生寿命进行预测测量，包括如下步骤：
步骤1、材料微观组织分析：
针对具体工程材料45CrNiMoVA，通过试验获得材料的初始状态。
步骤1的具体实现方法为：
步骤1.1、表面完整性分析：
通过白光干涉仪、激光共聚焦显微镜、粗糙度仪获得材料的初始表面粗糙度。通过X射线衍射、超声波对材料残余应力进行测量，获得残余材料内残余应力的分布，试样表面残余应力分布如图2所示，试样表面存在较大的残余压应力。
步骤1.2、微观组织分析：
采用光学显微镜、扫描电镜、电子背散射，对材料的微观组织进行观察和测量，获得材料的晶粒尺寸、晶体织构、组织结构信息，材料的微观组织如图3所示，材料晶粒分布较为均匀，不存在明显的织构。
步骤1.3、化学成分分析：
采用化学分析法、光谱分析法对材料的化学成分进行测量，得到材料内各化学元素的组分，材料化学组成如表1所示。
表1 45CrNiMoVA材料化学元素组成
Figure BDA0002900093940000061
步骤2、分子动力学仿真分析：
基于步骤：1得到的45CrNiMoV材料微观组织结构和化学组成，得出该材料主要组织为淬火马氏体，由此建立对应的分子动力学单晶模型，相应的分子动力学模型如图4所示，模型包含45CrNiMoV材料中主要的Fe、Ni、Cr三种元素，且三种元素按照该材料的百分含量均匀分布。
对该模型进行加载，获得单晶模型的三维刚度矩阵D、晶体滑移系信息，晶体滑移情况如图5所示，由图可知，晶体内主要的滑移系为{110}<111>滑移系。
Figure BDA0002900093940000062
其中，D为三维刚度矩阵，同时，得到材料的剪切模量为μ＝718MPa，泊松比v＝0.3，临界分切应力CRSS＝108MPa、裂纹萌生能Wc＝2kJ/m2。
步骤3、刚度矩阵二维变换：
根据步骤2得到的单晶模型三维刚度矩阵，考虑实际模型内的晶体取向，利用MATLAB软件，对三维刚度矩阵进行坐标变换，得到相应的二维刚度矩阵，如图6所示，当材料足够薄时，可以将材料简化为二维，此时可以用二维刚度矩阵对材料的宏观性能进行描述，而二维刚度矩阵可以通过材料内晶体的三维刚度矩阵通过坐标变换得到。
步骤3的具体实现方法为：
步骤3.1、生成随机取向：
根据步骤1中获得的材料晶体织构信息，得出45CrNiMoV材料内晶向均匀随机分布，利用MATLAB软件，采用均匀随机函数获得随机晶粒的欧拉角α，β，γ。
步骤3.2、确定坐标变换矩阵：
晶体的坐标变换矩阵采用Bunge约定，晶粒旋转过程如图7所示，即：①晶体先绕Z轴旋转α角；②在①的基础上，绕X轴旋转β角；③在①和②的基础上，再次绕Z轴旋转γ角。
晶体绕X轴旋转β角的坐标变换矩阵Rx为：
Figure BDA0002900093940000071
晶体绕Z轴旋转α角的坐标变换矩阵Rz1为：
Figure BDA0002900093940000072
晶体绕Z轴旋转γ角的坐标变换矩阵Rz2为：
Figure BDA0002900093940000073
因此，晶体的实际坐标变换矩阵TR为：
Figure BDA0002900093940000074
其中，c1为cos(α)，c2为cos(β)，c3为cos(γ)，s1为sin(α)，s2为sin(β)，s3为sin(γ)。
步骤3.2、刚度矩阵变换：
根据步骤3.2中得到的坐标变换矩阵，对步骤2中得到的单晶材料三维刚度矩阵进行坐标变换，获得任意取向晶粒的刚度矩阵。
步骤4、确定取向因子：
根据步骤1中得到的晶体滑移系，得知45CrNiMoV材料淬火马氏体晶粒内的滑移系主要为{110}<111>，在扭转疲劳过程中，试样主要承受剪切载荷，由此得到材料的取向因子。
步骤4的具体实现方法为：
步骤4.1、确定滑移面和滑移方向：
根据步骤1中得到的晶体滑移系，得到晶体的滑移面{HKL}，主要为{110}晶面；滑移方向<UVW>，主要为<111>方向。
步骤4.2、滑移系坐标变换：
根据步骤3中得到的坐标变换矩阵，对步骤4.1中得到的滑移面{HKL}做坐标变换得到宏观坐标系下的滑移面{H1K1L1}，同样对<UVW>做坐标变换得到宏观滑移方向<U1V1W1>。
{H1K1L1}T＝TR{HKL}T (17)
<U1V1W1>T＝TR<UVW>T (18)
步骤4.3、确定宏观取向因子SF：
取向因子
Figure BDA0002900093940000081
如图8所示，其中，
Figure BDA0002900093940000082
为剪切载荷方向与宏观滑移面法向的夹角，θ为外加载荷与宏观滑移方向之间的夹角。对45CrNiMoVA材料剪切疲劳而言，设置剪切载荷方向为<abc>＝<100>，由步骤4.2得每个晶粒对应的宏观滑移面法向为{H1K1L1}，宏观滑移方向为<U1V1W1>，采用向量表达得到相应晶粒的取向因子：
Figure BDA0002900093940000083
步骤5、确定裂纹方向{ABC}：
根据步骤4.2中得到的宏观滑移面法向{H1K1L1}，设置宏观有限元模型平面为{MNP}＝{001}时，二平面的交线即为裂纹位置和方向，通过两个面法向叉乘得到裂纹方向向量：
{ABC}＝{H1K1L1}×{MNP} (20)
步骤6、有限元多晶模型仿真分析：根据步骤1中获得的晶粒尺寸，采用Voronoi多边形方法，生成相应晶粒大小的多晶模型，同时根据步骤3中获得的刚度矩阵，得到在给定载荷条件下的应力分布。
步骤6的具体实现方法为：
步骤6.1、建立试样等比例模型：
根据试样的实际受力情况，试样承受扭转载荷，由此建立等比例的有限元模型，有限元模型如图9所示。得到材料在单次疲劳加载下的变形和应力分布情况，应力分布情况如图10所示。
步骤6.2、建立多晶模型：
针对试样裂纹萌生危险区域，根据步骤1中获得的晶粒尺寸和晶体织构信息，得知45CrNiMoV材料的平均晶粒尺寸为3μm，采用Voronoi方法，建立20μm×20μm大小的有限元模型，在其中均匀分布30个晶粒，由此建立相应的多晶有限元几何模型，有限元几何模型如图11所示。同时，根据步骤3中获得的晶粒刚度矩阵，建立相应的各向异性本构模型，为每个不同取向的晶粒赋予不同的本构模型。
进一步的，采用子模型的方法，根据步骤6.1中得到的变形情况，建立相应的边界约束条件。
步骤6.3、仿真分析：
提交步骤6.2中所建立的有限元模型，得到各晶粒的应变和应力场，同时，提取并输出节点的坐标、应力以及多晶模型几何信息，多晶模型应力场分布如图12所示。
步骤7、确定疲劳裂纹萌生寿命：
根据步骤2中分子动力学仿真得到的晶粒剪切模量μ，裂纹萌生能Wc，临界分切应力等信息，根据Tanaka-Mura模型，得到疲劳裂纹萌生寿命。
步骤7的具体实现方法为：
步骤7.1、确定分切应力
Figure BDA0002900093940000095
根据步骤6中输出的节点应力信息，提取节点各个方向的受力情况，得到各节点所受合力F，同时，根据步骤4.3中得到的宏观取向因子，得到节点的分切应力：
Figure BDA0002900093940000091
步骤7.2、确定裂纹长度ds：
根据步骤6中输出的多晶模型几何信息和节点坐标信息，根据节点坐标得到节点所在的晶粒编号和相应晶粒的几何信息，结合步骤4中得到的裂纹方向，得到裂纹和相应晶粒的两个交点P1＝(x1，y1)和P2＝(x2，y2)，由此得到模型内各节点对应的裂纹长度：
Figure BDA0002900093940000092
步骤7.3、确定疲劳裂纹萌生寿命Ns：
根据Tanaka-Mura模型，代入步骤2中得到的剪切模量μ＝718MPa，裂纹萌生能Wc＝2kJ/m2，临界分切应力CRSS＝108MPa，泊松比v＝0.3以及步骤7.1和步骤7.2中得到的各节点对应的分切应力
Figure BDA0002900093940000093
和裂纹长度ds，得到的疲劳裂纹萌生寿命Ns为：
Figure BDA0002900093940000094
最终得到的疲劳裂纹萌生寿命为18496周次，裂纹位置和分布如图13所示，其中箭头所指为疲劳过程中萌生的裂纹，数字表示该裂纹的萌生寿命。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多尺度疲劳裂纹萌生寿命仿真预测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、材料初始状态分析，针对具体工程材料，通过试验获得材料的初始状态；
步骤2、分子动力学仿真分析，基于步骤1得到的材料微观组织结构和化学组成，建立对应的分子动力学单晶模型，并对该模型进行加载，获得单晶模型的三维刚度矩阵、剪切模量、泊松比、临界分切应力、裂纹萌生能，晶体滑移系信息；
步骤3、刚度矩阵二维变换，根据步骤2得到的单晶模型三维刚度矩阵，根据实际模型内的晶体取向，对三维刚度矩阵进行坐标变换，得到相应的二维刚度矩阵；
步骤3的具体实现方法为：
步骤3.1、生成随机取向：
根据步骤1中获得的材料晶体织构信息，采用相应的随机函数获得随机晶粒的欧拉角α,β,γ；
步骤3.2、坐标变换矩阵：
根据步骤3.1中得到的欧拉角α,β,γ，得到相应晶粒的坐标变换矩阵TR；
步骤3.3、刚度矩阵变换：
根据步骤3.2中得到的坐标变换矩阵，对步骤2中得到的单晶材料三维刚度矩阵进行坐标变换，获得任意取向晶粒的二维刚度矩阵；
步骤4、确定取向因子SF，根据步骤2中得到的晶体滑移系，根据材料的实际受力情况，确定材料的取向因子；
步骤4的具体实现方法为：
步骤4.1、确定滑移面和滑移方向：
根据步骤2中得到的晶体滑移系，得到晶体的滑移面{HKL}和滑移方向<UVW>；
步骤4.2、滑移系坐标变换：
根据步骤3中得到的坐标变换矩阵，对步骤4.1中得到的滑移面{HKL}做坐标变换得到宏观坐标系下的滑移面{H1K1L1}，同样对<UVW>做坐标变换得到宏观滑移方向<U1V1W1>；
{H1K1L1}T＝TR{HKL}T (1)
<U1V1W1>T＝TR<UVW>T (2)
步骤4.3、确定宏观取向因子SF：
取向因子
Figure FDA0003887162500000011
其中，
Figure FDA0003887162500000012
为外加载荷方向与宏观滑移面法向的夹角，θ为外加载荷与宏观滑移方向之间的夹角；
当外加载荷方向为<abc>，由步骤4.2得每个晶粒对应的宏观滑移面法向为{H1K1L1}，宏观滑移方向为<U1V1W1>，采用向量表达得到相应晶粒的取向因子：
Figure FDA0003887162500000013
步骤5、确定裂纹方向，根据步骤4.2中得到的宏观滑移面法向{H1K1L1}，当宏观有限元模型平面法向为{MNP}时，二平面的交线即为裂纹位置和方向，通过两个面法向叉乘得到裂纹方向向量{ABC}为：
{ABC}＝{H1K1L1}×{MNP} (4)
步骤6、有限元多晶模型仿真分析，根据步骤1中获得的晶粒尺寸，采用Voronoi多边形方法，生成相应晶粒大小的多晶模型，同时根据步骤3中获得的刚度矩阵，仿真得到在给定载荷条件下的应力分布；
步骤6的具体实现方法为：
步骤6.1、建立试样等比例模型：
根据试样的实际受力情况，建立等比例的有限元模型，仿真并得到材料在单次疲劳加载下的变形和应力分布情况；
步骤6.2、建立多晶模型：
针对试样裂纹萌生危险区域，根据步骤1中获得的晶粒尺寸和晶体织构信息，采用Voronoi方法，建立相应的多晶有限元几何模型，同时，根据步骤3中获得的晶粒刚度矩阵，建立相应的各向异性本构物理模型；
进一步的，采用子模型的方法，根据步骤6.1中得到的变形情况，建立相应的边界约束条件；
步骤6.3、仿真分析：
提交步骤6.2中所建立的有限元模型，并得到各晶粒的应变和应力场，同时，提取并输出节点的坐标、应力以及多晶模型几何信息；
步骤7、确定疲劳裂纹萌生寿命，根据步骤2中分子动力学仿真得到的晶粒剪切模量，裂纹萌生能，临界分切应力信息，根据Tanaka-Mura模型，得到疲劳裂纹萌生寿命；
步骤7的具体实现方法为：
步骤7.1、确定分切应力
Figure FDA0003887162500000021
根据步骤6中输出的节点应力信息，提取节点各个方向的受力情况，得到各节点所受合力F，同时，根据步骤4.3中得到的宏观取向因子，得到节点的分切应力：
Figure FDA0003887162500000022
步骤7.2、确定裂纹长度ds：
根据步骤6中输出的多晶模型几何信息和节点坐标信息，根据节点坐标得到节点所在的晶粒编号和相应晶粒的几何信息，结合步骤4中得到的裂纹方向，得到裂纹和相应晶粒的两个交点P1＝(x1,y1)和P2＝(x2,y2)，由此得到模型内各节点对应的裂纹长度：
Figure FDA0003887162500000023
步骤7.3、确定疲劳裂纹萌生寿命Ns：
根据Tanaka-Mura模型，代入步骤2中得到的剪切模量μ，裂纹萌生能Wc，临界分切应力CRSS，泊松比v以及步骤7.1和步骤7.2中得到的各节点对应的分切应力
Figure FDA0003887162500000031
和裂纹长度ds，得到的疲劳裂纹萌生寿命：
Figure FDA0003887162500000032
2.如权利要求1所述的一种多尺度疲劳裂纹萌生寿命仿真预测方法，其特征在于：所述材料初始状态分析，包括：表面完整性分析、微观组织分析以及化学成分分析。
3.如权利要求2所述的一种多尺度疲劳裂纹萌生寿命仿真预测方法，其特征在于：所述表面完整性分析，包括：通过白光干涉仪、激光共聚焦显微镜、粗糙度仪获得材料的初始表面粗糙度，通过X射线衍射、超声波对材料残余应力进行测量，获得残余材料内残余应力的分布。
4.如权利要求2所述的一种多尺度疲劳裂纹萌生寿命仿真预测方法，其特征在于：所述微观组织分析，包括：采用光学显微镜、扫描电镜、电子背散射，对材料的微观组织进行观察和测量，获得材料的晶粒尺寸、晶体织构、组织结构信息。
5.如权利要求2所述的一种多尺度疲劳裂纹萌生寿命仿真预测方法，其特征在于：所述化学成分分析，采用化学分析法、光谱分析法对材料的化学成分进行测量，得到材料内各化学元素的组分。
6.如权利要求1所述的一种多尺度疲劳裂纹萌生寿命仿真预测方法，其特征在于：进行刚度矩阵二维变换，根据实际模型内的晶体取向，对单晶模型三维刚度矩阵进行坐标变换，得到相应的二维刚度矩阵。
7.如权利要求1所述的一种多尺度疲劳裂纹萌生寿命仿真预测方法，其特征在于：所述晶体的坐标变换矩阵采用Bunge约定，即：①晶体先绕z轴旋转α角，②在①的基础上，绕x轴旋转β角，③在①和②的基础上，再次绕z轴旋转γ角；
晶体绕x轴旋转β角的坐标变换矩阵Rx为：
Figure FDA0003887162500000033
晶体绕z轴旋转α角的坐标变换矩阵Rz1为：
Figure FDA0003887162500000034
晶体绕z轴旋转γ角的坐标变换矩阵Rz2为：
Figure FDA0003887162500000035
因此，晶体的实际坐标变换矩阵TR为：
Figure FDA0003887162500000041
其中，c1为cos(α)，c2为cos(β)，c3为cos(γ)，s1为sin(α)，s2为sin(β)，s3为sin(γ)。
8.如权利要求1所述的一种多尺度疲劳裂纹萌生寿命仿真预测方法，其特征在于：通过宏观滑移面法向{H1K1L1}和宏观有限元模型平面法向{MNP}叉乘，得到裂纹方向向量，确定裂纹方向。
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